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科学瞎想系列之七十八 永磁电机(1)

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永磁电机是当前最热门的一种电机,许多宝宝要求老师讲一讲永磁电机,永磁电机里面的事确实比较多,与传统的电励磁电机相比,永磁电机无论是设计还是制造、试验测试、运行等方面都比较难搞,需要扎实的理论功底和丰富的经验才能搞定,技术门槛很高。这么多事不可能一下讲完,一次说那么多恐怕宝宝们也没有耐心看,老师就分多期给宝宝们说说永磁电机的那些事,为了便于宝宝们理解,老师就从盘古开天地说起,力求由浅入深,深入浅出。今天算第一期。 为了防止不良媒体盗版,这里插播一段广告,喜欢老师瞎想系列的宝宝敬请关注俺的公众号:龙行天下CSIEM

1 永磁电机是个神马鬼 电机是一种以磁场为媒介、以电磁理论为基础的能量转换装置。知道宝宝们基础差,说这些专业术语不大好理解,老师就给宝宝们打个比方来解释一下上面这句话。先说什么是能量转换装置,这就像银行兑换钱币,经常出国的宝宝们都兑换过外币,你可以拿人民的币兑换成刀乐,也可以用刀乐兑换成人民的币,银行就是个“钱币转换装置”。银行要兑换钱币必须首先要有本金,就是先要有一笔钱放到一个池子里,这个本钱就是“媒介”,有了本钱,你就可以拿人民币扔进池子,再从池子里拿走你所需要的刀乐或欧元等等,这样转换一下,池子里的本钱多少不会变,但银行会收取一些手续费,这就是你转换过程中的“损耗”。电机作为一种能量转换装置,同样首先要有一些“本钱”,这个本钱就是磁场的能量。电机要想工作,首先要在电机的气隙里建立一个磁场,这个磁场就相当于那个“池子”,磁场里储存着能量就是本钱。有了这个磁场储能的本钱,就可以通过线圈向磁场池子里输入电能,同时从轴上取走机械能,这就是电动机;也可以从轴上输入机械能,同时从线圈取走电能,这就是发电机;还可以从一个线圈输入电能,同时从另一个线圈再取走电能,有的宝宝会说,把电能转换成电能这不是吃多了撑的吗?不是,输入的电能可能是高压电能,高压电能直接用会电死宝宝,必须换成低压电能宝宝们才可以安全使用,所以需要电能“兑换”成电能,这就是变压器,就像你在银行除了兑换外币也可以拿大面值的人民币兑换成零钱一样。所以说变压器也是一种电机!说完“转换装置”和“媒介”再说说“以电磁理论为基础”是怎么回事,银行兑换钱除了要有本钱,还需要有兑换规则、外汇牌价等等游戏规则,这就是兑换的“理论基础”。同样,电机转换能量也需要有一系列的“转换规则”,这一系列转换规则就是能量转换的理论基础。电机进行能量转换所依据的就是一系列电磁理论,其核心就是麦克斯韦方程组,包括了法拉第电磁感应定律、安培环路定律、楞次定律、电流的磁效应、通电导体在磁场中受力等理论。 解释了什么是电机,接下来就说说永磁电机是个神马鬼。永磁电机就是用永磁体建立气隙磁场的电机。前面说了,电机要想工作,离不开磁场这个“媒介”,那么一开始的磁场是怎么来的?前面的瞎想中老师说过,所有的磁场都是由电流产生的,我们可以用一个线圈,给它通电后就会产生磁场,我们称这种励磁方式为电励磁,用电磁铁励磁的电机是有励磁损耗的,因为电流会在线圈里发热;也可以用一个天然的“磁石”建立磁场,这就是永磁铁。早期的永磁材料都是天然磁石,随着科技的发展,现在都采用人造的永磁体作为永磁电机的励磁。研究表明永磁体的磁场也是电流产生的,只不过用于产生永磁磁场的电流是材料天生自带的,称之为“分子电流”,因此用永磁体励磁的电机理论上是没有励磁损耗的,但因为电机运行时永磁体里会有一些涡流,也会产生少许的杂散损耗。再用通俗的例子打比方,就是银行的“本钱”可以是股东们凑起来的股份钱,这就是电磁铁,这些股东们要分红的,所以是有“励磁损耗”的;也可以是不知哪辈子的老祖宗给我们留下的一笔遗产,这就是永磁铁,因为老祖宗已仙逝N年,就不需要再给他分红了,所以理论上是没有“励磁损耗”的,当然逢年过节给老祖宗烧个纸还是必要的,因此实际上会有些少量的杂散消费。事实上,天然磁石就是上天赐给我们的一笔大遗产! 说了这么大半天,总结一下:永磁电机就是永磁体励磁的电机!它与电励磁的电机比有什么不同和特点呢?接着往下看!

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2 永磁电机的特点 除了上面说到的永磁电机采用永磁体励磁,不会产生励磁损耗外,永磁电机还有以下一些特点: 2.1 由于永磁电机不用通励磁电流,所以大多永磁电机都把永磁体放在转子上,这样就可以省去滑环电刷等滑动电接触部件,可靠性较高。当然也有例外,传统的永磁直流电机就是个例外,这是这种电机原理所决定的。 2.2 由于永磁电机的励磁是由永磁体“自带”的,一旦永磁电机制造完成,里面的磁场就是固有的,运行中无法对电机的励磁进行调节和控制,如果电机性能不满足要求,只能推倒重来,这也要求永磁电机在设计时就要准确计算,否则就要进行多轮样机试制验证,造成大量浪费。事实上在早期没有功能强大的设计软件之前,只能通过实物样机进行多轮验证才能得到优化的设计方案。这也反映出永磁电机设计的技术门槛很高,现在永磁电机设计对软件的依赖性更强。当然随着电力电子技术的飞速发展,有些场合即使电机设计不太完美,可以通过变频器进行电枢控制来得以补偿和掩盖。 2.3 电励磁的电机是用线圈绕到一个铁心上产生磁场,铁心的导磁性能非常好,即磁导率很大,因此如果用另外一个线圈再给它加强磁场(助磁)或削弱它原来的磁场(弱磁)都是比较容易的;而永磁体就不然了,永磁体本身的导磁性能并不咋地,与空气差不多,属于非导磁材料,它相当于一个分子电流环绕在空气上,或把它看做一个永不停歇的分子电流环绕在一个塑料骨架上。正因如此,永磁体一旦充好磁是很难通过其它的外磁场再对它助磁和弱磁的;也正因如此,永磁体一旦充好磁,想通过反方向磁场给它退磁也是很困难的,因此宝宝们担心的永磁电机退磁问题并没有想象的那么可怕,只要设计合理运行规范,永磁电机是完全可以保证可靠运行的。当然为了防止万一,电机设计时还是要必须校核所有的退磁风险。 2.4 正因永磁体本身的导磁性能相当于空气,所以穿过具有永磁体形成磁路,就相当于穿过了一个很大的气隙,磁阻是非常大的,因此永磁电机直轴(d轴)的电感很小,比电励磁电机的直轴电感小很多倍。 2.5 永磁电机的磁路结构千变万化,但总起来可以分为两大类,一类叫表贴式;一类叫内嵌式,如下图所示。其中(a)为表贴式,(b)(c)均属于内嵌式。

图1永磁电机的转子结构

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表贴式的磁路由于直轴和交轴磁路都需要穿过磁钢或空气隙,磁阻都很大,且直轴交轴磁阻基本相当,因此直轴和交轴电感也基本相等;对于内嵌式的磁路就不同了,由于直轴磁路需要穿过磁钢,磁阻很大,所以直轴电感很小,而交轴不需要穿过磁钢,只通过铁磁材料,所以交轴磁阻很小,交轴电感很大。内嵌式永磁电机这种交轴电感大于直轴电感的特性是区别于电励磁电机的最大特点,在设计、控制、运行方面必须要根据这一特点进行专门的考虑,以充分利用这一特点扬长避短,达到最优的系统解决方案。关于这一点,后续会专门讲解。 2.6 正因永磁电机弱磁困难,这对永磁电机的弱磁增速控制提出了一个不小的难题,加之一旦永磁电机制造完成,其固有参数和特性是无法通过励磁调节来改变,因此需要在电机设计和控制器(变频器)设计以及控制策略方面统筹考虑,进行统一联合设计才能达到最佳的匹配和最优的性能。 2.7 永磁体一旦充好磁,其励磁磁势就是固定的,这个励磁磁势就是永磁体的矫顽力,把它装到电机上后,就会产生一个固定的空载气隙磁场,电机旋转时就会在电枢绕组中产生一个恒定的空载反电势E0,无论电机在什么状态下运行,这个空载反电势E0都认为是固定不变的,这也是永磁电机不同于其它电机最突出的特点之一。 2.8 永磁电机在充好磁的情况下装配,由于强大的磁力影响,在制造过程中需要有专门的工艺工装来保证。由于永磁电机停机时仍存在气隙磁场,这给更换轴承等维修工作也带来不便,需要设计时专门考虑。 以上是永磁电机的主要特点,除此之外还有永磁电机效率高、体积小、重量轻、功率因数高、可以方便做成多极低速等特点。 说了这么多再总结一下,永磁电机的突出特点就是“三不”:不变——空载反电势E0不变;不等——内嵌式永磁电机交直轴电感不等,Lq>Ld;不易——不易弱磁。以上“三不”导致了永磁电机设计技术门槛很高,大多宝宝懵圈! 今天就说这些,说多了怕宝宝们又懵圈了。

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e),作者:龙行天下

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原始发表时间:2018-05-26

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