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永磁同步电机原理及应用案例
发布日期2017.10.21 浏览量:3616

[导读] 目前我国电动机保有量大,消耗电能大,设备老化,效率较低,已完全进入更新换代的时期,而永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。

目前我国电动机保有量大,消耗电能大,设备老化,效率较低,已完全进入更新换代的时期,而永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。

永磁同步电机基本原理

* 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。

* 为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场,可有两种方法:一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场,如普通的直流电机,同步电机和异步电机等;另一种是由永磁体来产生磁场,即永磁同步电机。

* 从基本原理来讲:永磁同步电机与传统电励磁同步电机是一样的,其唯一区别为传统的电励磁同步电机是通过在励磁绕组中通入电流来产生磁场的,而永磁同步电机是通过永磁体来建立磁场的,并由此引起两者分析方法存在差异。

永磁同步电机相比交流异步电机优势

1、效率高、更加省电:

a、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的,从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗(铜耗);

b、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机,其在轻载时效率值要高很多,这是永磁同步电机在节能方面,相比异步电机最大的一个优势。因为通常电机在驱动负载时,很少情况是在满功率运行,这是因为:一方面用户在电机选型时,一般是依据负载的极限工况来确定电机功率,而极限工况出现的机会是很少的,同时,为防止在异常工况时烧损电机,用户也会进一步给电机的功率留裕量;另一方面,设计者在设计电机时,为保证电机的可靠性,通常会在用户要求的功率基础上,进一步留一定的功率裕量,这样导致在实际运行的电机90%以上是工作在额定功率的70%以下,特别是在驱动风机或泵类负载,这样就导致电机通常工作在轻载区。对异步电机来讲,其在轻载时效率很低,而永磁同步电机在轻载区,仍能保持较高的效率,其效率要高于异步电机20%以上。

c、由于永磁同步电机功率因数高,这样相比异步电机其电机电流更小,相应地电机的定子铜耗更小,效率也更高。

d、系统效率高:永磁电机参数,特别是功率因数,不受电机极数的影响,因此便于设计成多极电机(如可以100极以上),这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机,可以做成直接用永磁同步电机驱动的直驱系统,从而省去了减速箱,提高了传动效率。

2、功率因数高:

由于永磁同步电机在设计时,其功率因数可以调节,甚至可以设计成功率因数等于1,且与电机极数无关。而异步电机随着极数的增加,由于异步电机本身的励磁特点,必然导致功率因数越来越低,如极数为8极电机,其功率因数通常为0.85左右,极数越多,相应功率因数越低。即使是功率因数最高的2极电机,其功率因数也难以达到0.95。电机的功率因数高有以下几个好处:

a、功率因数高,电机电流小,电机定子铜耗降低,更节能;

b、功率因数高,电机配套的电源,如逆变器,变压器等,容量可以更低,同时其他辅助配套设施如开关,电缆等规格可以更小,相应系统成本更低。

c、由于永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限制,在电机配套系统允许的情况下,可以将电机的极数设计的更高,相应电机的体积可以做得更小,电机的直接材料成本更低。

3、电机结构简单灵活:

a、由于异步电机转子上需要安装导条、端环或转子绕组,大大限制了异步电机结构的灵活性,而永磁同步电机转子结构设计更为灵活,如对铁路牵引电机,可以将电机转子的磁钢可直接安装在机车轮对的转轴上,从而省去了减速齿轮箱,结构大为简化;又如永磁风力发电机,电机做成外转子直驱结构,电机的转子与叶轮做成一个整体,随叶轮一起转动,而定子固定在支撑塔上。

b、由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限制,便于实现电机直接驱动负载,省去噪音大,故障率高的减速箱,增加了机械传动系统设计的灵活性。

4、可靠性高:

从电机本体来对比,永磁同步变频调速电机与异步电机的可靠性相当,但由于永磁同步电机结构的灵活性,便于实现直接驱动负载,省去可靠性不高的减速箱;在某些负载条件下甚至可以将电机设计在其驱动装置的内部,如风力发电直驱装置,石油钻机的绞车驱动装置,从而可以省去传统电机故障率
高的轴承:大大提高了传动系统的可靠性。

5、体积小,功率密度大:

永磁同步变频调速电机体积小,功率密度大的优势,集中体现在驱动低速大扭矩的负载时,一个是电机的极数的增多,电机体积可以缩小。还有就是:电机效率的增高,相应地损耗降低,电机温升减小,则在采用相同绝缘等级的情况下,电机的体积可以设计的更小;电机结构的灵活性,可以省去电机内许多无效部分,如绕组端部,转子端环等,相应体积可以更小。

6、起动力矩大、噪音小、温升低 :

a、永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态,低频时的输出力矩较异步电机大,运行时的噪音小;

b、转子无电阻损耗,定子绕组几乎不存在无功电流,因而电机温升低,同体积、同重量的永磁电机功率可提高30%左右;同功率容量的永磁电机体积、重量、所用材料可减少30%。



基于永磁同步电机上述众多优势,特别在目前国家‘节能减排’的大背景下,其应用前景极为广阔。随着永磁体及永磁同步电机控制技术的日益成熟可靠,其应用范围基本上可以覆盖目前应用电机所有领域:

永磁同步变频调速电机应用案例

1、电动汽车

伴随汽车工业的急速发展,环保问题也越来越严重,为了解决上述问题,并且大幅改善燃油经济型,毫无疑问就是使用电动汽车。永磁同步电机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点,正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。

2、轨道交通领域

2007年,阿尔斯通公司研发的新一代永磁牵引电机系统的高速AGV列车—V150,创下列车速度世界新纪录574.8km/h。

 

3、电梯领域

永磁同步电机产生较小的谐波噪声,应用于电梯系统中,可以带来更佳的舒适感;

4、医疗机械领域

传统高速旋转的整流子电机不仅故障率高,且寿命短、噪声大、无法做消毒处理。用电子换向无刷直流永磁电机可以极大的提高工作可靠性,降低噪声,延长寿命,是开发新一代医疗器械的关键。

5、家电行业领域

由于永磁电机在低运转时效率极高,可以有效的降低频繁启动的损耗,是实现家电节能的较佳技术途径之一。

6、船舶电力推进领域

推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分、永磁同步推进电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠性高、可维护性好等优点,是船舶推进电机的理想选择。

7、挤出机领域

螺杆驱动电机是挤出机动力系统的重要组成部分、永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、可靠性高、可维护性好等优点,是挤出机驱动电机的理想选择。

永磁同步电机是众多高新技术和高新技术产业的基础,它与电力电子技术和微电子控制技术相结合,可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备,代表了21世纪电机发展的方向。



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