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永磁同步電機原理及其應(yīng)用

文章出處:網(wǎng)責(zé)任編輯:作者:人氣:-發(fā)表時間:2017-04-29 08:59:00【

永磁同步電機


一、發(fā)展永磁同步電機意義;

我國電動機保有量大,消耗電能大,設(shè)備老化,效率較低。

永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、起動力矩大、力能指標(biāo)好、溫升低等特點。

二、永磁同步電機基本原理、

電機是以磁場為媒介進(jìn)行機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。

為在電機內(nèi)建立進(jìn)行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場,可有兩種方法:一種是在電機繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場,如普通的直流電機,同步電機和異步電機等;另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場,即永磁同步電機。

從基本原理來講:永磁同步電機與傳統(tǒng)電勵磁同步電機是一樣的,其唯一區(qū)別為傳統(tǒng)的電勵磁同步電機是通過在勵磁繞組中通入電流來產(chǎn)生磁場的,而永磁同步電機是通過永磁體來建立磁場的。

三、永磁同步電機相比異步電機的優(yōu)勢;

1、效率高、更加省電:

a、由于永磁同步電機的磁場是由永磁體產(chǎn)生的,從而避免通過勵磁電流來產(chǎn)生磁場而導(dǎo)致的勵磁損耗(銅耗);

b、永磁同步電機的外特性效率曲線相比異步電機,其在輕載時效率值要高很多,這是永磁同步電機在節(jié)能方面,相比異步電機最大的一個優(yōu)勢。因為通常電機在驅(qū)動負(fù)載時,很少情況是在滿功率運行,這是因為:一方面用戶在電機選型時,一般是依據(jù)負(fù)載的極限工況來確定電機功率,而極限工況出現(xiàn)的機會是很少的,同時,為防止在異常工況時燒損電機,用戶也會進(jìn)一步給電機的功率留裕量;另一方面,設(shè)計者在設(shè)計電機時,為保證電機的可靠性,通常會在用戶要求的功率基礎(chǔ)上,進(jìn)一步留一定的功率裕量,這樣導(dǎo)致在實際運行的電機90%以上是工作在額定功率的70%以下,特別是在驅(qū)動風(fēng)機或泵類負(fù)載,這樣就導(dǎo)致電機通常工作在輕載區(qū)。對異步電機來講,其在輕載時效率很低,而永磁同步電機在輕載區(qū),仍能保持較高的效率,其效率要高于異步電機20%以上。

c、由于永磁同步電機功率因數(shù)高,這樣相比異步電機其電機電流更小,相應(yīng)地電機的定子銅耗更小,效率也更高。

d、系統(tǒng)效率高:永磁電機參數(shù),特別是功率因數(shù),不受電機極數(shù)的影響,因此便于設(shè)計成多極電機(如可以100極以上),這樣對于傳統(tǒng)需要通過減速箱來驅(qū)動負(fù)載電機,可以做成直接用永磁同步電機驅(qū)動的直驅(qū)系統(tǒng),從而省去了減速箱,提高了傳動效率。

2、功率因數(shù)高:

由于永磁同步電機在設(shè)計時,其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié),甚至可以設(shè)計成功率因數(shù)等于1,且與電機極數(shù)無關(guān)。而異步電機隨著極數(shù)的增加,由于異步電機本身的勵磁特點,必然導(dǎo)致功率因數(shù)越來越低,如極數(shù)為8極電機,其功率因數(shù)通常為0.85左右,極數(shù)越多,相應(yīng)功率因數(shù)越低。即使是功率因數(shù)最高的2極電機,其功率因數(shù)也難以達(dá)到0.95。電機的功率因數(shù)高有以下幾個好處:

a、功率因數(shù)高,電機電流小,電機定子銅耗降低,更節(jié)能;

b、功率因數(shù)高,電機配套的電源,如逆變器,變壓器等,容量可以更低,同時其他輔助配套設(shè)施如開關(guān),電纜等規(guī)格可以更小,相應(yīng)系統(tǒng)成本更低。

c、由于永磁同步電機功率因數(shù)高低不受電機極數(shù)的限制,在電機配套系統(tǒng)允許的情況下,可以將電機的極數(shù)設(shè)計的更高,相應(yīng)電機的體積可以做得更小,電機的直接材料成本更低。

3、電機結(jié)構(gòu)簡單靈活:

a、由于異步電機轉(zhuǎn)子上需要安裝導(dǎo)條、端環(huán)或轉(zhuǎn)子繞組,大大限制了異步電機結(jié)構(gòu)的靈活性,而永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計更為靈活,如對鐵路牽引電機,可以將電機轉(zhuǎn)子的磁鋼可直接安裝在機車輪對的轉(zhuǎn)軸上,從而省去了減速齒輪箱,結(jié)構(gòu)大為簡化;又如永磁風(fēng)力發(fā)電機,電機做成外轉(zhuǎn)子直驅(qū)結(jié)構(gòu),電機的轉(zhuǎn)子與葉輪做成一個整體,隨葉輪一起轉(zhuǎn)動,而定子固定在支撐塔上。

b、由于永磁同步變頻調(diào)速電機參數(shù)不受電機極數(shù)的限制,便于實現(xiàn)電機直接驅(qū)動負(fù)載,省去噪音大,故障率高的減速箱,增加了機械傳動系統(tǒng)設(shè)計的靈活性

4、可靠性高:

從電機本體來對比,永磁同步變頻調(diào)速電機與異步電機的可靠性相當(dāng),但由于永磁同步電機結(jié)構(gòu)的靈活性,便于實現(xiàn)直接驅(qū)動負(fù)載,省去可靠性不高的減速箱;在某些負(fù)載條件下甚至可以將電機設(shè)計在其驅(qū)動裝置的內(nèi)部,如風(fēng)力發(fā)電直驅(qū)裝置,石油鉆機的絞車驅(qū)動裝置,從而可以省去傳統(tǒng)電機故障率高的軸承:大大提高了傳動系統(tǒng)的可靠性。

5、體積小,功率密度大:

永磁同步變頻調(diào)速電機體積小,功率密度大的優(yōu)勢,集中體現(xiàn)在驅(qū)動低速大扭矩的負(fù)載時,一個是電機的極數(shù)的增多,電機體積可以縮小。還有就是:電機效率的增高,相應(yīng)地?fù)p耗降低,電機溫升減小,則在采用相同絕緣等級的情況下,電機的體積可以設(shè)計的更小;電機結(jié)構(gòu)的靈活性,可以省去電機內(nèi)許多無效部分,如繞組端部,轉(zhuǎn)子端環(huán)等,相應(yīng)體積可以更小。

6、起動力矩大、噪音小、溫升低:

a、永磁同步電機在低頻的時候仍能保持良好的工作狀態(tài),低頻時的輸出力矩較異步電機大,運行時的噪音??;

b、轉(zhuǎn)子無電阻損耗,定子繞組幾乎不存在無功電流,因而電機溫升低,同體積、同重量的永磁電機功率可提高30%左右;同功率容量的永磁電機體積、重量、所用材料可減少30%。

四、永磁同步電機應(yīng)用前景;

基于永磁同步電機上述眾多優(yōu)勢,特別在目前國家‘節(jié)能減排’的大背景下,其應(yīng)用前景極為廣闊。隨著永磁體及永磁同步電機控制技術(shù)的日益成熟可靠,其應(yīng)用范圍基本上可以覆蓋目前應(yīng)用電機所有領(lǐng)域。

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