對PM永磁電動機的研究分析

魏 塬徐武彬劉 翌楊新亮關(guān) 洋

（1、廣西工學(xué)院機械工程系，廣西 柳州 545006；2、廣西佳力電工集團有限公司，廣西 柳州 545005）

引言

新的磁性材料和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，使市場上出現(xiàn)了輸出功率范圍較廣的PM發(fā)動機。傳統(tǒng)異步電機多為中小型感應(yīng)發(fā)動機，運行時的功率系數(shù)為08-0.85，這導(dǎo)致了發(fā)動機的溫度高，噪聲過大，能量消耗多，成本更高，也不利于環(huán)境。船舶電力推進、輕軌牽引電機、地質(zhì)石油轉(zhuǎn)機等受體積限制，需要電動機具有高功率、高轉(zhuǎn)矩密度，感應(yīng)電機遠不能滿足要求。

本文介紹一種新型PM永磁電機，由于具有更高的效率和多種轉(zhuǎn)子設(shè)計，能形成永磁場，調(diào)速范圍比較寬，伺服性能好，散熱能力強，能夠滿足特種加工的快速反應(yīng)能力、高速與超高速，精密與超精密等要求，是先進的高效的電能向機械能的轉(zhuǎn)化器。PM發(fā)動機可以應(yīng)用于微電子，計算機，機器人技術(shù)，工業(yè)自動化，重工業(yè)，國防和船舶業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。

1.電機結(jié)構(gòu)

PM永磁發(fā)動機可以根據(jù)永磁部分和轉(zhuǎn)子磁機構(gòu)裝配的方式，從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上分為永磁部分嵌入式轉(zhuǎn)子和永磁部分表面裝配式轉(zhuǎn)子兩種形式，如圖1所示。

圖1 PM發(fā)動機的兩種結(jié)構(gòu)

從表面裝配的PM發(fā)動機可以作為同步發(fā)動機或無刷DC發(fā)動機。由于發(fā)動機的磁場分布不可能很好地成梯形分布的，作為DC發(fā)動機能精確控制的條件，正弦通量分布的同步PM發(fā)動機能很好的解決這個問題。對于較高的要求來說可以選擇裝有嵌入磁轉(zhuǎn)子的永磁同步發(fā)動機，相比表面裝配的同步發(fā)動機，它具有轉(zhuǎn)力矩體積比高，損耗少，轉(zhuǎn)子慣性矩低，轉(zhuǎn)矩脈動低等優(yōu)點。根據(jù)整機性能要求可以選用不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來滿足工程安裝。

2.電機效率

效率系數(shù)是指發(fā)動機對軸的輸出功率或是一段時間后的輸出能量，與機器的輸入功率的比值。通常發(fā)動機的輸出功率總是低于其負載功率的。損失的功率的部分被用于機械振動副作用及機器中磁性的損失。

PM永磁發(fā)動機由電驅(qū)動控制的功率系數(shù)通常為1，當(dāng)應(yīng)用的是純正弦相電壓時通常是高于0.93-0.98的，與感應(yīng)發(fā)動機和繞線磁極式電動機相比，具有高效的特點，如圖2所示。同時轉(zhuǎn)子損耗非常低，而且在促進發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的定子中完成幾乎所有的發(fā)熱。

圖2 不同型號發(fā)動機效率比較

3.調(diào)速范圍

為了激勵轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)動機需要將能量從定子繞組轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子籠,產(chǎn)生促使旋轉(zhuǎn)定子磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)力矩的磁場。轉(zhuǎn)子能產(chǎn)生的損耗通常使發(fā)動機的效率降低。

同步繞線磁極式發(fā)動機通常會因定子激勵繞組中的能量損失而使整個發(fā)動機的效率下降，而我們需要用電流來產(chǎn)生形成電動機轉(zhuǎn)矩的磁場。與感應(yīng)發(fā)動機那樣需要將激發(fā)能從定子轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子和同步繞線磁極式發(fā)動機那樣要使用一個獨立的能源來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場不同,PM機的轉(zhuǎn)子形成永磁場,不需要使用任何外加的能源或傳輸途徑。

發(fā)動機額定動力用于電動機最大負載,但是這并不意味著電機總是在以總功率在運行.在速率控制系統(tǒng)中發(fā)動機效率經(jīng)常不是在轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的,這也是驅(qū)動器經(jīng)常發(fā)生的情況。在非常低速度的情況下，發(fā)動機效率相應(yīng)變得非常低.在此應(yīng)用領(lǐng)域，PM發(fā)動機的調(diào)速范圍明顯高于上述兩種型號，具有良好技術(shù)特性。

4.能量損耗

PM發(fā)動機激勵轉(zhuǎn)子不需要能量驅(qū)動,沒有損耗。對每一個發(fā)動機來說,冷卻系統(tǒng)是很重要的一部分,良好的冷卻系統(tǒng)意味著發(fā)動機質(zhì)量更好,每一種實用的機器必須要永久地冷卻,因為機器中的損失產(chǎn)生的能量損耗必須排放出來以防止機器過熱,而機器過熱對其本身和其他零部件是很危險的。

圖3 冷卻系統(tǒng)

普通機器的電磁的損失可能發(fā)生于轉(zhuǎn)子和定子處。對于實際運轉(zhuǎn)的機器來說，幾乎所有的電磁損失都產(chǎn)生于定子處。定子是作為發(fā)動機外部的一部分，這一部分很容易由自然輻射，一般用通風(fēng)設(shè)備和液體進行冷卻。因為整功率因數(shù)的關(guān)系，在轉(zhuǎn)子電路僅存在微小的電渦流，PM發(fā)動機在轉(zhuǎn)子處幾乎沒有損耗-轉(zhuǎn)子的電流，最大的優(yōu)點是沒有轉(zhuǎn)子定子的機械結(jié)構(gòu)外冷卻系統(tǒng)滿足散熱需要，如圖3所示。

結(jié)論

介紹一種新型具有更高的效率和多種轉(zhuǎn)子設(shè)計的PM永磁電機，能形成永磁場，分為表面裝配和嵌入式轉(zhuǎn)子兩種形式，既能提高功率因數(shù)，又能低速直接驅(qū)動，可滿足高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度要求，調(diào)速范圍寬，伺服性能良好，激勵轉(zhuǎn)子無需能量驅(qū)動，能在較大的速度變動范圍內(nèi)保持高效運行。具有重量輕、體積小、轉(zhuǎn)動慣量小，現(xiàn)場應(yīng)用方便，能迅速得到工業(yè)領(lǐng)域中得到推廣。

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