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前沿科技:永磁同步电动机有哪些优缺点

  引  言
  
  永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同 ,但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁,使电机结构更为简单。近年来,永磁材料性能 的改善以及电力电子技术的进步 ,推动了新原理 、新结构永磁同步电机 的开发 ,有力地促进了电机产 品技术 、品种及功能的发展 ,某些永磁同步电机已形成系列化产品,其容量从小到大,目前已达到兆瓦级,应用范围越来越广;其地位越来越重要,从军工到民用,从特殊到一般迅速扩大,不仅在微特电机中占优势,而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力 。

 

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  1、 特 点
  
  永磁同步电机采用永磁体励磁,具有电励磁电机无可比拟的优点。
  
  1)效率高:在转子上嵌入永磁材料后,在正常工作时转子与定子磁场同步运行,转子绕组无感生电流,不存在转子电阻和磁滞损耗,提高了电机效率。
  
  2)功率因数高:永磁同步电机转子中无感应电流励磁,定子绕组呈现阻性负载,电机的功率因数近于 1,减小了定子电流,提高了电机的效率。同时功率因数的提高,提高了电网品质因数,减小了输变电线路的损耗,输变电容量也可降低,节省 了电网投资。
  
  3)起动转矩大:在需要大起动转矩的设备(如油田抽油电机 )中,可以用较小容量 的永磁 电机替代较大容量的Y 系列电机。如果 37 kw 永磁同步电机代替45kW ~55 kW 的 Y 系列电机,较好地解决了“大马拉小车”的现象,节省了设备投入费用,提高了系统 的运行效能。
  
  4)力能指 标好 :Y 系列 电机在 60%的负荷下工作时,效率下降 15%,功率因数下降 30%,力能指标下降40%;而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微,当电机只有 20%负荷时,其力能指标仍为满负荷的 80%以上。
  
  5)温升低:转子绕组中不存在电阻损耗,定子绕组中几乎不存在无功电流,因而电机温升低。
  
  6 )体积小,重量轻 ,耗材少:同容量 的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小 30%左右。
  
  7)可大气隙化,便于构成新型磁路。
  
  8 )电枢反应小 ,抗过载能力强。
  
  2、发展现状
  
  永磁同步 电机 的发展 和永 磁材料 的发展息息相关 。新型永磁材料 的出现大 大促进 了永磁 同步电机的发展。二十世纪八 十年代钕铁硼稀土永磁材料问世,由于钕资源丰富,以廉价的铁取代昂贵的钴 ,价格相对低廉 。钕铁硼稀 土永磁材料磁性能好 ,极大地推动了永磁同步电机的开发。
  
  2.1 发展成果
  
  我国十分 重视钕铁硼永磁电机的研 究开发 ,并列入了国家“863”攻关计划 。经过多年的研究开发 ,取得了丰硕成果 ,开发了 5 种类型 22 个典 型规格的高性能永磁同步电机样机  。
  
  1)3 种典型规格的高效、高起动转矩永磁 同步电动机样机,成功地解决了起动转矩高、节能效果好、高温不退磁和成本合理这4 项互相制约的矛盾。
  
  2) 化纤机械用高效高牵入同步钕铁硼永磁同步电动机(6 个规格)。与现有电机相比,所: 开发电机的功率因数、效率和最大转矩倍数都有不同程度的提高,失步转矩是原有的3.59倍,牵^转矩提高了3倍。
  
  3)机床主轴用7.5 kW 高恒功率调速比钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统。开发的永磁同步电动机调速系统 的调速范 围为 0.4 r/r a in ~9 000 r/min(国内同规格的主轴感应电动机的调速范围仅为 8 r/min ~8 000 r/r e_in),恒功率调速比达到 1:6。
  
  4 )电动汽 车用永 磁 同步 电动机 和驱动 系统。开发的 7.5 kW 轻微型电动客车用永磁同步 电动机系统 ,电机重量为 45 kg ,磁体用量为 0.92 kg,额定转速为 3 000 r/m in ,最高转速 5 500 r/m in。样机系统整体额定效率达 89.1% ,1 h 持续转矩密度为 0.74 N •m /kg(风冷 ),15 m in 持续转矩 密度为1.123 N •m /kg( 日本 A ISIM AW 样机 1 h 持续转矩密度为0.78 N •m/kg)(油冷),15 min 持续转矩密度为 1.178 N •m/kg。
  
  5)高起动能力钕铁硼永磁起动机电机(4 个规格样机)。所开发的电机把原来永磁磁极的一部分换为廉价的软铁辅助磁极 ,节省钕铁硼永磁材料约 30%。
  
  2.2 存在问题
  
  在开发高性能永磁 同步 电机过程 中,取得 上述成果的同时 ,也 得到 了一些 问题  ,有待 于更深入地研究和探索。
  
  1)不可逆退磁问题。如果设计或使用不当,永磁同步电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度 时,在 冲击 电流产生 的 电枢 反应作 用下 ,或在剧烈的机械振动时有可 能产 生不可逆退磁,或叫失磁,使电机性能下降,甚至无法使用。
  
  因此,既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置,又要分析各种不同结构型式的抗去磁能力,以便设计和制造时,采用相应措施保证永磁同步电机不失磁。
  
  2)成本 问题 。铁 氧体永 磁同步 电机 由于结构工艺简单、质量减轻,总成本一般比电励磁电机低 ,因而得到了广泛应用。 由于稀 土永磁 目前 的价格还比较贵 ,稀土永磁 电机的成本一般 比电励磁 电机高 ,这需要用它 的高性 能和运行费用 的节省来补偿。在设计时既需要根据具体使用场合和要求进行性能、价格的比较后取舍,又要进行结构工艺的创新和设计优化,以降低成本。
  
  3 )控制 问题 。永磁 同步电机不需外界能量 即可维持其磁场,但这也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。但是随着 M OSFET、IGBT 等电力电子器件和控制技术的发展,大多数永磁同步电机在应用 中,可 以不进行磁 场控制而只进行 电枢控制。设计时需把永磁 材料、电力 电子器件 和微机控制三项新技术结合起来,使永磁同步电机在崭新的工况下运行。此外,以永磁同步电机作为执行元件 的永磁交 流伺 服系统 ,由于永磁同步电机本身是具有一定 非线性、强耦合性 和时变性 的系统,同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性 ,加之系统运行时易受到不 同程度 的干扰 ,因此采用先进控制 策略、先进 的控制 系统实现方式(如基于 DSP 控制),从整体上提高系统的智能化和数字化水平,这应是当前发展高性能永磁同步电机伺服系统的一个主要突破口。
  
  3、发展趋势
  
  永磁同步电机以其效率高、比功率大、结构简单 、节能效果显著 等一 系列优点在工业生 产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进,稀土永磁 同步 电机的研究 开发在国内外 又进人 了一个新 的时期 ,在理论研 究和应 用 领域都 将产 生 质 的飞跃 ,目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方 向发展。
  
  3.1 超高速电机
  
  永磁同步电机不需要励磁绕组 ,结构比较简单 ,磁场部分没有发热源,不需要冷却装置,材料的矫顽力高,气隙长度可以取较大值从而使大幅度提高转速成为可能。目前已制成 (2 ~3 ) X 10 r/r ain的电机,如美国通用电气公 司研制 的150 kW 、23 000 r/min 的径向气隙型转子结构航空用稀土永磁发电机,外转子型用于 电动车的7.2 kW 、27 000 r/r ain 的 电机。目前正在研制每分钟几十万转的电机。
  
  3.2 高转矩大功率电机
  
  耐热、高磁性能钕铁硼永磁材料的开发成功将使其在大功率永磁 同步电机中获得重要应用。运输业和工业中诸如电动汽车、混合型(内燃机与电动机并用 )动力汽车、列车、电梯、机床、机器人等,对大功率电动机的需求正在增长。
  
  3.3 微型化
  
  由于钕铁硼永磁 的最大磁能积很高 ,特别是能制成超薄型的永磁体,从而使过去难以制作的超微型和低 惯量 电动机得 以实现 。目前 已开发 出直径几毫米以下的超小型电动机用作医疗微型机器、眼球手术用机器人手臂或管道检 查用机器人等场 合 的驱 动 源。现 已制 成 外 径 0.8 m m 、长1.2 m ln 的世界上最小的永磁电动机。
  
  3.4 高功能化
  
  在高温、高真空度或空间狭小等特殊场合难以使用传统电机 ,而稀土永磁 电机可 以耐高温 (指钐钴或高耐热性钕铁硼磁体),且体积小,正好能满足这些特 殊要求。宇航 设备 中的机械手 、原 子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机,需要使用高温电动机和高真空电动机。已开发的有 150 W 、3 000 r/m in,工作在 200oC ~300oC 高温和 133.3 X 10 Pa 真空度环境下的三 相四极永磁电动机 ,直 径 105mm 、长145mm ,采用高温特性好的Sm 2Co 永磁体。
  
  4、结 语
  
  21世纪,科学技术飞速发展,高新技术不断涌现,节电、环保意识 日益增强,使得永磁同步电机发展的前途一片光明,尤其是高性能稀土永磁同步电机及其伺服系统,随其技术的快速发展和日渐成熟,结构型式将日趋多样化,也将会赢得更为广泛的发展空间,获得更加广泛的应用。