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永磁電機
永磁電機采用永磁體生成電機的磁場,無需勵磁線圈也無需勵磁電流,效率高結構簡單,是很好的節(jié)能電機,隨著高性能永磁材料的問世和控制技術的迅速發(fā)展.永磁電機的應用將會變得更為廣泛。
永磁電機特點
與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比,永磁電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高、電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。因而應用范圍極為廣泛,幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領域。
1、永磁直流電動機
永磁直流電動機與普通直流電動機結構上的不同在于,前者取消了勵磁繞組和磁極鐵心,代之以永磁磁極。永磁直流電動機的特性與他勵直流電動機類似,兩者之間的區(qū)別在于主磁場產(chǎn)生的方式不同。前者磁場不可控,后者磁場可控。永磁直流電動機除了具有他勵直流電動機的良好特性外,還具有結構簡單、運行可靠、效率高、體積小、質量輕等特點。
2、異步起動永磁同步電動機
異步起動永磁同步電動機是具有自起動能力的永磁同步電動機,兼有感應電動機和電勵磁同步電動機的特點。它依靠定子旋轉磁場與籠型轉子相互作用產(chǎn)生的異步轉矩實現(xiàn)起動。正常運行時,轉子運行在同步速,籠型轉子不再起作用,其工作原理與電勵磁同步電動機基本相同。異步起動永磁同步電動機與感應電動機相比,有以下特點:
(1)轉速恒定,為同步速。
(2)功率因數(shù)高, 甚至為超前功率因數(shù),從而減少定子電流和定子電阻損耗,而且穩(wěn)定運行時沒有轉子銅耗,進而可減小風扇(小容量電機甚至可以去掉風扇)和相應的風摩損耗,效率比同規(guī)格感應電動機可提高 2% ~ 8%
(3)具有寬的經(jīng)濟運行范圍。不僅額定負載時有較高的功率因數(shù)和效率, 而且在25% ~ 120% 額定負載范圍內都有較高的功率因數(shù)和效率,使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電動機一般都在轉子上設置起動繞組,具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。
(4)永磁電機體積和質量較感應電機大大縮小。如 11kW 的異步電動機質量為220kg,而永磁電動機僅為 92kg,相當于異步電動機質量的 45. 8% 。
(5)對電網(wǎng)影響小。感應電動機的功率因數(shù)低,電動機要從電網(wǎng)中吸收大量的無功電流,造成電網(wǎng)的品質因數(shù)下降,加重電網(wǎng)變配電設備的負擔和電能損耗。而永磁電動機轉子中無感應電流勵磁,電動機功率因數(shù)高,提高了電網(wǎng)的品質因數(shù),使電網(wǎng)中不再需要安裝無功補償裝置。
(6)由于通常采用釹鐵硼永磁材料,因此價格高;當電機設計或使用不當時,可能出現(xiàn)不可逆退磁。
(7) 加工工藝復雜,機械強度差。
(8) 電機性能受環(huán)境溫度、供電電壓等因素影響較大。
3、永磁無刷直流電動機
永磁無刷直流電動機用電子換向裝置代替直流電動機的換向器,保留了直流電動機的優(yōu)良特性。它既具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點,又具有直流電動機起動轉矩大、調速性能好的優(yōu)點。由于取消了電刷換向器,因此可靠性高;損耗主要由定子產(chǎn)生,散熱條件好;體積小、質量輕。
4、調速永磁同步電動機
調速永磁同步電動機和永磁無刷直流電動機結構上基本相同,定子上為多相繞組,轉子上有永磁體,兩者優(yōu)點相似。它們的主要區(qū)別在于永磁無刷直流電動機根據(jù)轉子位置信息實現(xiàn)同步,而調速永磁同步電動機需一套電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)同步和調速。
5、永磁同步發(fā)電機
永磁同步發(fā)電機是一種結構特殊的同步發(fā)電機,與普通同步發(fā)電機不同的是,它采用永磁體建立磁場,取消了勵磁繞組、勵磁電源、集電環(huán)和電刷等,結構簡單,運行可靠,效率高,免維護。采用稀土永磁時,氣隙磁密高,功率密度高,體積小,質量輕。但由于采用了永磁體建立磁場,因此難以通過調節(jié)勵磁的方法調節(jié)輸出電壓和無功功率。另外,永磁同步發(fā)電機通常采用釹鐵硼或鐵氧體永磁,永磁體的溫度系數(shù)較高,輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化, 導致輸出電壓偏離額定電壓,且難以調節(jié)。
永磁電機缺點
永磁電機(PMM)通過定子電流與轉子上或轉子內的永磁體的相互作用產(chǎn)生轉矩。小型低功耗電機用于IT設備,商用機器和汽車輔助設備中的表面轉子磁體是常見的。內部磁體(IPM)在電動車輛和工業(yè)電機等大型機器中很常見。
在永磁電機中,如果不考慮轉矩脈動,定子可能采用集中(短節(jié)距)繞組,但在較大的永磁電機中,分布繞組是常見的。由于永磁電機無機械換向器,因此逆變器是控制繞組電流的關鍵。永磁電機不同于其他類型的無刷電機,它不需要電流來支撐其磁場。所以,在尺寸較小或者質量較輕的情況下,永磁電機能夠提供最大扭矩并有可能成為最佳選擇。無磁化電流還意味著“最佳點”加載時,效率更高--也就是電機表現(xiàn)最好的位置。
此外,盡管永磁體在低速時帶來了性能優(yōu)勢,但它們也是技術上的“致命弱點”。例如,隨著永磁電機速度的增加,反電動勢接近逆變器電源電壓,從而無法控制繞組電流。這定義了通用永磁電機的基本速度,并且在表面磁體設計中通常代表給定電源電壓的最大可能速度。
在大于基本速度的速度下,IPM使用主動磁場弱化,其中操縱定子電流故意壓低磁通量??梢钥煽繉嵤┑乃俣确秶拗圃?:1左右。和以前一樣,這個限制可以通過減少繞組匝數(shù)和接受更大的成本和逆變器中的功率損耗來實現(xiàn)。
磁場弱化的需要是速度相關的,并且不管扭矩如何都會產(chǎn)生相關的損失。這會降低高速下的效率,特別是在輕負載下。
其他缺點包括由于其固有的反電動勢在故障條件下難以管理的事實。即使變頻器斷開,只要電機旋轉,電流就會持續(xù)流過繞組故障,從而導致齒槽轉矩和過熱,并且都是危險的。例如,由于變頻器停機,在高速下的磁場減弱會導致不受控制的發(fā)電,并且逆變器的直流母線電壓可能上升到危險的水平。除那些安裝釤鈷磁體永磁電機之外,操作溫度也是又一重要約束。且因逆變器故障引起的高電動機電流可引起退磁。最大速度受限于機械磁鐵的保持力。若永磁電機破損,維修其一般需回到廠房內,由于難以對轉子進行安全提取加工。最后是報廢后回收問題同樣令人頭疼,不過目前稀土材料價值較高可能使得這類材料更經(jīng)濟可行。
盡管存在這些缺點,永磁電機仍然在低速和效率方面保持無與倫比的地位,而且在尺寸和重量至關重要的情況下,它們都非常有用。
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