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永磁同步电机结构与种类这些你了解吗

时间:2019-08-24 19:17:20 来源:庆川机械网 浏览量:2

2018-06-21 21:35:41来源:贤集网 屈苗

永磁同步电机是指其励磁系统包含有一块或多块永久磁铁的同步电动机。永磁同步电机的运行方式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。下面贤集网小编来为大家介绍永磁同步电机结构、种类、控制策略、优点。

永磁同步电机结构

永磁同步电机伺服系统除电机外,系统主要包括驱动单元、位置控制系统、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。

1、永磁式交流同步伺服电机。永磁同步电机永磁式同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。和直流电机相比,它没有直流电机的换向器和电刷等需要更多维护给应用带来不便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单,定子电流和定子电阻损耗减小,且转子参数可测、控制性能好,但存在最大转矩受永磁体去磁约束,抗震能力差,高转速受限制,功率较小,成本高和起动困难等缺点。与普通同步电动机相比,它省去了励磁装置,简化了结构,提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制,因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

2、驱动单元。驱动单元采用三相全桥自控整流,三相正弦PWM电压型逆变器变频的AC-DC-AC结构。设有软启动电路和能耗泄放电路可避免上电时出现过大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵升电压。逆变部分采用集驱动电路,保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)。

3、控制单元。控制单元是整个交流伺服系统的核心, 实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。具有快速的数据处理能力的数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统,集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路,如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

4、位置控制系统。对于不同的信号,位置控制系统所表现出的特性是不同的。典型的输入信号有三种形式:位置输入(位置阶跃输入)、速度输入(斜坡输入)以及加速度输入(抛物线输入)。位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形,能输出转子的绝对位置,但其解码电路复杂,价格昂贵。磁编码器是实现数字反馈控制性价比较高的器件,还可以依靠磁极变化检测位置,目前正处于研究阶段,其分辨率较低。

5、接口通讯单元。接口包括键盘/显示、控制I/O接口、串行通信等。伺服单元内部及对外的I/O接口电路中,有许多数字信号需要隔离。这些数字信号代表的信息不同,更新速度也不同。

永磁同步电机的种类

就转子结构看,永磁同步电机分凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式,如图1 所示,前两种又统称为外装式结构。凸装式直轴磁阻与交轴磁阻相等,因此交、直轴电感相等,即Ld=Lq,表现为隐极性质;另外两种结构,直轴磁阻大于交轴磁阻,因此Ld;

1、凸装式结构简单便宜,应用较多。这种结构中电机转子直径变得较小,从而导致电机的小惯量,故适用于伺服系统。然而在PMSM中小电感不总是有利,因为小电感将导致弱磁控制。在弱磁控制期间虽然电压已经达到逆变器所能提供的最大值,但速度依然需要不断上升。弱磁控制是通过增加反相直轴定子电流分量实现的,若电感很小,就只能通过很大的去磁电流和低负载实现弱磁。

2、嵌入式结构可增大漏磁链,因增大的交轴电感使电枢的反应增大,致使极角增大和转矩降低。

3、内埋式电机虽然结构复杂、昂贵,但它具有高气隙磁通密度,因此它产生的转矩比凸装式电机产生的转矩大,且气隙磁通易于正弦分布,从而降低齿槽转矩效应。

永磁同步电动机控制策略

永磁同步电机的调速主要通过改变供电电源的频率来实现。目前常用的变频调速方式有转速闭环恒压频比控制(v/f)、转差频率控制、基于磁场定向的矢量控制(Vector Control)以及直接转矩控制(Direct Torque Control)。

1、转速闭环恒压频比控制

转速闭环恒压频比控制是一种最常用的变频调速控制方法。该方法是通过控制V/f恒定,使磁通保持不变,并以控制转差频率来控制电机的转矩和转速。这种控制方法低速带载能力不强,须对定子压降实行补偿,因该控制方法只控制了电机的气隙磁通,不能调节转矩,故性能不高。但该方法由于实现简单、稳定可靠,调速方便,所以在一些对动态性能要求不太高的场合,如对通风机、水泵等的控制,仍是首选的方法。

2、转差频率控制

转差频率控制的突出优点就在于频率控制环节的输入是转差信号,而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的,这样,在转速变化过程中,实际频率随着实际转速同步地上升或者下降。尽管转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩,但它依据的只是稳态模型,并不能真正控制动态过程中的转矩,从而得不到很理想的动态控制性能。

3、矢量控制

1971 年,西门子工程师Balschke 首次提出矢量控制理论,使交流电机控制理论获得了一次质的飞跃。其基本思想为:以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标,将定子电流分解为相互正交的两个分量,一个与磁链同方向,代表定子电流励磁分量,另一个与磁链方向正交,代表定子电流转矩分量,分别对它们进行控制,获得像直流电动机一样良好的动态特性。因其控制结构简单,控制软件实现较容易,已被广泛应用到调速系统中。但矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐标变换,并需准确观测转子磁链,而且对电机的参数依赖性很大,难以保证完全解耦,使控制效果大打折扣。

采用矢量控制理论进行控制时,具有和直流电动机类似的特性。矢量控制的优点在于调速范围宽,动态性能较好。不足之处是按转子磁链定向会受电动机参数变化的影响而失真,从而降低了系统的调速性能。解决方法是采用智能化调节器可以提高系统的调速性能和鲁棒性。

4、直接转矩控制

直接转矩控制技术是继矢量控制后发展起来的,最早应用在感应电机中,随后应用到永磁同步电动机控制系统中。永磁同步电动机不能像异步电机那样用零电压矢量降低转矩,而采用反向电压减小转矩,这样会产生较大的转矩波动。零电压矢量在异步电机和同步电机中的不同作用,构造了一种应用零电压矢量来减小转矩的新型电压矢量开关表,可以改善转矩脉动和系统性能。也构造了一种新型的含零电压矢量的控制开关表,改变了传统的控制系统。并通过仿真结果表明,正确地使用零电压矢量能够有效减少转矩脉动,改善系统性能。直接转矩控制的系统能以较大的转矩启动,并且含零电压矢量的系统的转矩平稳性较好,转矩波动比较小,并且在扰动后能在较短的时间内恢复稳定。

永磁同步电机的优点

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。

五、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%。

以上是贤集网小编为大家介绍的永磁同步电机结构、种类、控制策略、优点。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。市场信息统计,永磁同步电机应用越来越多,电压等级不断提高,转速也越来越高。根据电动汽车资源网统计,在2017年第一批推荐目录中,有150款车型搭载了永磁同步电机,占比81%;搭载交流异步电机的车型有33款车型,占比18%;未知车型2款,占1%。当然,数字和近年来高耐热性、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。

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