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1、第四部分,永磁同步電動機,,1. 概 述 永磁同步電動機的運行原理與電勵磁同步電動機相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁，使電動機結(jié)構(gòu)較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電動機運行的可靠性；又因無需勵磁電流，省去了勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度。因而它是近年來研究得較多并在各個領(lǐng)域中得到越來越廣泛應(yīng)用的一種電動機。,2. 永磁同步電動機分類,永磁同步電動機分類方法比較多：按工作主磁場方向的不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式； 按電樞繞組位置的不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式(常規(guī)式)和外轉(zhuǎn)子式； 按轉(zhuǎn)子上有無起動(阻尼)繞組，可分為無起動繞組的電動
2、機(用于變頻器供電的場合，利用頻率的逐步升高而起動，并隨著頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，常稱為調(diào)速永磁同步電動機)和有起動繞組的電動機(既可用于調(diào)速運行又可在某一頻率和電壓下利用起動繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動，常稱為異步起動永磁同步電動機)；按供電電流波形的不同，可分為矩形波永磁同步電動機和正弦波永磁同步電動機(簡稱永磁同步電動機)。,3. 永磁同步電動機的總體結(jié)構(gòu),(1) 高效永磁同步電動機結(jié)構(gòu)示意圖 l轉(zhuǎn)軸 2軸承 3端差 4定子繞組 5機座 6定子鐵心 7轉(zhuǎn)子鐵心 8永磁體 9起動籠 10風扇 11風罩,(2) 永磁直流無刷電動機結(jié)構(gòu)示意圖,l轉(zhuǎn)軸 2前端差 3螺釘 4調(diào)整墊片 5軸
3、承 6定子組件 7永磁轉(zhuǎn)子組件 8位置傳感器轉(zhuǎn)子 9后端差 10位置傳感器定子,(3) 調(diào)速永磁同步電動機結(jié)構(gòu)示意圖,l轉(zhuǎn)軸 2軸承 3端差 4定子繞組 5機座 6定子鐵心 7，8永磁體 9轉(zhuǎn)子鐵心 10風扇 11風罩 12位置、速度傳感器 13，14電纜 15專用變頻驅(qū)動器,4. 永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),4. 1 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 1） 凸出式 2）插入式 1永磁體 2轉(zhuǎn)子鐵心 3轉(zhuǎn)軸,,1表面凸出式 結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點，在矩形波永磁同步電動機和恒功率運行范圍不寬的正弦波永磁同步電動機中得到了廣泛應(yīng)用。此外，表面凸出
4、式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，使之成為能使電動機氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電動機乃至整個傳動系統(tǒng)的性能。 2表面插入式 可充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動機的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡單，常被某些調(diào)速永磁同步電動機所采用。但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大。,4.2 內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)軸 隔磁磁橋 永磁體,,內(nèi)置結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)子的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間(對外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)則為永磁體內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心外圓之間)有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或(和)起動作用，動、穩(wěn)
5、態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步起動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電動機。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動機的過裁能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴速。 1徑向式結(jié)構(gòu) 優(yōu)點是漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施、極弧系數(shù)易于控制、轉(zhuǎn)子沖片機械強度高、安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。永磁體軸向插入永磁體槽并通過隔磁磁橋限制漏磁通，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，轉(zhuǎn)子機械強度高，因而近年來應(yīng)用較為廣泛,4.3 內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),,,2切向式結(jié)構(gòu) 這類結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)較大，并且需采用相應(yīng)的隔磁措施，電動機的制造工藝和制造成本較徑向式結(jié)構(gòu)有所增加。其優(yōu)點在于一
6、個極距下的磁通由相臨兩個磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當電動機極數(shù)較多、徑向式結(jié)構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢便顯得更為突出。此外，采用切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機的磁阻轉(zhuǎn)矩在電動機總電磁轉(zhuǎn)矩中的比例可達40，這對充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動機功率密度和擴展電動機的恒功率運行范圍都是很有利的.,,,4.4 內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),1-轉(zhuǎn)軸 2-隔磁磁橋 3-永磁體 4-鼠籠條,4.4 內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)（續(xù)）,,,3. 混合式結(jié)構(gòu) 這類結(jié)構(gòu)集中了徑向式和切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝均較復雜，制造成本也比較高。圖a是由德國西門子公司發(fā)明的混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)
7、，需采用非磁性轉(zhuǎn)軸或采用隔磁銅套，主要應(yīng)用于采用剩磁密度較低的鐵氧體永磁的永磁同步電動機。需指出的是，這種結(jié)構(gòu)的徑向部分永磁體磁化方向長度約是切向部分永磁體磁化方向長度的一半。圖b、c是由徑向式結(jié)構(gòu)衍生來的兩種混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。其永磁體的徑向部分與切向部分的磁化方向長度相等，也采取隔磁磁橋隔磁。,5. 永磁同步電動機的定子結(jié)構(gòu),對于高速的永磁同步電動機，極對數(shù)少，繞組形式與普通交流電機的定子一樣。但為了比較方便的放置永磁體，一般多為多極電機。6 極的居多。 定子繞組一般為雙層短距繞組。 為了改善電動勢波形也有采用分數(shù)槽繞組。 為了消除永磁齒磁導轉(zhuǎn)矩，有時定子鐵心斜一個定子槽。,永磁同步電動機
8、空載氣隙磁密波形（計算出）,1氣隙磁密，2基波，33次諧波，45次諧波,實測永磁同步電動機空載氣隙磁密波形,永磁同步電動機的空載氣隙磁密波形基本上為一平頂波，與感應(yīng)電動機的氣隙磁密波形相差較大，而與直流電機的空載氣隙磁密波形相似。,6. 低速永磁同步電動機的定子結(jié)構(gòu),對于低速永磁同步 電動機，極對數(shù)多，則 定子槽數(shù)相對較少。每 極每相導體數(shù) q 少。繞 組設(shè)計比較講究。 普通雙層短距繞組 波形不好；永磁齒 磁導磁阻轉(zhuǎn)矩大； 繞組端部長,不經(jīng)濟,2. 集中繞組,一對極下放置三 相集中繞組，繞 組基波系數(shù)低， 電機性能差。 3. 普通分數(shù)槽繞組 的分數(shù)槽繞 組可以改善電動勢 和磁動勢波
9、形， 繞組的端部長。,4. 特殊分數(shù)槽繞組,這種 分數(shù)槽繞組可以有效 地改善電動勢和磁動 勢波形，由于繞組是 三相的每一相的相鄰 槽連續(xù)纏繞的集中繞 組，繞組的端部長； 且?guī)缀跻淹耆?永磁齒磁導轉(zhuǎn)矩。 圖中定子齒/極數(shù)為 24/22,7. 永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)性能,7.1 穩(wěn)態(tài)運行和相量圖 正弦波永磁同步電動機與電勵磁凸極同步電動機有著相似的內(nèi)部電磁關(guān)系，故可采用雙反應(yīng)理論來研究。需要指出的是，由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子直軸磁路中永磁體的磁導率很小(對稀土永磁來說其相對回復磁導率約為1)，使得電動機直軸電樞反應(yīng)電感一般小于交軸電樞反應(yīng)電感，分析時應(yīng)注意其異于電勵磁凸極同步電動機的這一特
10、點。,,電動機穩(wěn)定運行于同步轉(zhuǎn)速時，根據(jù)雙反應(yīng)理論可寫出永磁同步電動機的電壓方程。 永磁氣隙基波磁場所產(chǎn)生的每相空載反電動勢有效值； 直、交軸電樞反應(yīng)電抗； 直、交軸同步電抗； 直、交軸電樞電流； 與 間的夾角（內(nèi)功率因數(shù)角）,,由電壓方程可畫出永磁同步電動機于不同情況下穩(wěn)定運行時的幾種典型相量圖，圖中， 為氣隙合成基波磁場所產(chǎn)生的電動勢，稱為氣隙合成電動勢； 為氣隙合成基波磁場直軸分量所產(chǎn)生的電動勢，稱為直軸內(nèi)電動勢； 為 超前 的角度，即功率角，也稱轉(zhuǎn)矩角； 為電壓超前定子相電流 的角度，即功率因數(shù)角。,超前 和 相當于容性負載 補償電網(wǎng)無功 直軸電樞反應(yīng) 為去磁性質(zhì),,超前 與 同相位 直軸電樞反應(yīng) 為去磁性質(zhì),,超前 滯后 相當于感性負載 直軸電樞反應(yīng) 為去磁性質(zhì),與 同相位 僅有交軸電樞 反應(yīng)，無直軸 電樞反應(yīng),,,滯后 相當于感性負載 直軸電樞反應(yīng) 為助磁性質(zhì),7.2 永磁同步電機電磁轉(zhuǎn)矩和矩角特性 電動機的電角速度 電動機的極對數(shù) m 電動機的相數(shù),,8. 矩形波電流控制永磁同步電動機的傳動系統(tǒng),,9 永磁同步電動機 控制系統(tǒng)簡圖,,
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