【壓縮機(jī)網(wǎng)】摘要與傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比,永磁同步電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的性能。主要介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),并分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢。
引 言
永磁同步 電機(jī) 的運(yùn)行 原理與 電勵(lì)磁 同步電機(jī)相同 ,但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁,使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單。近年來,永磁材料性能 的改善 以及 電力 電子技 術(shù) 的進(jìn)步 ,推動(dòng)了新原理 、新 結(jié)構(gòu)永磁同步 電機(jī) 的開發(fā) ,有力地促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn) 品技術(shù) 、品種及功 能的發(fā)展 ,某些永磁同步電機(jī)已形成系列化產(chǎn)品,其容量從小到大,目前 已達(dá)到兆瓦級,應(yīng)用范圍越來越廣;其地位越來越重要,從軍工到民用,從特殊到一般迅速擴(kuò)大,不僅在微特電機(jī)中占優(yōu)勢,而且在電力推進(jìn)系統(tǒng)中也顯示出了強(qiáng)大的生命力 。
1、 特 點(diǎn)
永磁同步電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁,具有電勵(lì)磁電機(jī)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
1)效率高:在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁材料后,在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子繞組無感生電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗,提高了電機(jī)效率。
2)功率因數(shù)高:永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵(lì)磁,定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載,電機(jī)的功率因數(shù)近于 1,減小了定子電流,提高了電機(jī)的效率。同時(shí)功率因數(shù)的提高,提高了電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù),減小了輸變電線路的損耗,輸變電容量也可降低,節(jié)省 了電網(wǎng)投資。
3)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大:在需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備(如油田抽油電機(jī) )中,可以用較小容量 的永磁 電機(jī)替代較大容量的Y 系列電機(jī)。如果 37 kw 永磁同步電機(jī)代替45kW ~55 kW 的 Y 系列電機(jī),較好地解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象,節(jié)省了設(shè)備投入費(fèi)用,提高了系統(tǒng) 的運(yùn)行效能。
4)力能指 標(biāo)好 :Y 系列 電機(jī)在 60%的負(fù)荷下工作時(shí),效率下降 15%,功率因數(shù)下降 30%,力能指標(biāo)下降40%;而永磁同步電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微,當(dāng)電機(jī)只有 20%負(fù)荷時(shí),其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的 80%以上。
5)溫升低:轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無功電流,因而電機(jī)溫升低。
6 )體積小,重量輕 ,耗材少:同容量 的永磁同步電機(jī)體積、重量、所用材料可以減小 30%左右。
7)可大氣隙化,便于構(gòu)成新型磁路。
8 )電樞反應(yīng)小 ,抗過載能力強(qiáng)。
2 、發(fā)展現(xiàn)狀
永磁同步 電機(jī) 的發(fā)展 和永 磁材料 的發(fā)展息息相關(guān) 。新型永磁材料 的出現(xiàn)大 大促進(jìn) 了永磁 同步電機(jī)的發(fā)展。二十世紀(jì)八 十年代釹鐵硼稀土永磁材料問世,由于釹資源豐富,以廉價(jià)的鐵取代昂貴的鈷 ,價(jià)格相對低廉 。釹鐵硼稀 土永磁材料磁性能好 ,極大地推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的開發(fā)。
2.1 發(fā)展成果
我國十分 重視釹鐵硼永磁電機(jī)的研 究開發(fā) ,并列入了國家“863”攻關(guān)計(jì)劃 。經(jīng)過多年的研究開發(fā) ,取得了豐碩成果 ,開發(fā)了 5 種類型 22 個(gè)典 型規(guī)格的高性能永磁同步電機(jī)樣機(jī) 。
1)3 種典型規(guī)格的高效、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁 同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī),成功地解決了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、節(jié)能效果好、高溫不退磁和成本合理這4 項(xiàng)互相制約的矛盾。表 1 給出了我國開發(fā) 的用于油 田抽油機(jī)的 37 kW 稀土永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能比較 。表 2給出了我國新近開發(fā) 的用于風(fēng)機(jī)、泵類作業(yè) 中功率為 1120 kW 的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的性能對 比 。
2) 化纖機(jī)械用高效高牽入同步釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)(6 個(gè)規(guī)格)。與現(xiàn)有電機(jī)相比,所: 開發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)、效率和z*大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有不同程度的提高,失步轉(zhuǎn)矩是原有的3.59倍,牽^轉(zhuǎn)矩提高了3倍。
3)機(jī)床主軸用7.5 kW 高恒功率調(diào)速比釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。開發(fā)的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 的調(diào)速范 圍為 0.4 r/r a in ~9 000 r/min(國內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍僅為 8 r/min ~8 000 r/r e_in),恒功率調(diào)速比達(dá)到 1:6。
4 )電動(dòng)汽 車用永 磁 同步 電動(dòng)機(jī) 和驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)。開發(fā)的 7.5 kW 輕微型電動(dòng)客車用永磁同步 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) ,電機(jī)重量為 45 kg ,磁體用量為 0.92 kg,額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r/m in ,z*高轉(zhuǎn)速 5 500 r/m in。樣機(jī)系統(tǒng)整體額定效率達(dá) 89.1% ,1 h 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為 0.74 N ·m /kg(風(fēng)冷 ),15 m in 持續(xù)轉(zhuǎn)矩 密度為1.123 N ·m /kg( 日本 A ISIM AW 樣機(jī) 1 h 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.78 N ·m/kg)(油冷),15 min 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為 1.178 N ·m/kg。
5)高起動(dòng)能力釹鐵硼永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)(4 個(gè)規(guī)格樣機(jī))。所開發(fā)的電機(jī)把原來永磁磁極的一部分換為廉價(jià)的軟鐵輔助磁極 ,節(jié)省釹鐵硼永磁材料約 30%。
2.2 存在問題
在開發(fā)高性能永磁 同步 電機(jī)過程 中,取得 上述成果的同時(shí) ,也 得到 了一些 問題 ,有待 于更深入地研究和探索。
1)不可逆退磁問題。如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng),永磁同步電機(jī)在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度 時(shí),在 沖擊 電流產(chǎn)生 的 電樞 反應(yīng)作 用下 ,或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可 能產(chǎn) 生不可逆退磁,或叫失磁,使電機(jī)性能下降,甚至無法使用。
因此,既要研究開發(fā)適用于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置,又要分析各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力,以便設(shè)計(jì)和制造時(shí),采用相應(yīng)措施保證永磁同步電機(jī)不失磁。
2)成本 問題 。鐵 氧體永 磁同步 電機(jī) 由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕,總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低 ,因而得到了廣泛應(yīng)用。 由于稀 土永磁 目前 的價(jià)格還比較貴 ,稀土永磁 電機(jī)的成本一般 比電勵(lì)磁 電機(jī)高 ,這需要用它 的高性 能和運(yùn)行費(fèi)用 的節(jié)省來補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)時(shí)既需要根據(jù)具體使用場合和要求進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后取舍,又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化,以降低成本。
3 )控制 問題 。永磁 同步電機(jī)不需外界能量 即可維持其磁場,但這也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。但是隨著 M OSFET、IGBT 等電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展,大多數(shù)永磁同步電機(jī)在應(yīng)用 中,可 以不進(jìn)行磁 場控制而只進(jìn)行 電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)需把永磁 材料、電力 電子器件 和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來,使永磁同步電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。此外,以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行元件 的永磁交 流伺 服系統(tǒng) ,由于永磁同步電機(jī)本身是具有一定 非線性、強(qiáng)耦合性 和時(shí)變性 的系統(tǒng),同時(shí)其伺服對象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性 ,加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易受到不 同程度 的干擾 ,因此采用先進(jìn)控制 策略、先進(jìn) 的控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式(如基于 DSP 控制),從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化水平,這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要突破口。
3 、發(fā)展趨勢
永磁同步電機(jī)以其效率高、比功率大、結(jié)構(gòu)簡單 、節(jié)能效果顯著 等一 系列優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生 產(chǎn)和日常生活中逐步得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn),稀土永磁 同步 電機(jī)的研究 開發(fā)在國內(nèi)外 又進(jìn)人 了一個(gè)新 的時(shí)期 ,在理論研 究和應(yīng) 用 領(lǐng)域都 將產(chǎn) 生 質(zhì) 的飛躍 ,目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方 向發(fā)展。
3.1 超高速電機(jī)
永磁同步電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組 ,結(jié)構(gòu)比較簡單 ,磁場部分沒有發(fā)熱源,不需要冷卻裝置,材料的矯頑力高,氣隙長度可以取較大值從而使大幅度提高轉(zhuǎn)速成為可能。目前已制成 (2 ~3 ) X 10 r/r ain的電機(jī),如美國通用電氣公 司研制 的150 kW 、23 000 r/min 的徑向氣隙型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)航空用稀土永磁發(fā)電機(jī),外轉(zhuǎn)子型用于 電動(dòng)車的7.2 kW 、27 000 r/r ain 的 電機(jī)。目前正在研制每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的電機(jī)。
3.2 高轉(zhuǎn)矩大功率電機(jī)
耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開發(fā)成功將使其在大功率永磁 同步電機(jī)中獲得重要應(yīng)用。運(yùn)輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動(dòng)汽車、混合型(內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)并用 )動(dòng)力汽車、列車、電梯、機(jī)床、機(jī)器人等,對大功率電動(dòng)機(jī)的需求正在增長。
船舶推動(dòng)電機(jī)要求低速大轉(zhuǎn)矩。德國西門子公司于 1986 年研制 1 095 kW 、230 r/r a in 的六相永磁同步電動(dòng)機(jī),用于艦船的推進(jìn),與過去使用的直流電動(dòng)機(jī)相比,體積可減小 60%左右,損耗可降低 20%左右 。另外 1 760 kW 永磁同步推進(jìn)電機(jī)裝于 U.212 潛艇試用,其長度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進(jìn)電機(jī)相比減少 40%。瑞士 A BB 公司已經(jīng)建造了超過 300艘的電力推進(jìn)船舶z*大安裝容量達(dá)到了2 X 19 MW ,其研制的400 kW 到3 MW 永磁同步電機(jī)用于:“Com-paet A~ipod”吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)。法國熱蒙工業(yè)公司1987 年研制的400 kW 、500 r/r a in 永磁電機(jī)樣機(jī)與直流電機(jī)相比,體積也減少了40%。1996 年,12相、1 800 kW 、180 r/r a in 永磁推進(jìn)電機(jī)及控制裝置已完成研制及所有的實(shí)船試驗(yàn)。同年,英國展出了“海航”號輕型隱身護(hù)衛(wèi)艦設(shè)計(jì)模型。該艦裝有兩臺21MW 永磁同步電機(jī)在巡航或隱身時(shí)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。
3.3 微型化
由于釹鐵硼永磁 的z*大磁能積很高 ,特別是能制成超薄型的永磁體,從而使過去難以制作的超微型和低 慣量 電動(dòng)機(jī)得 以實(shí)現(xiàn) 。目前 已開發(fā) 出直徑幾毫米以下的超小型電動(dòng)機(jī)用作醫(yī)療微型機(jī)器、眼球手術(shù)用機(jī)器人手臂或管道檢 查用機(jī)器人等場 合 的驅(qū) 動(dòng) 源?,F(xiàn) 已制 成 外 徑 0.8 m m 、長1.2 m ln 的世界上z*小的永磁電動(dòng)機(jī)。
3.4 高功能化
在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場合難以使用傳統(tǒng)電機(jī) ,而稀土永磁 電機(jī)可 以耐高溫 (指釤鈷或高耐熱性釹鐵硼磁體),且體積小,正好能滿足這些特 殊要求。宇航 設(shè)備 中的機(jī)械手 、原 子能設(shè)備的檢查機(jī)器人和半導(dǎo)體制造裝置等特殊環(huán)境下工作的電動(dòng)機(jī),需要使用高溫電動(dòng)機(jī)和高真空電動(dòng)機(jī)。已開發(fā)的有 150 W 、3 000 r/m in,工作在 200oC ~300oC 高溫和 133.3 X 10 Pa 真空度環(huán)境下的三 相四極永磁電動(dòng)機(jī) ,直 徑 105mm 、長145mm ,采用高溫特性好的Sm 2Co 永磁體。
4 、結(jié) 語
21世紀(jì),科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,高新技術(shù)不斷涌現(xiàn),節(jié)電、環(huán)保意識 日益增強(qiáng),使得永磁同步電機(jī)發(fā)展的前途一片光明,尤其是高性能稀土永磁同步電機(jī)及其伺服系統(tǒng),隨其技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟,結(jié) 構(gòu) 型式將日趨多樣化,也將會贏得更為廣泛的發(fā)展空間,獲得更加廣泛的應(yīng)用。
引 言
永磁同步 電機(jī) 的運(yùn)行 原理與 電勵(lì)磁 同步電機(jī)相同 ,但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁,使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單。近年來,永磁材料性能 的改善 以及 電力 電子技 術(shù) 的進(jìn)步 ,推動(dòng)了新原理 、新 結(jié)構(gòu)永磁同步 電機(jī) 的開發(fā) ,有力地促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn) 品技術(shù) 、品種及功 能的發(fā)展 ,某些永磁同步電機(jī)已形成系列化產(chǎn)品,其容量從小到大,目前 已達(dá)到兆瓦級,應(yīng)用范圍越來越廣;其地位越來越重要,從軍工到民用,從特殊到一般迅速擴(kuò)大,不僅在微特電機(jī)中占優(yōu)勢,而且在電力推進(jìn)系統(tǒng)中也顯示出了強(qiáng)大的生命力 。
1、 特 點(diǎn)
永磁同步電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁,具有電勵(lì)磁電機(jī)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
1)效率高:在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁材料后,在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子繞組無感生電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗,提高了電機(jī)效率。
2)功率因數(shù)高:永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵(lì)磁,定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載,電機(jī)的功率因數(shù)近于 1,減小了定子電流,提高了電機(jī)的效率。同時(shí)功率因數(shù)的提高,提高了電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù),減小了輸變電線路的損耗,輸變電容量也可降低,節(jié)省 了電網(wǎng)投資。
3)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大:在需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備(如油田抽油電機(jī) )中,可以用較小容量 的永磁 電機(jī)替代較大容量的Y 系列電機(jī)。如果 37 kw 永磁同步電機(jī)代替45kW ~55 kW 的 Y 系列電機(jī),較好地解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象,節(jié)省了設(shè)備投入費(fèi)用,提高了系統(tǒng) 的運(yùn)行效能。
4)力能指 標(biāo)好 :Y 系列 電機(jī)在 60%的負(fù)荷下工作時(shí),效率下降 15%,功率因數(shù)下降 30%,力能指標(biāo)下降40%;而永磁同步電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微,當(dāng)電機(jī)只有 20%負(fù)荷時(shí),其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的 80%以上。
5)溫升低:轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無功電流,因而電機(jī)溫升低。
6 )體積小,重量輕 ,耗材少:同容量 的永磁同步電機(jī)體積、重量、所用材料可以減小 30%左右。
7)可大氣隙化,便于構(gòu)成新型磁路。
8 )電樞反應(yīng)小 ,抗過載能力強(qiáng)。
2 、發(fā)展現(xiàn)狀
永磁同步 電機(jī) 的發(fā)展 和永 磁材料 的發(fā)展息息相關(guān) 。新型永磁材料 的出現(xiàn)大 大促進(jìn) 了永磁 同步電機(jī)的發(fā)展。二十世紀(jì)八 十年代釹鐵硼稀土永磁材料問世,由于釹資源豐富,以廉價(jià)的鐵取代昂貴的鈷 ,價(jià)格相對低廉 。釹鐵硼稀 土永磁材料磁性能好 ,極大地推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的開發(fā)。
2.1 發(fā)展成果
我國十分 重視釹鐵硼永磁電機(jī)的研 究開發(fā) ,并列入了國家“863”攻關(guān)計(jì)劃 。經(jīng)過多年的研究開發(fā) ,取得了豐碩成果 ,開發(fā)了 5 種類型 22 個(gè)典 型規(guī)格的高性能永磁同步電機(jī)樣機(jī) 。
1)3 種典型規(guī)格的高效、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁 同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī),成功地解決了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、節(jié)能效果好、高溫不退磁和成本合理這4 項(xiàng)互相制約的矛盾。表 1 給出了我國開發(fā) 的用于油 田抽油機(jī)的 37 kW 稀土永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能比較 。表 2給出了我國新近開發(fā) 的用于風(fēng)機(jī)、泵類作業(yè) 中功率為 1120 kW 的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的性能對 比 。
2) 化纖機(jī)械用高效高牽入同步釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)(6 個(gè)規(guī)格)。與現(xiàn)有電機(jī)相比,所: 開發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)、效率和z*大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有不同程度的提高,失步轉(zhuǎn)矩是原有的3.59倍,牽^轉(zhuǎn)矩提高了3倍。
3)機(jī)床主軸用7.5 kW 高恒功率調(diào)速比釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。開發(fā)的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 的調(diào)速范 圍為 0.4 r/r a in ~9 000 r/min(國內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍僅為 8 r/min ~8 000 r/r e_in),恒功率調(diào)速比達(dá)到 1:6。
4 )電動(dòng)汽 車用永 磁 同步 電動(dòng)機(jī) 和驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)。開發(fā)的 7.5 kW 輕微型電動(dòng)客車用永磁同步 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) ,電機(jī)重量為 45 kg ,磁體用量為 0.92 kg,額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r/m in ,z*高轉(zhuǎn)速 5 500 r/m in。樣機(jī)系統(tǒng)整體額定效率達(dá) 89.1% ,1 h 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為 0.74 N ·m /kg(風(fēng)冷 ),15 m in 持續(xù)轉(zhuǎn)矩 密度為1.123 N ·m /kg( 日本 A ISIM AW 樣機(jī) 1 h 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.78 N ·m/kg)(油冷),15 min 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為 1.178 N ·m/kg。
5)高起動(dòng)能力釹鐵硼永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)(4 個(gè)規(guī)格樣機(jī))。所開發(fā)的電機(jī)把原來永磁磁極的一部分換為廉價(jià)的軟鐵輔助磁極 ,節(jié)省釹鐵硼永磁材料約 30%。
2.2 存在問題
在開發(fā)高性能永磁 同步 電機(jī)過程 中,取得 上述成果的同時(shí) ,也 得到 了一些 問題 ,有待 于更深入地研究和探索。
1)不可逆退磁問題。如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng),永磁同步電機(jī)在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度 時(shí),在 沖擊 電流產(chǎn)生 的 電樞 反應(yīng)作 用下 ,或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可 能產(chǎn) 生不可逆退磁,或叫失磁,使電機(jī)性能下降,甚至無法使用。
因此,既要研究開發(fā)適用于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置,又要分析各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力,以便設(shè)計(jì)和制造時(shí),采用相應(yīng)措施保證永磁同步電機(jī)不失磁。
2)成本 問題 。鐵 氧體永 磁同步 電機(jī) 由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕,總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低 ,因而得到了廣泛應(yīng)用。 由于稀 土永磁 目前 的價(jià)格還比較貴 ,稀土永磁 電機(jī)的成本一般 比電勵(lì)磁 電機(jī)高 ,這需要用它 的高性 能和運(yùn)行費(fèi)用 的節(jié)省來補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)時(shí)既需要根據(jù)具體使用場合和要求進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后取舍,又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化,以降低成本。
3 )控制 問題 。永磁 同步電機(jī)不需外界能量 即可維持其磁場,但這也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。但是隨著 M OSFET、IGBT 等電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展,大多數(shù)永磁同步電機(jī)在應(yīng)用 中,可 以不進(jìn)行磁 場控制而只進(jìn)行 電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)需把永磁 材料、電力 電子器件 和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來,使永磁同步電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。此外,以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行元件 的永磁交 流伺 服系統(tǒng) ,由于永磁同步電機(jī)本身是具有一定 非線性、強(qiáng)耦合性 和時(shí)變性 的系統(tǒng),同時(shí)其伺服對象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性 ,加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易受到不 同程度 的干擾 ,因此采用先進(jìn)控制 策略、先進(jìn) 的控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式(如基于 DSP 控制),從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化水平,這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要突破口。
3 、發(fā)展趨勢
永磁同步電機(jī)以其效率高、比功率大、結(jié)構(gòu)簡單 、節(jié)能效果顯著 等一 系列優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生 產(chǎn)和日常生活中逐步得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn),稀土永磁 同步 電機(jī)的研究 開發(fā)在國內(nèi)外 又進(jìn)人 了一個(gè)新 的時(shí)期 ,在理論研 究和應(yīng) 用 領(lǐng)域都 將產(chǎn) 生 質(zhì) 的飛躍 ,目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方 向發(fā)展。
3.1 超高速電機(jī)
永磁同步電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組 ,結(jié)構(gòu)比較簡單 ,磁場部分沒有發(fā)熱源,不需要冷卻裝置,材料的矯頑力高,氣隙長度可以取較大值從而使大幅度提高轉(zhuǎn)速成為可能。目前已制成 (2 ~3 ) X 10 r/r ain的電機(jī),如美國通用電氣公 司研制 的150 kW 、23 000 r/min 的徑向氣隙型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)航空用稀土永磁發(fā)電機(jī),外轉(zhuǎn)子型用于 電動(dòng)車的7.2 kW 、27 000 r/r ain 的 電機(jī)。目前正在研制每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的電機(jī)。
3.2 高轉(zhuǎn)矩大功率電機(jī)
耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開發(fā)成功將使其在大功率永磁 同步電機(jī)中獲得重要應(yīng)用。運(yùn)輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動(dòng)汽車、混合型(內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)并用 )動(dòng)力汽車、列車、電梯、機(jī)床、機(jī)器人等,對大功率電動(dòng)機(jī)的需求正在增長。
船舶推動(dòng)電機(jī)要求低速大轉(zhuǎn)矩。德國西門子公司于 1986 年研制 1 095 kW 、230 r/r a in 的六相永磁同步電動(dòng)機(jī),用于艦船的推進(jìn),與過去使用的直流電動(dòng)機(jī)相比,體積可減小 60%左右,損耗可降低 20%左右 。另外 1 760 kW 永磁同步推進(jìn)電機(jī)裝于 U.212 潛艇試用,其長度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進(jìn)電機(jī)相比減少 40%。瑞士 A BB 公司已經(jīng)建造了超過 300艘的電力推進(jìn)船舶z*大安裝容量達(dá)到了2 X 19 MW ,其研制的400 kW 到3 MW 永磁同步電機(jī)用于:“Com-paet A~ipod”吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)。法國熱蒙工業(yè)公司1987 年研制的400 kW 、500 r/r a in 永磁電機(jī)樣機(jī)與直流電機(jī)相比,體積也減少了40%。1996 年,12相、1 800 kW 、180 r/r a in 永磁推進(jìn)電機(jī)及控制裝置已完成研制及所有的實(shí)船試驗(yàn)。同年,英國展出了“海航”號輕型隱身護(hù)衛(wèi)艦設(shè)計(jì)模型。該艦裝有兩臺21MW 永磁同步電機(jī)在巡航或隱身時(shí)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。
3.3 微型化
由于釹鐵硼永磁 的z*大磁能積很高 ,特別是能制成超薄型的永磁體,從而使過去難以制作的超微型和低 慣量 電動(dòng)機(jī)得 以實(shí)現(xiàn) 。目前 已開發(fā) 出直徑幾毫米以下的超小型電動(dòng)機(jī)用作醫(yī)療微型機(jī)器、眼球手術(shù)用機(jī)器人手臂或管道檢 查用機(jī)器人等場 合 的驅(qū) 動(dòng) 源?,F(xiàn) 已制 成 外 徑 0.8 m m 、長1.2 m ln 的世界上z*小的永磁電動(dòng)機(jī)。
3.4 高功能化
在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場合難以使用傳統(tǒng)電機(jī) ,而稀土永磁 電機(jī)可 以耐高溫 (指釤鈷或高耐熱性釹鐵硼磁體),且體積小,正好能滿足這些特 殊要求。宇航 設(shè)備 中的機(jī)械手 、原 子能設(shè)備的檢查機(jī)器人和半導(dǎo)體制造裝置等特殊環(huán)境下工作的電動(dòng)機(jī),需要使用高溫電動(dòng)機(jī)和高真空電動(dòng)機(jī)。已開發(fā)的有 150 W 、3 000 r/m in,工作在 200oC ~300oC 高溫和 133.3 X 10 Pa 真空度環(huán)境下的三 相四極永磁電動(dòng)機(jī) ,直 徑 105mm 、長145mm ,采用高溫特性好的Sm 2Co 永磁體。
4 、結(jié) 語
21世紀(jì),科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,高新技術(shù)不斷涌現(xiàn),節(jié)電、環(huán)保意識 日益增強(qiáng),使得永磁同步電機(jī)發(fā)展的前途一片光明,尤其是高性能稀土永磁同步電機(jī)及其伺服系統(tǒng),隨其技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟,結(jié) 構(gòu) 型式將日趨多樣化,也將會贏得更為廣泛的發(fā)展空間,獲得更加廣泛的應(yīng)用。
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