永磁同步电动机的结构与特点

知识点一、永磁同步电动机的结构与特点

1.永磁同步电动机的结构

永磁同步电机由转子、定子和电动机端盖等部分构成。定子结构与普通感应电动机基本相同,采用叠片结构以减小电动机运行时的损耗。转子铁芯可以做成整体实心的,也可由叠片叠压而成,基本结构如图5-33所示。

电枢绕组既有采用分布短距绕组的,也有采用集中整距绕组和非常规绕组的。正弦永磁同步电动机常采用分布短距绕组,为减小杂散损耗,定子绕组常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度对无功电流的影响不如感应电动机敏感,但对电动机的交、直流电抗影响很大,进而影响到电动机的其他性能。此外,电动机气隙长度还对电动机的杂散损耗和电动机效率有着较大的影响。

图5-33　永磁同步电动机截面示意图

1)转子磁路结构

根据永磁体在转子位置内部布置的不同,永磁同步电动机一般可分为三种:面贴式(凸极同步电动机)、内插式(隐极同步电动机)和内埋式。三种永磁同步电动机的物理结构如图5-34所示。

三种永磁同步电动机中面贴式永磁同步电动机制造工艺简单,成本低,但对永磁体保护较差,多为矩形波永磁同步电动机;内埋式永磁同步电动机结构和工艺简单,起动性能好,但漏磁大,需要采取隔磁措施,电动机转子强度差,而且不具备异步能力;内插式永磁同步电动机永磁体位于转子内部,外表面与定子铁芯内侧之间有铁磁材料制成的极靴,极靴中放置有铜条笼或铸铝笼,产生阻尼与起动转矩,稳态、动态性能好,广泛用于动态性能要求高或需要异步起动的电驱动系统。内插式永磁同步电动机的永磁体得到极靴的有效保护,其转子磁路的不对称性产生的磁阻转矩也有助于提高电动机功率密度和过载能力,且易于“弱磁”扩速,使电动机在恒功率运行时具有较宽的调速范围。

图5-34　三种转子磁路结构的永磁同步电动机

a)面贴式;b)内插式;c)内埋式

2)磁极的数量

一般感应电动机的磁极数量增多以后,电动机在同样的转速下,工作频率随之增加,定子的铜耗和铁耗也相应增加,将导致功率系数急剧下降。而永磁电动机的磁极增至一定数量以后,不仅对电动机的性能没有明显的影响,还可以有效地减小电动机的尺寸和质量。

永磁电动机的气隙直径和有效长度,取决于电动机的额定转矩、气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数变化的影响。气隙磁通密度主要受磁性材料的磁性限制,因此需要采用磁能密度高的磁性材料。另外,在气隙磁通密度相同的条件下,增加磁极的数量,就可以减小电动机磁极的横截面面积,从而使电动机转子的铁芯的直径减小。图5-35为二极、四极和六极永磁转子的结构。

图5-35　不同磁极数量的转子

a)二极永磁转子;b)四极永磁转子;c)六极永磁转子

3)永磁体材料

永磁体给电动机提供长久励磁,目前用于电动机的永磁体材料主要有三类:

(1)铝镍钴(Al－Ni－Co)。

(2)陶瓷(铁氧体),例如钡铁氧体和铁酸锶,如图5-36所示为烧结铁氧体实物图。

(3)稀土永磁材料,即钐钴(Sm－Co)和钕铁硼(Nd－Fe－B)。

图5-36　烧结铁氧体实物图

用于电动机的不同永磁体材料的典型性能如表5-3所示。

表5-3　永磁材料的性能

永磁材料的特性通常与温度有关,一般永磁体随温度的增加而失去剩磁,如果永磁体的温度超过居里温度,则其磁性为零。退磁特性曲线也随温度变化,在一定温度范围内,其变化是可逆的,且近似线性。因此,在设计永磁电动机时,必须考虑电动机运行过程中温度的变化范围。

2.永磁同步电动机的特点

永磁同步电动机的特点是,永磁体在气隙中产生的磁场空间上按照正弦分布,定子三相绕组为正弦分布绕组,电动机的反电动势及电动机定子电流均为正弦波。永磁同步电动机通常采用矢量控制策略,其定子电流的直轴分量为零,其交轴电流在磁场的作用下产生电磁转矩,利用矢量控制算法可以实现宽范围的恒功率弱磁调速。永磁同步电动机的优点是效率高、体积小、重量轻、控制精度高、转矩脉动小等。但是控制器较复杂,因此造成其目前成本偏高。