成本問(wèn)題
鐵氧體永磁電機(jī),特別是微型永磁直流電動(dòng)機(jī),由于結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量減輕,總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低,因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價(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(lái)補(bǔ)償。
在某些場(chǎng)合,例如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器的音圈電動(dòng)機(jī),采用釹鐵硼永磁后性能提高,體積質(zhì)量顯著減小,總成本反而降低。在設(shè)計(jì)時(shí)既需根據(jù)具體使用場(chǎng)合和要求,進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后決定取舍,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。
與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比,永磁電機(jī),特別是稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高,以及電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn),因而應(yīng)用越來(lái)越廣。永磁電機(jī)采用永磁體作為磁場(chǎng),不需要外界能量即可維持其磁場(chǎng),而普通電機(jī)則需要電流通入才有磁場(chǎng)。
常規(guī)永磁電機(jī)通常分為以下五類:永磁直流電動(dòng)機(jī)、異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)。
永磁電機(jī)主要有以下特點(diǎn):
1. 永磁直流電動(dòng)機(jī)
永磁直流電動(dòng)機(jī)與普通直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的不同在于,前者取消了勵(lì)磁繞組和磁極鐵心,代之以永磁磁極。永磁直流電動(dòng)機(jī)的特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)類似,兩者之間的區(qū)別在于主磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式不同。前者磁場(chǎng)不可控,后者磁場(chǎng)可控。永磁直流電動(dòng)機(jī)除了具有他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的良好特性外,還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。
2. 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)
異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)是具有自起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機(jī),兼有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。它依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與籠型轉(zhuǎn)子相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)起動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子運(yùn)行在同步速,籠型轉(zhuǎn)子不再起作用,其工作原理與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)基本相同。
異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比,有以下特點(diǎn):
(1) 轉(zhuǎn)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(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗,進(jìn)而可減小風(fēng)扇(小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇)和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗,效率比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可提高 2% ~ 8% 。
(3) 具有寬的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍。不僅額定負(fù)載時(shí)有較高的功率因數(shù)和效率, 而且在25% ~ 120% 額定負(fù)載范圍內(nèi)都有較高的功率因數(shù)和效率,使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。這類電動(dòng)機(jī)一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動(dòng)繞組,具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)的能力。
(4)永磁電機(jī)體積和質(zhì)量較感應(yīng)電機(jī)大大縮小。如 11kW 的異步電動(dòng)機(jī)質(zhì)量為220kg,而永磁電動(dòng)機(jī)僅為 92kg,相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)質(zhì)量的 45. 8% 。
(5)對(duì)電網(wǎng)影響小。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)低,電動(dòng)機(jī)要從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功電流,造成電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)下降,加重電網(wǎng)變配電設(shè)備的負(fù)擔(dān)和電能損耗。而永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流勵(lì)磁,電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高,提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù),使電網(wǎng)中不再需要安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置。
(6)由于通常采用釹鐵硼永磁材料,因此價(jià)格高;當(dāng)電機(jī)設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)時(shí),可能出現(xiàn)不可逆退磁。
(7) 加工工藝復(fù)雜,機(jī)械強(qiáng)度差。
(8) 電機(jī)性能受環(huán)境溫度、供電電壓等因素影響較大。
3. 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用電子換向裝置代替直流電動(dòng)機(jī)的換向器,保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性。它既具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),又具有直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)。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(zhì)量輕。
4. 調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)
調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上基本相同,定子上為多相繞組,轉(zhuǎn)子上有永磁體,兩者優(yōu)點(diǎn)相似。它們的主要區(qū)別在于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息實(shí)現(xiàn)同步,而調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)需一套電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步和調(diào)速。
5. 永磁同步發(fā)電機(jī)
永磁同步發(fā)電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)特殊的同步發(fā)電機(jī),與普通同步發(fā)電機(jī)不同的是,它采用永磁體建立磁場(chǎng),取消了勵(lì)磁繞組、勵(lì)磁電源、集電環(huán)和電刷等,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,效率高,免維護(hù)。采用稀土永磁時(shí),氣隙磁密高,功率密度高,體積小,質(zhì)量輕。但由于采用了永磁體建立磁場(chǎng),因此難以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的方法調(diào)節(jié)輸出電壓和無(wú)功功率。另外,永磁同步發(fā)電機(jī)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(dǎo)致輸出電壓偏離額定電壓,且難以調(diào)節(jié)。
永磁同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和殼體部件構(gòu)成。與普通交流電機(jī)一樣,定子鐵芯為疊片結(jié)構(gòu),以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)因渦流和磁滯效應(yīng)鐵耗;繞組通常也為三相對(duì)稱結(jié)構(gòu),只是參數(shù)選取有較大區(qū)別。轉(zhuǎn)子部分則形式多樣,有帶啟動(dòng)鼠籠的永磁轉(zhuǎn)子,也有內(nèi)嵌式或表貼式純永磁轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子鐵芯可以制成實(shí)心結(jié)構(gòu),也可以疊片而成。轉(zhuǎn)子上裝有永磁體材料,大家習(xí)慣上稱之為磁鋼。
永磁電機(jī)正常工作下,轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)處于同步狀態(tài),轉(zhuǎn)子部分沒(méi)有感應(yīng)電流,無(wú)轉(zhuǎn)子銅耗和磁滯、渦流損耗,不需要考慮轉(zhuǎn)子損耗發(fā)熱問(wèn)題。一般永磁電機(jī)為專用變頻器供電,天然具有軟啟動(dòng)功能。另外,永磁電機(jī)屬于同步電機(jī),具有同步電機(jī)通過(guò)勵(lì)磁強(qiáng)弱調(diào)節(jié)功率因數(shù)的特點(diǎn),因而功率因數(shù)可以設(shè)計(jì)到規(guī)定數(shù)值。
從起動(dòng)角度分析,緣于永磁電機(jī)由變頻電源或配套變頻器起動(dòng)的實(shí)際,永磁電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)很容易;與變頻電機(jī)的起動(dòng)相似,規(guī)避了普通籠型異步電機(jī)的起動(dòng)缺陷。
總之,永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)可以達(dá)到很高,結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,近十幾年來(lái)市場(chǎng)十分火爆。但是,失磁故障是永磁電機(jī)不可回避的問(wèn)題,當(dāng)電流過(guò)大或溫度過(guò)高時(shí),會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度瞬間不斷攀升、電流急劇增大,永磁體迅速失磁。在永磁電機(jī)控制中,設(shè)定了過(guò)電流保護(hù)裝置,避免了電機(jī)定子繞組被燒毀的問(wèn)題,但由此而導(dǎo)致的失磁和設(shè)備停運(yùn)不可避免。
相對(duì)于其他電機(jī),永磁電機(jī)在市場(chǎng)上的應(yīng)用還不是很普及,無(wú)論對(duì)于電機(jī)制造者還是使用者,都有一些未知的技術(shù)盲區(qū),特別是涉及到與變頻器的匹配問(wèn)題,往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不符,必須反復(fù)驗(yàn)證。
電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程涉及一些基本考慮因素,對(duì)于啟動(dòng)器,應(yīng)用環(huán)境的要求,什么時(shí)候需要什么扭矩和速度,多久需要一次?什么是工作循環(huán)?溫度和壓力等環(huán)境條件是什么?即使是最高效的電機(jī),如果電機(jī)應(yīng)用錯(cuò)誤的領(lǐng)域,其不會(huì)發(fā)揮最大的效率。許多電動(dòng)機(jī)都用于齒輪電動(dòng)機(jī)、齒輪減速器和電動(dòng)機(jī)的組合。齒輪馬達(dá)以低速提供高扭矩,簡(jiǎn)言之,齒輪電機(jī)在放大扭矩的同時(shí),會(huì)吸收電機(jī)功率并降低轉(zhuǎn)速,齒輪電機(jī)占空比會(huì)影響電機(jī)的性能額定值,例如連續(xù)的占空比。
最佳冷卻設(shè)計(jì)外殼
一個(gè)冷卻較好的馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高,為了獲得最佳的氣流,優(yōu)化了冷卻風(fēng)扇和風(fēng)扇罩的設(shè)計(jì),確保定子和電機(jī)外殼之間的緊密結(jié)合提供最佳的冷卻性能。電機(jī)的電效率提高了很多,但冷卻風(fēng)扇的功率占總損耗的比例更大。冷卻風(fēng)扇尺寸的優(yōu)化包括使用風(fēng)扇的最小功率,同時(shí)提供足夠的冷卻。優(yōu)化的風(fēng)扇設(shè)計(jì)可使風(fēng)扇功率需求降低65%,一個(gè)重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是葉片和殼體之間的間隙。外殼和風(fēng)扇葉片之間的空間應(yīng)盡可能小,以防止湍流和減少回流。
選擇適合工作速度的低摩擦軸承
滾珠或滾柱軸承用于高效電機(jī),它們由一個(gè)內(nèi)外圈和一個(gè)包含鋼或陶瓷輥或球的保持架組成。外圈與定子相連,內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子相連。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),元件也旋轉(zhuǎn),并且軸旋轉(zhuǎn)的摩擦力最小化。它們使用壽命長(zhǎng),維護(hù)成本低。高精度應(yīng)用允許最小的氣隙。熱收縮和熱膨脹會(huì)影響軸和軸承座的配合以及內(nèi)部軸承間隙本隙 。功率輸出控制軸尺寸和軸承孔。載荷大小和方向決定軸承尺寸和類型??紤]額外的力,如引起磁力拉力的不對(duì)稱氣隙、失衡力、齒輪的節(jié)距誤差和推力載荷。對(duì)于軸承載荷計(jì)算,將軸視為支撐在剛性無(wú)力矩支架上的梁。滾珠軸承比滾子軸承更適合高速應(yīng)用。高速因素包括保持架設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑劑、運(yùn)行精度、間隙、共振頻率和平衡。
軸承需要最小的負(fù)載,因此滾動(dòng)元件旋轉(zhuǎn)形成潤(rùn)滑膜而不是滑動(dòng),這會(huì)提高工作溫度并降解潤(rùn)滑油。允許最小載荷等于滾珠軸承動(dòng)態(tài)徑向載荷額定值的0.01倍。當(dāng)軸承接近推薦額定值的70%時(shí),這一點(diǎn)尤為重要。了解環(huán)境溫度范圍和正常工作溫度范圍將有助于確定軸承最有效的潤(rùn)滑方法:潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂,一般情況下考慮的齒輪電機(jī)的正常工作溫度范圍為-25至40°C。合成潤(rùn)滑脂在各種溫度范圍內(nèi)具有良好的性能,潤(rùn)滑脂可以簡(jiǎn)化維護(hù)、清潔、減少泄漏和污染保護(hù)。
使用高質(zhì)量的平衡機(jī),高標(biāo)準(zhǔn)和電機(jī)運(yùn)行速度下的平衡
當(dāng)軸心與旋轉(zhuǎn)軸不共存時(shí),會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng),平衡對(duì)效率的影響有限,但會(huì)影響運(yùn)行噪音和預(yù)期壽命,這對(duì)最大限度地利用資源也很重要。軸承振動(dòng)讀數(shù)通常在垂直、水平和軸向三個(gè)平面上讀取。垂直振動(dòng)可能表明存在安裝問(wèn)題,水平振動(dòng)可能意味著平衡問(wèn)題,而軸向振動(dòng)可能意味著軸承問(wèn)題。工作轉(zhuǎn)速下的平衡很重要,因?yàn)檩S承的向心力也可能導(dǎo)致不平衡。
轉(zhuǎn)子疊片顯示正弦磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
具有高性能永磁的同步電機(jī)具有正弦磁通分布和電動(dòng)勢(shì),對(duì)于分布式繞組,定子繞組通常與異步電機(jī)繞組相同,它降低了振動(dòng)、噪音和維護(hù)成本,提高了整體性能。
稀土與鐵氧體(陶瓷)磁體的選擇
電機(jī)中使用了釹、稀土、釤鈷磁鐵或鐵氧體(陶瓷)磁鐵,稀土磁鐵的強(qiáng)度是鐵氧體或陶瓷永磁體的兩到三倍,但價(jià)格較貴。釤鈷磁鐵是高溫應(yīng)用的最佳選擇,因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰棵芏取?50至550°C的耐溫性、溫度升高導(dǎo)致的參數(shù)小幅度降低以及氧化保護(hù),選擇釤鈷或釹作為電機(jī)磁鐵是根據(jù)工作溫度、耐腐蝕性和要求的性能。如果加熱到80℃以上,低等級(jí)的釹磁鐵可能開(kāi)始失去“強(qiáng)度”,高等級(jí)的釹磁鐵在220℃以下的溫度下工作。鐵氧體或陶瓷磁鐵由于其很強(qiáng)的電阻而得到廣泛的認(rèn)可,退磁性好,耐腐蝕性強(qiáng),價(jià)格低廉。在250°C以上的溫度下工作時(shí)會(huì)發(fā)生磁損耗,但當(dāng)磁鐵降到較低的溫度時(shí)會(huì)恢復(fù)磁損耗。除非電路設(shè)計(jì)用于極端情況,否則-40°C的低溫可能會(huì)導(dǎo)致永磁強(qiáng)度的永久損失。
電機(jī)需要逆變器
逆變器驅(qū)動(dòng)單元在空載運(yùn)行/靜止?fàn)顟B(tài)下可以無(wú)損耗,通過(guò)替換現(xiàn)有的線路供電的三相驅(qū)動(dòng)裝置,預(yù)計(jì)可以節(jié)省高達(dá)30%的能源。驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)使其非常適合驅(qū)動(dòng)連續(xù)運(yùn)行的泵和風(fēng)扇。不需要額外的組件,比如編碼器。高達(dá)25%的占地面積允許機(jī)器設(shè)計(jì)更緊湊。電機(jī)具有良好的控制性能,并與無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)控制器單元相結(jié)合,即使在低速下也具有出色的真實(shí)運(yùn)行性能,在脈沖負(fù)載和速度變化時(shí)具有令人印象深刻的動(dòng)態(tài)特性。
選擇能夠提供無(wú)傳感器操作的逆變器
驅(qū)動(dòng)器可以“自我檢測(cè)”并跟蹤轉(zhuǎn)子的永磁位置。這對(duì)于電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)至關(guān)重要,同時(shí)也允許產(chǎn)生最佳扭矩,從而獲得最佳效率。缺少位置或速度傳感器降低了成本,提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。隨著效率的不斷提高,對(duì)特定電機(jī)的控制器設(shè)置進(jìn)行編程以獲得最佳效率的重要性越來(lái)越重要。
永磁電機(jī)(PMM)通過(guò)定子電流與轉(zhuǎn)子上或轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。小型低功耗電機(jī)用于IT設(shè)備,商用機(jī)器和汽車輔助設(shè)備中的表面轉(zhuǎn)子磁體是常見(jiàn)的。內(nèi)部磁體(IPM)在電動(dòng)車輛和工業(yè)電機(jī)等大型機(jī)器中很常見(jiàn)。
在永磁電機(jī)中,如果不考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),則定子可能使用集中(短節(jié)距)繞組,但在較大的永磁電機(jī)中分布繞組是常見(jiàn)的。
由于永磁電機(jī)沒(méi)有機(jī)械換向器,所以逆變器對(duì)于控制繞組電流至關(guān)重要。與其他類型的無(wú)刷電機(jī)不同,永磁電機(jī)不需要電流來(lái)支持其磁場(chǎng)。
因此,如果體積小或重量輕,永磁電機(jī)可以提供最大的扭矩,并且可能是最好的選擇。無(wú)磁化電流也意味著在“最佳點(diǎn)”負(fù)載下效率更高 - 即電機(jī)性能最佳的地方。
此外,盡管永磁體在低速時(shí)帶來(lái)了性能優(yōu)勢(shì),但它們也是技術(shù)上的“致命弱點(diǎn)”。例如,隨著永磁電機(jī)速度的增加,反電動(dòng)勢(shì)接近逆變器電源電壓,從而無(wú)法控制繞組電流。這定義了通用永磁電機(jī)的基本速度,并且在表面磁體設(shè)計(jì)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(dòng)磁場(chǎng)弱化,其中操縱定子電流故意壓低磁通量??梢钥煽繉?shí)施的速度范圍限制在4:1左右。和以前一樣,這個(gè)限制可以通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。
磁場(chǎng)弱化的需要是速度相關(guān)的,并且不管扭矩如何都會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的損失。這會(huì)降低高速下的效率,特別是在輕負(fù)載下。
在高速公路行駛的電動(dòng)汽車中,這是非常嚴(yán)重的。永磁電機(jī)經(jīng)常受到電動(dòng)汽車的青睞,但是在實(shí)際駕駛周期進(jìn)行計(jì)算時(shí),效率的好處是值得懷疑的。有趣的是,至少有一家著名的電動(dòng)汽車制造商已經(jīng)從PM切換到感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
其他缺點(diǎn)包括由于其固有的反電動(dòng)勢(shì)在故障條件下難以管理的事實(shí)。即使變頻器斷開(kāi),只要電機(jī)旋轉(zhuǎn),電流就會(huì)持續(xù)流過(guò)繞組故障,從而導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩和過(guò)熱,并且都是危險(xiǎn)的。
例如,由于變頻器停機(jī),在高速下的磁場(chǎng)減弱會(huì)導(dǎo)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(xiǎn)的水平。
除了那些裝有釤鈷磁體的永磁電機(jī)外,操作溫度是另一個(gè)重要的限制。而由于逆變器故障而產(chǎn)生的高電動(dòng)機(jī)電流會(huì)導(dǎo)致退磁。
最大速度受機(jī)械磁鐵保持力的限制。如果永磁電機(jī)損壞,修理它通常需要返回到工廠,因?yàn)榘踩靥崛『吞幚磙D(zhuǎn)子是困難的。最后,報(bào)廢時(shí)的回收也很麻煩,盡管當(dāng)前稀土材料的高價(jià)值可能會(huì)使這種材料更具經(jīng)濟(jì)可行性。
盡管存在這些缺點(diǎn),永磁電機(jī)仍然在低速和甜點(diǎn)效率方面保持無(wú)與倫比的地位,而且在尺寸和重量至關(guān)重要的情況下,它們都非常有用。
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