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永磁直驱电机的设计与工艺

2024-01-16 11:09:47

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    永磁电机节能原理

    无功励磁电流的消除

    永磁电动机 与感应电机不同,节省了无功励磁电流的使用。这是其效率的一个优点,因为电机不必使用能量来提供磁场。

     

    改善功率因数

     

    由于消除了无功励磁电流,永磁电机的功率因数得到改善。这意味着电机可以将更多的电输入功率转换为机械功率,这是提高效率的衡量标准。

     

    减少定子电流和损耗

     

    由于永磁电机没有励磁电流,所以永磁电机的定子电流很小,小的电流可以减少定子绕组的损耗,提高整个电机的效率。

     

    无转子电阻损失

     

    永磁电机没有任何转子绕组,因此不会因绕组电阻而产生任何损耗。感应电机中由于电流流过转子绕组而产生这种损耗机制,但永磁电机完全避免了这种情况。

     

    减少风扇和风摩擦损失

     

    由于永磁电机效率更高,产生的热量更少,因此对风扇等冷却装置的需求也随之减少。这反过来又减少了风摩擦损失,进一步提高了电机效率。

     

    与感应电机的效率比较

     

    一般而言,永磁电机的效率比同类感应电机高 10 到 15 个百分点。这是因为电机设计中的整体损耗较低。

     

    在宽负载范围内实现高效率和高功率因数

     

    永磁同步电机在额定负载的25%至120%范围内保持较高的效率和功率因数。它们在轻载运行时尤其有效,因为它们仍然保持高效。

    永磁直驱电机转子结构的选择

    磁极形式

    表面类型

    表面贴装磁铁安装在转子的外表面上。该结构简单且成本低廉;然而,由于离心力较大,高速时效率可能会较低。

     

    内置型

     

    转子内嵌有内置或内装式永磁体,内置式机械完整性更好,能以更高的速度更高效地工作。

     

    励磁方向

    放射状结构

     

    对于径向结构,磁通量以径向方式从转子指向定子。这也许是最常见且相当简单的配置。

     

    切向结构

     

    切向结构将使磁通量沿切向流动。这样,可以增大励磁面积,因此适合需要高扭矩的多极电机。

     

    混合结构

     

    混合结构结合了径向和切向设计的特点,以优化特定应用的性能。由于其复杂性,这些不太常见。

     

    转子永磁结构

    多极结构

     

    采用多极结构,通过增加极数来降低额定同步转速。这有助于在低速下实现高扭矩,这有利于直接驱动应用。

     

    低速高扭矩优化

     

    应针对每种应用优化电机的设计以及适当的极数和磁铁布置,以确保在没有过大的逆变器电流的情况下实现低速下的高扭矩。

     

    设计注意事项

    SPWM 逆变器输出频率

     

    通常,SPWM 逆变器输出的频率应远高于 25 Hz,以便在驱动系统中产生合理的线性调整范围。

     

    额定同步转速

     

    由于逆变器的输出特性需要与电机的特性相匹配,因此电机的额定同步转速应较低,这样不需要很大的逆变器电流,可以最大限度地降低系统成本和损耗。

     

    励磁磁场强度

     

    永磁体应提供足够高的磁场强度。磁体尺寸及其布置经过优化以满足扭矩要求。

     

    多极电机的切向结构

     

    此结构特别适合多极电机,因为切向结构可以为每极提供较大的励磁面积,以提供高扭矩输出所需的强磁场。

     

    永磁直驱电机绕组结构的选择

    分数槽绕组

    极槽匹配(Q<1)

     

    对于极槽匹配的选择,在采用分数槽绕组的情况下,每极每相槽数Q应小于1,这在电机性能上提供了一定的优势。

     

    分数槽绕组的优点

    减少齿槽扭矩幅度

     

    分数槽绕组可降低齿槽转矩幅度,减少转矩脉动并提供更高的电机平滑度。

     

    提高调速精度

     

    分数槽绕组通过减小齿槽转矩来提高调速精度,从而使电机运行更加精确。

     

    减少电机振动和噪音

     

    由于分数槽绕组的缘故,运行更加平稳,从而降低了振动和噪音水平,从而使电机更加安静。

     

    增强绕组的分布效果

     

    分数槽绕组改善了绕组的分布,有助于增强电机感应反电动势 EMF 的正弦特性。

     

    改善反电动势的正弦特性

     

    更平滑的正弦反电动势将有助于提高电机的整体性能,减少谐波失真并提高运行平稳性。

     

    有效利用定子槽

    更小的槽位和更大的利用面积

     

    采用减小定子槽尺寸的方法,可以有效增加利用面积,从而实现定子材料的有效利用。

     

    缩短线圈端部长度

     

    在分数槽绕组的情况下,线圈端部长度减少,从而减少了铜消耗并降低了电阻损耗。

     

    集中绕组设计

    电机节距为 1

     

    电机节距为1:每个线圈绕制在一个齿上,使绕制更容易,同时提高电机效率。

     

    减少线圈周长和延长长度

     

    这种设计减少了线圈的周长和延伸长度,有助于降低铜损并提高效率。

     

    减少铜损

     

    分数槽绕组有助于减少铜损,因为绕组长度被最小化并且使用的铜更少,从而提高了整体电机效率。

     

    节省成本、提高效率

     

    这使得分数槽绕组的生产成本比整数槽绕组更低,同时电机的运行效率更高。

     

    恩能 是全球主要的永磁直驱电机制造商之一。

     

    恩能 专门开发和生产永磁直驱电机。这些电机采用永磁转子,广泛应用于金矿、煤矿、轮胎厂、油井和水处理厂等多个领域。永磁直驱电机的优点是取消了传统电机系统中的减速器。优点是机械噪音极低、振动小、故障率低。这些电机效率高达 93-97%,功率因数高达 0.99,可节省能源并增加系统内的有功功率。与带减速器的传统电机相比,永磁直驱电机传动效率更高,维护需求更少。由于其设计紧凑、性能可靠,这些电机是低速大功率应用领域的理想选择。

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