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探索永磁电机:概念与理论分析

2024-08-20 11:50:49

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    探索永磁电机:概念与理论分析

     

    永磁电机 如今,永磁电机也已进入工业领域。与感应电机不同,永磁电机的转子上装有磁铁,可在启动时产生磁场。本文深入介绍了永磁电机的概念、原理和关键部件。

    永磁同步电机 (PMSM) 因其效率和精度而在现代工程中发挥着关键作用。

    一、永磁电机与感应电机的比较

     

    永磁电机和感应电机之间最根本的区别在于磁场的产生方式。感应电机利用定子绕组中感应出的旋转场在转子内感应出电流,然后电流与定子磁场相互作用产生驱动力。感应电机的一个独特特征是转子和磁场之间必须存在速度差才能感应出电流。正因为如此,当它们与变频驱动器结合使用时,效果会很好,可以实现速度变化。

     

    磁电机也称为 PM 电机,利用转子中的磁铁产生磁场,因此不需要定子磁场来连接磁通。这种自然适应的设计有助于在需要速度变化的应用中提高效率。根据磁铁的位置,永磁电机有两种主要形式:表面永磁电机和内部永磁电机。电机的耐用性、磁功率和电磁特性因类型而异。

     

    II. 磁通、磁通链和磁场

     

    为了理解永磁电机的运行,必须理解一些与磁通、磁通链和磁场相关的重要概念。

     

    当电流通过导体时,就会产生磁场。磁通量是某一特性在某一区域传输速率的量度。对于电机而言,磁通量是磁场在导线表面传播的速度。

     

    磁通链是磁场与材料之间的相互作用,例如穿过线圈。它取决于绕组的匝数和磁通量,磁通量通常用符号 ϕ 表示,表示磁通量随时间的变化值。磁通链的计算公式为 λ = N × ϕ,其中 λ 为磁通链,N 为匝数,ϕ 为磁通量。

     

    磁场图显示磁力如何在导体空间中移动。在磁电机中,磁铁被放置在转子表面以产生磁场。

    永磁发电机 (PMG) 因其比传统发电机具有显著的优势而受到风力涡轮机的青睐。

    电感和电动势(EMF)

     

    在讨论永磁电机的特性时,考虑电感和 EMF 的概念非常重要。

     

    电感,L:它是感应电压与电流变化的比例常数。换句话说,电感是单位电流的磁通量。它与几何特性有关:电流的路径,以亨利 (H) 为单位。PM 电机中的电感可根据转子和磁极的位置分为 d 轴电感和 q 轴电感。

     

    反电动势:由于电机旋转时转子磁场和定子绕组之间的相对运动,定子绕组内会产生感应电压。对于永磁电机,磁场来自转子上的永磁体;因此,只要转子运动,定子绕组中就会产生感应电压。这会导致反电动势随着电机速度的增加而线性上升,从而成为决定电机最大运行速度的关键因素。

     

    IV. d 轴和 q 轴:电机电磁学中的关键轴

     

    有两个重要轴线用于描述永磁电机的电磁特性。

     

    D轴(直轴):沿着电机的主磁通方向。D轴电感将对应于磁通流过磁极时的电感值。

     

    Q轴(Quadrature Axis):对应马达主要扭力产生方向,Q轴电感会对应磁通在磁极间流动时的电感值。

     

    对于内磁式永磁电机,d 轴和 q 轴电感值不同,因为磁铁的存在会减少 d 轴上的铁芯材料,从而降低电感。对于表面式永磁电机,d 轴和 q 轴电感值几乎相同,因为磁铁位于转子外部,不会影响定子磁场与铁芯的连接。

     

    五、磁凸极效应和磁扭矩

     

    磁凸极效应是衡量 d 轴和 q 轴电感与转子位置之间相对变化的指标。磁凸极效应是 PM 电机最重要的设计考虑因素之一。在大多数情况下,它在 90 度电角度时最大,此时 q 轴和 d 轴电感之间的差异最大。

     

    PM 电机产生的扭矩的两个主要组成部分是磁扭矩和磁阻扭矩。磁扭矩是由于转子磁通量和定子绕组电流之间的相互作用而产生的。磁阻扭矩的来源是转子轴倾向于沿定子磁通场对齐。电机的实际输出扭矩将由两者决定。

     

    VI. PM 电机中的电感变化和磁通减弱

     

    PM 电机最基本的区别在于,随着负载电流的增加,d 轴和 q 轴电感值会因磁芯材料中的磁饱和而减小。超过一定量的磁通量,磁芯的电感不会进一步增加,也可能减小。

     

    减弱磁通是一种减少磁通场以降低反电动势以实现更高速度的技术。通常,此操作需要电机中额外的电流,通过改变 d 轴电流的方向,电机可以根据操作需求减弱或增强磁通。

     

    七、永磁电机的结构和材料选择

     

    PM 电机可分为内磁电机和表磁电机两种结构类型。每种结构类型的 PM 电机都有各自的优缺点,选择通常与应用有关。例如,在需要高转速下高机械强度的应用中,理想的设计是将磁铁嵌入转子内部,而表磁电机更容易制造,成本更低。

     

    永磁电机的性能很大程度上取决于磁性材料,永磁电机常用的永磁材料如钕铁硼(NdFeB)、钐钴(SmCo)等,其特性各有不同,磁性能、耐高温性能也各有不同,因此磁性材料的选择与应用场景息息相关,在电机设计过程中需要进行合理的选择。

     

    八、永磁电机的控制及应用

     

    随着驱动技术的进步,现代变速交流驱动器还能够通过检测或跟踪电机的磁极位置来实现自感知甚至闭环控制,从而最大化输出扭矩并优化效率。这种控制方案在位置控制应用中的伺服电机中得到广泛应用,这些应用既需要高精度,又需要快速响应。

     

    伺服电机通常采用内部永磁设计,并与特定放大器配合使用。两者一起由制造商优化和调整,旨在实现最佳运行。在实际应用中,伺服电机经常应用于数控机床、机器人和自动化设备。

     

    九、永磁体的退磁现象及防护

     

    这些材料虽然被称为“永磁体”,但并非真正意义上的永久材料,在外界条件变化(如机械应力、高温、强电磁干扰等)下,磁性可能会减弱甚至失效。

     

    机械应力:永磁体在受到剧烈冲击或掉落时,可能会因内部结构变化而失去磁性。

     

    温度对材料的影响是,每种材料都有一个温度,即所谓的“居里温度”,在该温度时材料不再具有磁性。

     

    磁铁的磁性可能会受到干扰,并导致磁性丧失。

     

    因此,在开发和使用永磁电机时,必须考虑这些退磁因素并结合策略。

     

    十、恩能:推进高效永磁电机发展

     

    ENNENG 是一家磁电机制造商,正式名称为青岛恩能磁电机有限公司。该公司位于中国青岛地区。制造类型包括标准、通用和定制类型,如无齿轮和驱动。ENPMSM 生产的电机适用于发电厂、冶金、化工、矿山和油田等行业。Enneng 以注重创新而闻名,拥有一支拥有技术专利的研发团队。其对进步的承诺使其被公认为青岛杰出的“百家创新型企业”之一。

    结语

    PM 电机非常高效和精确,因此在消费应用中的需求很高。了解这些电机的原理和概念对于更好的设计和性能保证非常重要。随着技术的发展,PM 电机的应用将得到更广泛的应用,并对电力系统做出重大贡献。

     

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