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稀土永磁电机

时间:2018/5/8 点击数:463

稀土永磁电机是70年代初期出现的一种新型永磁电机,由于稀土永磁体的高磁能积和高矫顽力(特别是高内禀矫顽力),使得稀土永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点。

稀土永磁电机基本介绍

稀土永磁电机优点

由于稀土永磁材料的磁性能优异,它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场,用来替代传统电机的电励磁场所制成的稀土永磁电机不仅效率高,而且结构简单、运行可靠,还可做到体积小、重量轻。既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能(如特高效、特高速、特高响应速度),又可以制成能满足特定运行要求的特种电机,如电梯曳引电机、汽车专用电机等。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合,更使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平。从而提高所配套的技术装备的性能和水平,是电机行业调整产业结构的重要发展方向。
稀土永磁电机的应用范围极为广泛,几乎遍及航空、航天、国防、装备制造、工农业生产和日常生活的各个领域。它包括永磁同步电动机、永磁发电机、直流电动机、无刷直流电动机、交流永磁伺服电动机、永磁直线电机、特种永磁电机及相关的控制系统,几乎覆盖了整个电机行业。

稀土永磁电机工作原理

稀土永磁电机的工作原理与电励磁同步电机相同,区别在于前者是以永磁体替代励磁绕组进行励磁。当永磁电机的三相定子绕组(各相差120°电角度)通入频率为f的三相交流电后,将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下,主极磁场随着旋转磁场同步转动,因此转子转速亦是同步转速,定子旋转磁场恒与永磁体建立的主极磁场保持相对静止,它们之间相互作用并产生电磁转矩,驱动电机旋转并进行能量转换。

稀土永磁电机应用

与传统的电励磁电机相比,永磁电机,特别是稀土永磁电机具有结构简单,运行可靠;体积小,质量轻;损耗小,效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛,几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用场合。
稀土永磁发电机
永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置,结构简单,减少了故障率。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密,并把电机转速提高到最佳值,提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的150kVA14极12000r/min~21000r/min和100 kVA60000r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3kW20000r/min的永磁发电机。
永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机,80年代我国研制成功当时世界容量最大的40kVA~160kVA稀土永磁副励磁机,配备200MW~600MW汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。
21世纪以来,独立电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步推广。
高效同步电动机
永磁同步电动机与感应电动机相比,不需要无功励磁电流,可以显著提高功率因数(可达到1,甚至容性),减少了定子电流和定子电阻损耗,而且在稳定运行时没有转子铜耗,进而可以减小风扇(小容量电机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩损耗,效率比同规格感应电动机可提高2~8个百分点。而且,永磁同步电动机在25%~120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数,使轻载运行时节能效果更为显著。这类电机一般都在转子上设置起动绕组,具有在某一频率和电压下直接起动的能力。21世纪10年代,主要应用在油田、纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机水泵等领域。
我国自主开发的高效高起动转矩钕铁硼永磁同步电动机在油田应用中可以解决“大马拉小车”问题,起动转矩比感应电动机大50%~100%,可以替代大一个机座号的感应电动机,节电率在20%左右。
纺织化纤行业中负载转动惯量大,要求高牵入转矩。合理设计永磁同步电动机的空载漏磁系数、凸极比、转子电阻、永磁体尺寸和定子绕组匝数可以提高永磁电机的牵入性能,促使它应用于新型的纺织和化纤工业。
大型电站、矿山、石油、化工等行业所用几百千瓦和兆瓦级风机、泵类用电机是耗能大户,21世纪10年代,所用电机的效率和功率因数较低,改用钕铁硼永磁后不仅提高了效率和功率因数,节约能源,且为无刷结构,提高了运行的可靠性。目前1 120kW永磁同步电动机是世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机,效率高于96.5%(同规格电机效率为95%),功率因数0.94,可以替代比它大1~2个功率等级的普通电动机。
交流伺服永磁电动机和无刷直流永磁电动机
21世纪以来,越来越多地用变频电源和交流电动机组成交流调速系统来替代直流电动机调速系统。在交流电动机中,永磁同步电机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系,使得它可直接用于开环的变频调速系统。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动,在转子上可以不设置起动绕组,而且省去了电刷和换向器,维护方便。
变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁电动机,既具有电励磁直流电动机的优异调速性能,又实现了无刷化,主要应用于高控制精度和高可靠性的场合,如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备等。
现已研制成宽调速范围、高恒功率调速比的钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统,调速比高达1:22500,极限转速达到9000r/min。永磁同步电动机高效、小振动、低噪声、高转矩密度的特点在电动车、机床等驱动装置中是最理想的电动机。
随着人民生活水平的不断提高,对家用电器的要求越来越高。例如家用空调器,既是耗电大件,又是噪声的主要来源,其发展趋势是使用能无级调速的永磁无刷直流电动机。它既能根据室温的变化,自动调整到适宜的转速下长时间运转,减少噪声和振动,使人的感觉更为舒适,还比不调速的空调器节电1/3。其他如电冰箱、洗衣机、除尘器、风扇等也在逐步改用无刷直流电动机。
直流电动机
直流电动机采用永磁励磁后,既保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性,还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少、效率高等特点。因而从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动机。500W以下的微型直流电动机中,永磁电机占92%,而10 W以下的永磁电机占99%以上。
21世纪以来,我国汽车行业发展迅速,汽车工业是永磁电机的最大用户,电机是汽车的关键部件,一辆超豪华轿车中,各种不同用途的电机达70余台,其中绝大部分是低压永磁直流微电机。汽车、摩托车用起动机电动机,采用钕铁硼永磁并采用减速行星齿轮后,可使起动机电动机的质量减轻一半。
无铁心钕铁硼
利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性不用或少用硅钢片,制成无铁心电机,质量大大减轻。无铁心永磁电机采用聚磁型结构和正余弦充磁,所产生的磁场呈正弦分布,因此可以不斜槽,可以采用集中绕组,便于AC控制。绕组端部短,损耗小,转矩密度高,振动噪声显著降低。应用在汽车方向盘驱动、机器人、电梯及DVD的驱动等许多方面。
横向磁通钕铁硼
为了解决安放线圈的槽的宽度与磁通流经的齿部的宽度之间的矛盾,提高电机的功率密度和转矩密度,人们不断探索新的磁路结构,出现了横向磁通电机(Transverse Flux Machine)结构思想。这种电机定子齿槽结构和电枢线圈在空间上相互垂直,主磁通沿电机轴向流通,电流和磁负荷在空间上不存在竞争,因而定子尺寸和通电线圈的大小相互独立,在一定范围内可以任意选取,提高了功率密度。21世纪,国际上对这种结构电机的研发刚刚起步,有广阔的发展前景。
永磁特种电机
控制电机和特种电机的种类很多,其共同的发展趋势之一是永磁化,以高性能的永磁体励磁逐步取代电励磁。
由于稀土永磁具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点,可以容许所制成的电机具有较大的气隙长度和气隙密度,因而在永磁体安放和磁路结构设计上有很大灵活性,可以根据使用场合,特别是汽车、计算机和航天工程的需要,制成与传统电机不同的结构形状和尺寸,例如盘式电机、无槽电机等。这既可以进一步减少电机的质量和转动惯量,提高电机的反应灵敏度;又可以减少电机转矩的脉动,增加运行的平稳性;还可以简化电机的结构和工艺。因而在计算机外围设备、办公设备和要求精度定位控制的场合得到广泛应用。

稀土永磁电机采用永磁体励磁,减少了励磁绕组、电刷、集电环结构,避免了传统励磁式发电机励磁绕组易烧毁、断线,电刷、集电环易磨损等故障,使用性能更可靠。
转子不存在励磁绕组、电刷、集电环等损耗部件,效率得到明显提高,功率因数可维持在0.95以上,在负载波动的情况下可维持较高力能水平,对于该装备容量与负载匹配情况,综合节电率可达15%以上。
 
稀土永磁电机转子结构紧凑灵活,可提高电机的转子表面磁场强度,进而提高转矩密度,缩小体积和重量。
 
稀土永磁电机应用范围
永磁电机应用越发广泛,包括舰艇及潜艇用永磁电机、坦克及装甲车驱动用永磁电机、船用推进器永磁电机、航天用驱动永磁电机
 
可实现按需调节,降低无效能耗
电机低负荷运行时,扬程和流量都有较大余量问题,采用变频调速,可以根据实际的扬程和流量需求匹配电机的转速和运行数量,使机组实时高效运行,降低无效能耗。


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