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永磁同步电机

来源:鸿运,鸿运游戏,鸿运电子游戏发布时间:2020/05/21点击数:

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  永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机,永磁体作为转子产生旋转磁场,三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应,感应三相对称电流。

  当转子动能转化为电能,永磁同步电机作发电机用;此外,当定子侧通入三相对称电流,由于三相定子在空间位置上相差120,所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场,转子旋转磁场中受到电磁力作用运动,此时电能转化为动能,永磁同步电机作电动机用。

  PMSM(Permanent Magnetic Synchronous Machine)

  永磁同步电机主要由定子、转子和端盖等部件构成,定子由叠片叠压而成以减少电动机运行时产生的铁耗,其中装有三相交流绕组,称作电枢。转子可以制成实心的形式,也可以由叠片压制而成,其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同,永磁同步电机可以分为突出式与内置式两种结构形式,右图给出相应的示意图。突出式转子的磁路结构简单,制造成本低,但由于其表面无法安装启动绕组,不能实现异步起动。

  内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和混合式3种,它们之间的区别主要在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。右图给出3种不同形式的内置式转子的磁路结构。由于永磁体置于转子内部,转子表面便可制成极靴,极靴内置入铜条或铸铝等便可起到启动和阻尼的作用,稳态和动态性能都较好。又由于内置式转子磁路不对称,这样就会在运行中产生磁阻转矩,有助于提高电机本身的功率密度和过载能力,而且这样的结构更易于实现弱磁扩速。

  当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时,电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变,这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆,称为圆形旋转磁动势。其大小正好为单相磁动势最大幅值的1.5倍,即

  为单相磁动势的最大幅值,(T・m);k为基波绕组系数;p为电机极对数;N为每一线圈的串联匝数;I为线圈中流过电流的有效值,A由于永磁同步电机的转速恒为同步转速,因此转子主磁场和定子圆形旋转磁动势产生的旋转磁场保持相对静止。两个磁场相互作用,在定子与转子之间的气隙中形成一个合成磁场,它与转子主磁场发生相互作用,产生了一个推动或者阻碍电机旋转的电磁转矩T

  为气隙合成磁场,T。由于气隙合成磁场与转子主磁场位置关系的不同,永磁同步电机既可以运行于电动机状态也可以运行于发电机状态,永磁同步电机的三种运行状态如右图所示。当气隙合成磁场滞后于转子主磁场时,产生的电磁转矩与转子旋转方向相反,这时电机处于发电状态;相反,当气隙合成磁场超前于转子主磁场时,产生的电磁转矩与转子旋转方向相同,这时电机处于电动状态。转子主磁场与气隙合成磁场之间的夹角称为功率角。

  永磁同步电机由两个关键部件组成,即一个多极化永磁转子和带有适当设计绕组的定子。在操作过程中,旋转的多极化永磁转子在转子与定子的气隙形成一个随时间变化的磁通。这个通量在定子绕组端子上产生交流电压,从而形成用于发电的基础。在此处所讨论的永磁同步电机使用一个安装在铁磁芯上的环形永磁铁。内部永磁同步电机不在这里考虑。因磁铁嵌入到一个电镀的铁磁芯内是非常困难的,通过使用适当厚度的磁铁(500μm)以及在转子和定子铁芯的高性能磁材料,气隙可以做得非常大(300~500μm)而没有明显的性能损失,这使得定子绕组在气隙中占据一定的空间,从而大大简化了永磁同步电动机的制造。

  永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机,其定子产生旋转磁场,转子用永磁材料制成。同步电机实现能量转换需要一个直流磁场,产生这个磁场的直流电流称为电机的励磁电流。

  永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机两种类型,作为电动机运行时均需变频供电。前者只需要方波型逆变器供电,后者需要正弦波型逆变器供电。

  正弦波永磁同步电机:磁极采用永磁材料,输入三相正弦波电流时,气隙磁场按正弦规律分布,简称为永磁同步电机。

  梯形波永磁同步电机:磁极仍为永磁材料,但输入方波电流,气隙磁场呈梯形波分布,性能更接近于直流电机。用梯形波永磁同步电机构成的自控变频同步电机又称为无刷直流电机。

  这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机,这种专用的直流发电机称为直流励磁机,励磁机一般与发电机同轴,发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立,工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点,是过去几十年间发电机主要励磁方式,具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢,维护工作量大,故在10MW以上的机组中很少采用。

  现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上,它输出的交流电流经整

  流后供给发电机转子励磁,此时,发电机的励磁方式属他励磁方式,又由于采用静止的整流装置,故又称为他励静止励磁,交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度,交流励磁机通常采用100~200Hz的中频发电机,而交流副励磁机则采用400~500Hz的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内,转子只有齿与槽而没有绕组,像个齿轮,因此没有电刷,滑环等转动接触部件,具有工作可靠,结构简单,制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大,交流电势的谐波分量也较大。

  在励磁方式中不设置专门的励磁机,而从发电机本身取得励磁电源,经整流后再供给发电机本身励磁,称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流,经整流后供给发电机励磁,这种励磁方式具有结构简单,设备少,投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外,还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时,给发电机提供较大的励磁电流,以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源,通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。

  恒压频比控制是一种开环控制。系统在从静止加速到设定转速的过程中,随着供电频率的上升,供电电压也随着上升,并保持供电电压与供电频率的比值不变,这便是所谓的恒压频比,系统稳定运行时,交流感应电机的供电频率保持不变,气隙磁场以设定的恒定同步转速旋转,交流感应电机转速将在滑差范围内随着负载的大小自动变化。永磁同步电机的恒压频比控制方法与交流感应电机的恒压频比控制方法相似,控制电机输入电压的幅值和频率同时变化,从而使电机磁通恒定。它根据系统的给定,利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压进行控制,使电动机以一定的转速运转。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变。