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永磁电机的效率为什么会更高?关于永磁同步电机的10个知识,你知道几个?

2021-08-25 来源: 阅读量:0

导读:永磁同步电机主要由定子、转子和壳体部件构成。与普通交流电机一样,定子铁芯为叠片结构,以减小电动机运行时因涡流和磁滞效应铁耗;绕组通常也为三相对称结构,只是参数选
永磁同步电机主要由定子、转子和壳体部件构成。与普通交流电机一样,定子铁芯为叠片结构,以减小电动机运行时因涡流和磁滞效应铁耗;绕组通常也为三相对称结构,只是参数选取有较大区别。转子部分则形式多样,有带启动鼠笼的永磁转子,也有内嵌式或表贴式纯永磁转子。转子铁芯可以制成实心结构,也可以叠片而成。转子上装有永磁体材料,大家习惯上称之为磁钢。
 
永磁电机正常工作下,转子与定子磁场处于同步状态,转子部分没有感应电流,无转子铜耗和磁滞、涡流损耗,不需要考虑转子损耗发热问题。一般永磁电机为专用变频器供电,天然具有软启动功能。另外,永磁电机属于同步电机,具有同步电机通过励磁强弱调节功率因数的特点,因而功率因数可以设计到规定数值。
 
从起动角度分析,缘于永磁电机由变频电源或配套变频器起动的实际,永磁电机的起动过程实现很容易;与变频电机的起动相似,规避了普通笼型异步电机的起动缺陷。
 
总之,永磁电机的效率和功率因数可以达到很高,结构非常简单,近十几年来市场十分火爆。但是,失磁故障是永磁电机不可回避的问题,当电流过大或温度过高时,会导致电机绕组温度瞬间不断攀升、电流急剧增大,永磁体迅速失磁。在永磁电机控制中,设定了过电流保护装置,避免了电机定子绕组被烧毁的问题,但由此而导致的失磁和设备停运不可避免。
 
相对于其他电机,永磁电机在市场上的应用还不是很普及,无论对于电机制造者还是使用者,都有一些未知的技术盲区,特别是涉及到与变频器的匹配问题,往往会导致设计值与试验数据严重不符,必须反复验证。
 
电机设计过程涉及一些基本考虑因素,对于启动器,应用环境的要求,什么时候需要什么扭矩和速度,多久需要一次?什么是工作循环?温度和压力等环境条件是什么?即使是最高效的电机,如果电机应用错误的领域,其不会发挥最大的效率。许多电动机都用于齿轮电动机、齿轮减速器和电动机的组合。齿轮马达以低速提供高扭矩,简言之,齿轮电机在放大扭矩的同时,会吸收电机功率并降低转速,齿轮电机占空比会影响电机的性能额定值,例如连续的占空比。
 
最佳冷却设计外壳
 
一个冷却较好的马达运转效率更高,为了获得最佳的气流,优化了冷却风扇和风扇罩的设计,确保定子和电机外壳之间的紧密结合提供最佳的冷却性能。电机的电效率提高了很多,但冷却风扇的功率占总损耗的比例更大。冷却风扇尺寸的优化包括使用风扇的最小功率,同时提供足够的冷却。优化的风扇设计可使风扇功率需求降低65%,一个重要的设计特点是叶片和壳体之间的间隙。外壳和风扇叶片之间的空间应尽可能小,以防止湍流和减少回流。
 
选择适合工作速度的低摩擦轴承
 
滚珠或滚柱轴承用于高效电机,它们由一个内外圈和一个包含钢或陶瓷辊或球的保持架组成。外圈与定子相连,内圈与转子相连。当轴旋转时,元件也旋转,并且轴旋转的摩擦力最小化。它们使用寿命长,维护成本低。高精度应用允许最小的气隙。热收缩和热膨胀会影响轴和轴承座的配合以及内部轴承间隙本隙 。功率输出控制轴尺寸和轴承孔。载荷大小和方向决定轴承尺寸和类型。考虑额外的力,如引起磁力拉力的不对称气隙、失衡力、齿轮的节距误差和推力载荷。对于轴承载荷计算,将轴视为支撑在刚性无力矩支架上的梁。滚珠轴承比滚子轴承更适合高速应用。高速因素包括保持架设计、润滑剂、运行精度、间隙、共振频率和平衡。
 
轴承需要最小的负载,因此滚动元件旋转形成润滑膜而不是滑动,这会提高工作温度并降解润滑油。允许最小载荷等于滚珠轴承动态径向载荷额定值的0.01倍。当轴承接近推荐额定值的70%时,这一点尤为重要。了解环境温度范围和正常工作温度范围将有助于确定轴承最有效的润滑方法:润滑油或润滑脂,一般情况下考虑的齿轮电机的正常工作温度范围为-25至40°C。合成润滑脂在各种温度范围内具有良好的性能,润滑脂可以简化维护、清洁、减少泄漏和污染保护。
 
使用高质量的平衡机,高标准和电机运行速度下的平衡
 
当轴心与旋转轴不共存时,会产生噪声和振动,平衡对效率的影响有限,但会影响运行噪音和预期寿命,这对最大限度地利用资源也很重要。轴承振动读数通常在垂直、水平和轴向三个平面上读取。垂直振动可能表明存在安装问题,水平振动可能意味着平衡问题,而轴向振动可能意味着轴承问题。工作转速下的平衡很重要,因为轴承的向心力也可能导致不平衡。
 
转子叠片显示正弦磁场的优化设计
 
具有高性能永磁的同步电机具有正弦磁通分布和电动势,对于分布式绕组,定子绕组通常与异步电机绕组相同,它降低了振动、噪音和维护成本,提高了整体性能。
 
稀土与铁氧体(陶瓷)磁体的选择
 
电机中使用了钕、稀土、钐钴磁铁或铁氧体(陶瓷)磁铁,稀土磁铁的强度是铁氧体或陶瓷永磁体的两到三倍,但价格较贵。钐钴磁铁是高温应用的最佳选择,因为它们具有高能量密度、250至550°C的耐温性、温度升高导致的参数小幅度降低以及氧化保护,选择钐钴或钕作为电机磁铁是根据工作温度、耐腐蚀性和要求的性能。如果加热到80℃以上,低等级的钕磁铁可能开始失去“强度”,高等级的钕磁铁在220℃以下的温度下工作。铁氧体或陶瓷磁铁由于其很强的电阻而得到广泛的认可,退磁性好,耐腐蚀性强,价格低廉。在250°C以上的温度下工作时会发生磁损耗,但当磁铁降到较低的温度时会恢复磁损耗。除非电路设计用于极端情况,否则-40°C的低温可能会导致永磁强度的永久损失。
 
电机需要逆变器
 
逆变器驱动单元在空载运行/静止状态下可以无损耗,通过替换现有的线路供电的三相驱动装置,预计可以节省高达30%的能源。驱动装置的特点使其非常适合驱动连续运行的泵和风扇。不需要额外的组件,比如编码器。高达25%的占地面积允许机器设计更紧凑。电机具有良好的控制性能,并与无传感器驱动控制器单元相结合,即使在低速下也具有出色的真实运行性能,在脉冲负载和速度变化时具有令人印象深刻的动态特性。
 
选择能够提供无传感器操作的逆变器
 
驱动器可以“自我检测”并跟踪转子的永磁位置。这对于电机平稳启动至关重要,同时也允许产生最佳扭矩,从而获得最佳效率。缺少位置或速度传感器降低了成本,提高了驱动系统的可靠性。随着效率的不断提高,对特定电机的控制器设置进行编程以获得最佳效率的重要性越来越重要。
 
永磁同步电机,准确的讲,应该叫异步起动同步运转的永磁电机。这种电机,使用中可以同尺寸代替原来的Y,Y2,Y3等电机。减少了更换过程的麻烦。与普通电机相比,永磁电机有其自己的特点:
 
1、转速恒定,为同步转速。转速较普通电机稍高,比如普通电机4极转速为1400n/min多转,永磁同步电机转速就是1500n/min,丢转少。
 
2、功率因数高。永磁电机在正常运转时,转子转速和定子磁场转速一致,转子磁极采用永磁磁钢,没有电流,定子上感应电流减小,因此功率因数高。可以通过合理的设计,可使其工作在滞后功率因数、单位功率因数和超前功率因数。一般滞后功率因数都可以达到和超过0.95,大量使用永磁电机,可以省去无功功率补偿器等设备。
 
3、效率高,特别是运行效率高。永磁电机正常运转时,由于转子磁极采用永磁体--钕铁硼磁钢,靠永磁体的磁场就可以保证电机的正常运转,因此转子也就没有绕组损耗。转子铁耗也没有,因此效率较普通电机高的多。目前,永磁同步电机一般设计很容易达到GB/T18613-2012版规定的2级能效,甚至达到1级指标;而普通电机,设计达到相应的性能就比较麻烦,这在小功率电机中表现的尤为明显。
 
4、永磁同步电机具有较宽的经济运行范围。普通电机的经济运行范围一般为额定负载的60~100%,低于60%的负载时,电机的效率和功率因数曲线下降很快,运行效率和功率因数很低。而永磁同步电机的经济运行范围远比普通电机宽,不仅在额定负载时效率很高,而且在25~120%额定负载的范围内都有较高的效率,效率曲线比较平滑,变化不大。电机效率基本不低于额定效率的80%。而普通电机在35%额定负载附近效率迅速下降,能低至30~40%。永磁电机在25%的负载时,功率因数也可以达到0.9以上,越轻载功率因数越高;而普通电机从额定负载时的0.85左右迅速下降到0.5以下。
 
5、体积小,重量轻。由于永磁电机转子上应用了稀土永磁材料,损耗低,效率和功率因数高,达到同样的功率,在保证效率和功率因数的基础上,体积可以做的比普通电机小,重量可以轻。这在一些要求小机座号,做大功率的场合,具有普通电机不可比拟的优势。
 
6、堵转转矩倍数高。普通电机堵转转矩倍数一般是额定转矩1.6~2.3倍,而永磁电机的堵转转矩一般可达2.4倍以上,有些规格甚至可达到3.5倍以上。有些场合称永磁电机为“高效高起动转矩永磁同步电机”,在一些设备起动转矩要求高的情况下,很多采用高滑差电机,但效率很低;再者就是增大容量,以增大起动转矩,但实际运行时,负载率很低,效率和功率因数都很低,造成设施和能源的浪费。而使用永磁电机,达到同样的转矩,就可以适当的减小电机容量,永磁电机功率因数和效率都较高,节能效果就很明显。
 
7、可以实现低速高效率。普通电机10极以上的电机很少,不是技术上达不到,而是转速越低,效率做不高,而且机座号做的很大,功率很小,这在以前被认为划不来的事。而永磁电机可以把极数做的很高,异步起动永磁电机有24极的,甚至32极。转速做的很低,可以对一些设备采用直驱,省去减速设施,从节能的角度来讲,这样可以提高效率。而且永磁电机因为转子损耗小,虽然极数高,效率也可以做的很高,节能前景很好。
 
8、永磁电机成本高,加工工艺复杂。由于使用了高性能的稀土永磁材料钕铁硼,所以制造成本较高。永磁体放置在转子内部,设计和安装工艺复杂,也增加了制造成本。当然,随着新技术、新材料、新工艺的不断推陈出新,成本较永磁同步主机刚开始推行要减少的很多。
 
9、永磁电机的起动有自己的特点。一般永磁电机不可以采用降压起动方式,因为普通永磁电机(380V,50HZ),在电压降低到330V时,起动困难,转子抖动厉害。小功率的永磁电机一般采用直接起动的方式。大功率的永磁电机,在变压器容量足够大的情况下,而且对设备机械冲击要求不严的情况下也可以直接起动。否则,建议采用变频器驱动的软起动方式。
 
10、三相交流永磁同步电动机的驱动,可以采用“定子绕组封星”方式,来提供电梯非驱动状态下,制动器失效时的电动机本身所产生的制动电磁转矩,以抑制意外状态下的“快速溜车”,但该连接方式所起到的作用不能与电梯的上行超速保护装置、电梯意外移动的保护装置混淆。

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