什么是永磁同步电机(详解永磁同步电机原理及优势)

目前我国电动机保有量大、消耗电能大、设备老化且效率较低,已完全进入了更新换代的时期,而永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。

永磁同步电机基本原理

* 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。

* 在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场,可有两种方法:一种是在电机绕组内通入电流来产生磁场,如普通的直流电机、同步电机和异步电机等;另一种是由永磁体来产生磁场,即永磁同步电机。

* 从基本原理来讲:永磁同步电机与传统电励磁同步电机是一样的,其唯一区别在于,传统的电励磁同步电机是通过在励磁绕组中通入电流来产生磁场的,而永磁同步电机是通过永磁体来建立磁场的。由此,引起了两者分析方法上的差异。

什么是永磁同步电机(详解永磁同步电机原理及优势)

永磁同步电机的优势

1、效率高、更加省电

a、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的,从而避免了通过励磁电流来产生磁场导致的励磁损耗(铜耗);

b、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机来说,它在轻载时效率值要高很多,所以这是永磁同步电机在节能方面,相比异步电机最大的一个优势。通常电机在驱动负载时,很少情况是在满功率运行,这是因为:一方面用户在电机选型时,一般是依据负载的极限工况来确定电机功率,而极限工况出现的机会是很少的,同时,为防止在异常工况时烧损电机,用户也会进一步给电机的功率留裕量;另一方面,设计者在设计电机时,为保证电机的可靠性,通常会在用户要求的功率基础上,进一步留一定的功率裕量,这样导致在实际运行的电机90%以上是工作在额定功率的70%以下,特别是在驱动风机或泵类负载,这样就导致电机通常工作在轻载区。对异步电机来讲,其在轻载时效率很低,而永磁同步电机在轻载区仍能保持较高的效率,其效率要高于异步电机20%以上。

c、由于永磁同步电机功率因数高,这样相比异步电机而言其电机电流更小,相应地电机的定子铜耗更小,效率也更高。

d、系统效率高:永磁电机参数,特别是功率参数,不受电机极数的影响。因此便于设计成多极电机(如可以100极以上),这样可以把传统需要通过减速箱来驱动负载的电机,直接做成用永磁同步电机驱动的直驱系统,从而省去了减速箱,提高了传动效率。

2、功率因数高

永磁同步电机在设计时,其功率因数可以调节,甚至可以设计成功率因数等于1,且与电机极数无关。而异步电机随着极数的增加,由于异步电机本身的励磁特点,必然导致功率因数越来越低。如极数为8极电机,其功率因数通常为0.85左右,极数越多,相应功率因数越低,即便是功率因数最高的2极电机,其功率因数也难以达到0.95。而电机的功率因数高有以下几个好处:

a、功率因数高,电机电流小、电机定子铜耗低,则更节能;

b、功率因数高,电机配套的电源如逆变器、变压器等,其容量可以更低,同时其他辅助配套设施如开关、电缆等规格可以更小,相应系统成本便更低。

c、由于永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限制,在电机配套系统允许的情况下,可以将电机的极数设计的更高,相应电机的体积可以做得更小,电机的直接材料成本也更低。

3、电机结构简单灵活

a、由于异步电机转子上需要安装导条、端环或转子绕组,大大限制了异步电机结构的灵活性。而永磁同步电机转子结构设计更为灵活,如对铁路牵引电机,可以将电机转子的磁钢直接安装在机车轮的转轴上,从而省去了减速齿轮箱,结构大为简化;又如永磁风力发电机,电机做成外转子直驱结构,电机的转子与叶轮做成一个整体,随叶轮一起转动,而定子却固定在支撑塔上。

b、由于永磁同步电机参数不受电机极数的限制,便于实现电机直接驱动负载,省去噪音大、故障率高的减速箱,增加了机械传动系统设计的灵活性。

4、可靠性高

从电机本体来对比,永磁同步电机与异步电机的可靠性相当,但由于永磁同步电机结构的灵活性,其可以实现直接驱动负载,省去可靠性不高的减速箱。在某些负载条件下甚至可以将电机设计在其驱动装置的内部,如风力发电直驱装置、石油钻机的绞车驱动装置,从而省去了传统电机的故障率。

5、体积小,功率密度大

永磁同步电机体积小、功率密度大的优势,集中体现在驱动低速大扭矩的负载时。一个是电机的极数的增多,电机体积可以缩小;另一个就是随着电机效率的增高,电机的损耗降低,温升也跟着减小,则在采用相同绝缘等级的情况下,电机的体积可以设计的更小;还有就是电机结构的灵活性,可以省去电机内部许多无效部分,如绕组端部、转子端环等,相应的体积可以更小。

6、起动力矩大、噪音小、温升低

a、永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态,低频时的输出力矩比异步电机大,运行时的噪音也小;

b、永磁同步电机转子无电阻损耗,定子绕组几乎不存在无功电流,因而电机温升低。同体积、同重量的永磁电机功率可提高30%左右,同功率容量的永磁电机体积、重量、所用材料可减少30%。

基于永磁同步电机上述众多优势,特别在目前国家‘节能减排’的大背景下,其应用前景极为广阔。随着永磁体及永磁同步电机控制技术的日益成熟可靠,其应用范围基本上可以覆盖目前应用电机所有领域。

永磁同步电机应用案例

1、电动汽车

伴随汽车工业的急速发展,环保问题也越来越严重。为了解决上述问题,并且大幅改善燃油经济型,毫无疑问就是使用电动汽车。永磁同步电机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点,正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。

什么是永磁同步电机(详解永磁同步电机原理及优势)

2、轨道交通领域

2007年,阿尔斯通公司研发的新一代永磁牵引电机系统的高速AGV列车—V150,创下列车速度世界新纪录574.8km/h。

3、电梯领域

永磁同步电机产生较小的谐波噪声,应用于电梯系统中,可以带来更佳的舒适感。

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4、医疗机械领域

传统高速旋转的整流子电机不仅故障率高,且寿命短、噪声大、无法做消毒处理。用电子换向无刷直流永磁电机可以极大的提高工作可靠性、降低噪声、延长寿命,是开发新一代医疗器械的关键。

什么是永磁同步电机(详解永磁同步电机原理及优势)

5、家电行业领域

由于永磁电机在低运转时效率极高,可以有效的降低频繁启动的损耗,是实现家电节能的较佳技术途径之一。

什么是永磁同步电机(详解永磁同步电机原理及优势)

6、船舶电力推进领域

推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分,永磁同步推进电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠性高、可维护性好等优点,是船舶推进电机的理想选择。

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7、挤出机领域

螺杆驱动电机是挤出机动力系统的重要组成部分,永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、可靠性高、可维护性好等优点,是挤出机驱动电机的理想选择。

什么是永磁同步电机(详解永磁同步电机原理及优势)

永磁同步电机是众多高新技术和高新技术产业的基础,它与电力电子技术和微电子控制技术相结合,可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备,代表了21世纪电机发展的方向。

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