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永磁电机的效率为什么会更高?

发布日期:2021-08-24 16:21
信息摘要:
永磁同步电机主要由定子、转子和壳体组成。与普通交流电机一样,定子铁芯采用叠片结构,减少电机运行过程中由于涡流和滞后效应造成的铁损;绕组通常为三相对称结构,但参数的选...
永磁同步电机主要由定子、转子和壳体组成。与普通交流电机一样,定子铁芯采用叠片结构,减少电机运行过程中由于涡流和滞后效应造成的铁损;绕组通常为三相对称结构,但参数的选择差别很大。转子部分有多种形式,有带起动鼠笼的永磁转子和嵌装或表面安装的纯永磁转子。转子铁芯可制成实心结构或叠层结构。转子采用永磁材料,通常称为磁钢。
在永磁电机正常运行时,转子和定子的磁场处于同步状态。转子部分无感应电流,无转子铜损耗、滞回和涡流损耗,无需考虑转子损耗和发热问题。通用永磁电机为专用变频器供电,自然具有软启动功能。另外,永磁电机属于同步电机,具有同步电机通过励磁强度调节功率因数的特点,所以功率因数可以设计到规定值。
从起动角度来看,由于永磁电机是由变频电源或配套的变频器启动的,因此永磁电机的起动过程容易实现;类似于变频电机的起动,避免了普通笼式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很高,结构非常简单,近十年来市场一直很受欢迎。然而,失磁故障是永磁电机不可避免的问题。当电流过大或温度过高时,电机绕组温度会瞬间升高,电流急剧增加,永磁体会迅速失去励磁。在永磁电机的控制中,设置过流保护装置,避免电机定子绕组烧毁,但失去励磁和设备停机是不可避免的。
与其他电机相比,永磁电机在市场上的应用并不是很受欢迎。电机制造商和用户都存在一些未知的技术盲点,尤其是与变频器的匹配,往往导致设计值与试验数据严重不符,须反复验证。
电机的设计过程涉及到一些基本的考虑,如起动器的要求,应用环境,何时需要什么扭矩和转速,以及多久需要一次?什么是工作循环?环境条件是什么,比如温度和压力?即使是电机,如果应用在错误的领域,也不会达到的效率。许多电机与齿轮电机、减速器和电机结合使用。齿轮马达在低速时提供高扭矩。简而言之,减速电机在放大扭矩的同时,吸收电机功率,降低转速。齿轮电机的占空比会影响电机的性能额定值,如连续占空比。
冷却性能好的电机运行效率更高。为了获得风量,对冷却风扇和风扇壳的设计进行了优化,确保定子和电机壳的紧密结合,提供冷却性能。电机的电气效率有了很大的提高,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功率,同时提供足够的冷却。优化后的风机设计可将风机功率需求降低65%。一个重要的设计特征是叶片和壳体之间的间隙。外壳和风扇叶片之间的空间应该尽可能小,以防止紊流和减少回流。
滚珠或滚子轴承用于电机。它们由一个内圈和一个外圈和一个包含钢或陶瓷滚轮或球的保持架组成。外圈与定子连接,内圈与转子连接。当轴旋转时,元件也旋转,使轴旋转时的摩擦小。使用寿命长,维护成本低。高精度应用允许气隙。热收缩和热膨胀会影响轴与轴承座的配合和轴承内部间隙。动力输出控制轴尺寸和轴承孔径。载荷的大小和方向决定了轴承的尺寸和类型。考虑额外的力,如不对称的气隙引起的磁张力,不平衡力,齿轮间距误差和推力负载。在承重计算中,轴被认为是支撑在刚性自由支承上的梁。球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,操作精度,间隙,谐振频率和平衡。
轴承要求小的负荷,因此滚动元件旋转形成润滑膜而不是滑动,这将增加工作温度和降低润滑油。允许载荷等于0.01倍球轴承的动态径向载荷额定值。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有效的润滑方法:润滑油或润滑脂。一般认为齿轮电机的正常工作温度范围为- 25 ~ 40°c。合成润滑脂在各种温度范围内都具有良好的性能。润滑脂可简化维护、清洗,减少泄漏和污染保护。
当轴与转轴不共存时,会产生噪声和振动。平衡对效率的影响是有限的,但它会影响运行噪音和预期寿命,这对利用资源也很重要。轴承振动读数通常在三个平面上取:垂直、水平和轴向。垂直振动可能表明安装问题,水平振动可能意味着平衡问题,轴向振动可能意味着轴承问题。在运行速度下保持平衡是很重要的,因为轴承的向心力也可能导致不平衡。
高性能永磁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相同。降低了振动、噪音和维护成本,提高了整机性能。
电机中使用钕、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2 ~ 3倍,但价格昂贵。钐钴磁铁是高温应用的选择,因为它们具有较高的能量密度,耐250 - 550°C的温度,微小的降低参数引起的温升和氧化保护。电机磁铁可根据工作温度、耐腐蚀性和所需性能选用钐钴或钕。如果加热到80℃以上,低级的钕磁铁可能开始失去“强度”,而钕磁铁在220℃以下的温度下工作。铁氧体或陶瓷磁体因其耐强、退磁性能好、耐腐蚀性强、价格低廉而被广泛认可。在250°C以上的温度下工作时,会发生磁损耗,但当磁体下降到较低的温度时,磁损耗会恢复。除非电路是为条件设计的,否则- 40°C的低温可能会导致永磁体强度的损失。
变频器驱动单元在空载运行/静态状态下均可保持无损。通过更换现有的由该线路供电的三相驱动装置,预计可节省高达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机。不需要额外的组件,如编码器。高达25%的占地面积,使机器设计更加紧凑。该电机具有良好的控制性能,结合无传感器驱动控制器单元,即使在低速下也具有良好的实际运行性能,在脉冲负载和转速变化时具有令人印象深刻的动态特性。
驱动器可以“自我检测”并跟踪转子的永磁体位置。这是必不可少的平稳启动电机,也允许产生扭矩的效率。位置或速度传感器的缺乏降低了成本,并提高了驱动系统的可靠性。随着效率的不断提高,为获得效率,对特定电机的控制器设定进行编程变得越来越重要。
永磁同步电动机,确切地说,应称为异步起动同步永磁电动机。这种电机可替代原y、Y2、Y3等同尺寸的电机使用。减少更换过程的麻烦。与普通电机相比,永磁电机有自己的特点:
1. 速度是恒定的,即同步速度。速度略高于普通电机。例如,普通电机的四极转速在1400N / min以上,而永磁同步电机的转速为1500N / min,具有较小的旋转损耗。
2. 高功率因数。在永磁电机正常运行时,转子转速与定子磁场转速是一致的。转子磁极采用永磁钢,无电流,定子上的感应电流减小,功率因数高。通过合理的设计,可以在滞后功率因数、单位功率因数和超前功率因数下工作。一般滞后功率因数可以达到或超过0.95。永磁电机的广泛应用可以节省无功补偿器等设备。
3.效率高,特别是运行效率高。在永磁电机的正常运行过程中,由于转子的磁极采用了永磁体钕铁硼磁钢,永磁磁场可以保证电机的正常运行,因此转子没有绕组损耗。转子无铁损,效率远高于普通电机。目前,一般设计的永磁同步电机能效可以轻松达到GB / t18613-2012规定的二级,甚至指标;普通电机的设计更难实现相应的性能,这在低功率电机中尤为明显。
4. 永磁同步电机具有广泛的经济运行范围。普通电机的经济运行范围一般为额定负载的60 ~ 100%。当负载低于60%时,电机的效率和功率因数曲线急剧下降,运行效率和功率因数很低。永磁同步电机的经济运行范围比普通电机大得多。它不仅在额定负载下具有较高的效率,而且在25 ~ 120%额定负载范围内也具有较高的效率。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%。普通电机的效率在额定负载接近35%时迅速下降,可低至30 ~ 40%。在25%负载时,永磁电机的功率因数也可以达到0.9以上。负载越轻,功率因数越高;普通电机在额定负载下从约0.85迅速降至0.5以下。
5. 体积小,重量轻。由于在永磁电机的转子上应用稀土永磁材料,损耗低,效率和功率因数高,可以达到相同的功率。在保证效率和功率因数的基础上,可以比普通电机的体积更小,重量更轻。这与普通电机相比具有不可比拟的优势,在某些场合需要小座数和大功率。
6. 锁定转子转矩倍数高。普通电机的锁定转子转矩倍数一般为额定转矩的1.6 ~ 2.3倍,而永磁电机的锁定转子转矩一般可以达到2.4倍以上,有的规格甚至可以达到3.5倍以上。一些领域统称永磁电动机为“高启动转矩的永磁同步电动机”。有些设备在启动转矩高时,很多都采用高转矩电机,但效率很低;而且,增加容量增加启动转矩,但在实际运行中,负荷率很低,效率和功率因数很低,造成设施和能源的浪费。采用永磁电机实现相同转矩可适当降低电机容量。永磁电机功率因数高,效率高,节能效果明显。
7. 速度慢,效率高。超过普通电机10极以上的电机很少,这在技术上也不是不可能的,但是速度越低效率越低,帧数大,功率很小,过去被认为是不经济的。永磁电机的极数可以很高。异步起动永磁电机有24极甚至32极。转速很低。部分设备可采用直接驱动,省去减速设施。从节能的角度来看,这样可以提效。而且,由于永磁电机的转子损耗小,虽然极数高,效率也可以很高,节能前景非常好。
8. 永磁电机成本高,加工工艺复杂。由于采用高性能稀土永磁钕铁硼,制造成本高。永磁体被放置在转子内部,设计和安装过程复杂,制造成本也增加。当然,随着新技术、新材料、新工艺的不断创新,其成本远低于永磁同步主机刚开始时的成本。
9. 永磁电机的起动有其自身的特点。一般永磁电机不能降压启动,因为普通永磁电机(380V, 50Hz)电压降到330V时,启动困难,转子抖动严重。小功率永磁电机通常采用直接启动方式。当变压器容量足够大,对设备的机械冲击要求不严格时,也可以直接启动大功率永磁电机。否则,建议采用变频器驱动的软启动方式
10. 三相交流永磁同步电动机的驱动可以采取“定子绕组明星密封”的模式来提供制动刹车时产生的电磁转矩电动机本身没有电梯的非驾驶状态下,以压制“快速滑动”在事故状态下,但是这种连接方式的作用是不能与电梯的向上超速保护装置连接的,电梯意外动作保护装置是混淆的。
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