永磁同步电动机的原理与结构详解

近些年永磁同步电动机得到较快发展,其特点是功率因数高、效率高,在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机,其中异步启动永磁同步电动机的性能优越,是一种很有前途的节能电机。

 1 永磁同步电动机

永磁同步电动机的定子

永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样,多为4极形式。图1是安装在机座内的定子铁芯,有24个槽

图1—定子铁芯与机座

电机绕组按3相4极布置,采用单层链式绕组,通电产生4极旋转磁场。图2是有线圈绕组的定子示意图。

图2--同步电动机定子绕组

永磁同步电动机的转子

永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构,转子上安装有永磁体磁极,永磁体在转子中的布置位置有多种,下面介绍几种主要形式。

永磁体转子铁芯仍需用硅钢片叠成,因为永磁同步电动机基本都采用逆变器电源驱动,即使产生正弦波的变频器输出都含有高频谐波,若用整体钢材会产生涡流损耗。

第一种形式:图3左图就是一个安装有永磁体磁极的转子,永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上,称为表面凸出式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图3右图,这是一个4极转子。

图3--表面凸出式永磁转子

根据磁阻最小原理,也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合,利用磁引力拉动转子旋转,于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。

第二种形式:图4中,左图是另一种安装有永磁体磁极的转子,永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面,称为表面嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图4右图,这也是一个4极转子。

图4--表面嵌入式永磁转子

第三种形式:在较大的电机用得较多是在转子内部嵌入永磁体,称为内埋式永磁转子(或称为内置式永磁转子或内嵌式永磁转子),永磁体嵌装在转子铁芯内部,铁芯内开有安装永磁体的槽,永磁体的布置主要方式见图5。在每一种形式中又有采用多层永磁体进行组合的方式。

图5--内埋式永磁转子的形式

下面就径向式布置的转子为例做介绍。图6是转子铁芯,为防止永磁体磁通短路,在转子铁芯还开有隔磁空槽,槽内也可填充隔磁材料。

图6--内埋式永磁转子铁芯

把永磁体插入转子铁芯的安装槽内,见图7左图。磁极的极性与磁通走向见图7右图,可看出隔磁空槽减小漏磁的作用。这是一个4极转子。

图7--内埋式永磁转子磁通

永磁同步电动机

在安装好永磁体的转子铁芯插入转轴,并在转子铁芯两侧安装好散热风扇,见图8。

图8--内埋式永磁转子

把转子插入定子内,安装好端盖,组装成整机,见图9。

图9--永磁同步电动机剖视图

永磁同步电动机不能直接通三相交流的启动,因转子惯量大,磁场旋转太快,静止的转子根本无法跟随磁场启动旋转。永磁同步电动机的电源采用变频调速器提供,启动时变频器输出频率从0开始连续上升到工作频率,电机转速则跟随变频器输出频率同步上升,改变变频器输出频率即可改变电机转速,是一种很好的变频调速电动机。

在电动汽车中广泛采用永磁同步电动机作为驱动动力,图10是网络上的照片,是比亚迪电动大巴的轮边电机,为永磁同步电动机,最大功率90kW。永磁同步电动机已在高铁动车组作为牵引电机使用,功率在600kW以上。

图10 电动大巴永磁同步电动机

 2 异步启动永磁同步电动机

异步启动永磁同步电动机采用变频调速器大大增加了电机成本,在不需要调速的场合,直接用三相交流电供电的方法,在永磁转子上加装笼型绕组。有笼型绕组的永磁转子在接通电源旋转磁场一建立,就会在笼型绕组感生电流,转子就会像交流异步电动机一样启动旋转,当转速接近旋转磁场时就会跟上同步旋转。这就是异步启动永磁同步电动机,是近些年开始普及的节能电机。

为了安装笼型绕组,在转子铁芯叠片圆周上冲有许多安装导电条的槽(孔),槽的形状可为方形、圆形或类似普通转子的嵌线槽,见图11。

图11--笼型绕组永磁转子铁芯

在转子铁芯内部嵌装永磁体,永磁体安装方式为切向式,当然也可以采用其他形式安装。图12左图是切向安装永磁体的笼型绕组转子,这也是一个4极转子,为了防止永磁体的磁通通过转轴短路,在转轴与转子铁芯间加装有隔磁材料,转子的磁通走向见图12右图。

图12--笼型绕组的永磁转子磁通

焊接式笼型转子在转子每个槽内插入铜条,铜条与转子铁芯两端的铜端环焊接形成笼型转子。铸铝式笼型转子与普通交流异步电动机一样采用铸铝方式制作,将熔化的铝液直接注入转子槽内,并同时铸出端环与风扇叶片,在端环上要留插入永磁体的缺口,铸铝式笼型转子是廉价的做法,图13是一个铸铝式笼型转子。

图13--笼型绕组永磁转子

把转子与定子、机座等部件进行组装,组装成的整机剖视图见图14。

图14--异步启动永磁同步电动机剖视图

来源:电机技术及应用

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