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现今电动机设计所面临的挑战,通常包括对电动机/发电机的转矩、功率、效率、尺寸、重量及其他性能参数进行优化。

对于电动机,可根据特定用途来选择对哪些参数进行优化。几乎所有电动机都是恒速、调速或启停式运转。对更高电能使用效率的日益重视,使得通过调速电子驱动设备来获得更高使用效率,比恒速应用获得了更广泛的使用。在进行实现精确定位性能的运动系统的开发时,通常要求电动机具备较高的峰值转矩及降至零速率时平稳的速率和转矩运动。功率及控制电子器件为包含电动机、驱动及控制元件在内的整个运动控制或机电一体化系统提供了关键部件。

五种常用的电动机类型包括通用有刷直流电动机、可调或开关磁阻电动机、交流感应电动机、电子控制无刷同步或永磁(PM)同步电动机。成熟的通用电动机是一种绕线磁极式电动机,可由交流或直流输入电压驱动。但它的功率较低。具有绕线磁极及PM结构的有刷直流电动机,会因其机械换向系统而使工作寿命受到限制。

新技术的发展主要限于磁阻、感应及无刷永磁同步电动机系统。最近,这三种电机技术的结合也出现了。

永磁电动机

永磁电动机天生具有最高的效率,并在范围宽广的候选新技术领域,领先于其他电机技术。无刷永磁同步电动机(PMSM)有多种名称,例如无刷直流电动机、无刷PMAC电动机及电子控制电动机(ECM)。

现今广泛应用的PMSM电动机,其磁体位于圆筒转子的表面。伺服定位领域的最新产品,正在向圆筒轮辐中嵌入磁体及内部永磁构造发展。这些具有嵌入式磁体的产品,在多种精确定位运动系统中,能极大地增大转矩或减小尺寸及重量。这种伺服电机多用于机械工具、机器人及半导体设备。

轴向磁通电动机

交通运输业(电动自行车、摩托车、汽车)是新PMSM技术的目标。对于磁体位置,两个极好的例子是位于轴向磁通及横向磁通PMSM电动机内部。

轴向磁通PMSM具有独特的圆盘形状,比之常规的圆柱形径向磁通PASM电动机,它能产生更大的转矩。它独特的构造,能与多种车辆驱动轮的中心相匹配。

轴向磁通电动机提供高转矩及低电机轴速,在很多应用中免除了使用昂贵变速箱的需要。混合驱动或电力驱动车辆的重新出现,促进了对用于牵引应用的轴向磁通电动机重新进行技术评估。

主要的轴向磁通结构有两种:内部PM转子置于两个定子绕组之间,及两个转子围绕定子的圆环型。内置PM转子是最常用的结构。运输公司引导着这方面的研究,同时世界各地的对这些类型电动机进行评估、设计及使用的大学教授也写作了很多论文。中国电机公司制造了大量的电动自行车用的轮觳轴向磁通电机。

当今的经济衰退,使公司对轮觳轴向磁通电动机的使用大大减少,但澳大利亚的KLD Energy Technologies公司仍为小型摩托车制造商提供一种5KW型号的轴向磁通轮觳电机。英国阿宾顿的YASA Motors,为使用无槽或yokeless定子的大型车辆开发了一种轴向磁通电机,能实现60Nm(44 磅-英尺) @ 3600 rpm (25 kw)及96%峰值效率。几乎所有的轴向磁通电机都采用高能钕-铁-硼磁体。

一种更独特的轴向磁通PMSM结构是NovaTorque公司的PMSM。这种轴向磁通PMSM的轴向长度大于其径向直径。NovaTorque的转子,将一对由铁酸盐磁体构成的圆锥轮觳组件嵌入在IPM结构的软磁材料中。这种结构,使得低成本的铁酸盐磁极能实现与稀土(钕)磁体相媲美甚至更优越的电机性能。

转子轮觳组件位于转子的每个末端,电动机的磁通线直接(平行于轴)通过定子的轴向磁极。圆锥形转子轮觳表面能产生一个大的间隙面积并因而改善了转矩。Nova Torque的首个产品,以Premium Plus+为商标的3hpPMSM轴向磁通电机,能达到159 磅-英寸 (18 Nm) @ 1800 rpm。NovaTorque的行业目标是用于暖气设备、通风设备及空调制冷产品的风扇、泵以及压缩机。

横向磁通电机

横向磁通电机具有一个复杂的磁路。径向磁通及轴向磁通电动机可用二维FEA模型及更多直接的数学模型来模拟,但横向磁通电机因其磁路为三维,则需三维FEA模型来模拟。它的U字形磁元件围绕着环状的定子绕组。横向磁通电机是1896年由W.M. Morday发明的。但因它复杂的结构和额外的成本,对其先进性能的应用则发展缓慢。钕磁体及软磁复合材料的发展,使瑞士Biilach的Landert Motoren公司开发出了小型横向磁通电机MDD1系列,其额定转矩为3.3 Nm to 10 Nm @ 300 rpm (100-300 W)。它应用于旋转台及其他的工业机械。

韩国的Electric Research Institute (KERI) 具有十多年多种横向磁通电动机的生产史。它的机电一体化团队开发了旋转及线性电动机。材料运输系统的发展已达到1120 lbs-force (5000 N)。横向磁通电机能实现大转矩及高功率密度,但制造成本也较高。目前其使用仍局限于某些特定的场合。

混合圆柱形电动机

径向磁通圆柱形电动机也开发出了新电机技术,这种技术将永磁、可变磁阻及PM集成到交流感应电动机中。QMPower便是各种电机技术结合的最好例子。新的QMPower平行磁路技术(PPMT)将VR和PM技术相结合。两种磁通共用相同的电动机磁元件,一种由两个PM产生,另一种由VR转子-定子绕组结构产生。QM Power宣称,其磁力可增至三倍,使功率密度增长30% 并同样导致效率峰值的增长。这是从100瓦到百千瓦级别的飞跃。

PPMT以包括牵引驱动在内的恒速及变速应用为目标。PPTM能在更高的负载条件下保持高功效。即便采用铁酸盐磁体,也能实现卓越性能。

另一个混合电动机的例子,是直接启动交流感应电动机,它将鼠笼转子与PM磁体笼(通常是铁素体)相结合,极大地改进了交流电动机的功率效率。意大利威尼斯的Lafert Corp.制造出用于工业及商业的直接启动交流电动机系列,可在1 kw 到15 kw之间变化,并具有峰值效率比为5%到8%的增长。

来源 | 今日电机

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