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永磁同步电机简介

永磁同步电动机或永磁同步伺服电机(permanent-magnet synchronous motor,缩写:PMSM)是指一种转子用永久磁铁代替绕线的同步电动机。

永磁同步电动机可依磁通方式分为径向、轴向或是横向(transverse)几种,依其元件的布局而定,各种的永磁同步电动机在效率、体积、重量及工作速度都有不同的表现。

径向磁通永磁同步电动机可以分为以下二类:

  • 表面式永磁(SPM)电动机:永久磁铁在转子的外侧。
  • 内藏式永磁(IPM)电动机:永久磁铁在转子的内侧。

表面式永磁电动机
表面式永磁电动机的结构较简单,磁铁是胶合或固定在转子表面,因此没有磁铁部分的转子和定子中间有较宽的气隙,而磁铁的磁导率和空气相当,因此转子的凸极效应(saliency)很小,可以省略。较大的气隙也使得转子的电枢效应减弱,因此其电感 Ld很小,也影响表面式永磁电动机的定子时间常数。

永磁电机

永磁电机并不仅仅永磁同步电机一种,有直流永磁、无刷直流永磁和永磁同步电机三种基本类型。


直流永磁电机

直流永磁电机是将直流电励磁电机或常规意义上的直流电机的励磁绕组和磁极去掉,换成永磁体,其余如电枢、电刷和换向器等主体结构不变。如绝大多数玩具电机、电动剃须刀等,均采用了微型直流永磁电机作为驱动电机,结构十分简单,定子为铁壳内表面黏贴瓦型磁钢,转子为“换向器+电枢”,碳刷、刷架和及接线系统集成在壳体上。与电励磁直流电机相比,直流永磁电机励磁磁场不可调,只能通过调节电枢电压调速。


无刷直流永磁电机

直流永磁电机虽然省却了电励磁系统,由于用“电刷/换向器”机械接触机构,换向火花、电磁干扰、寿命短和可靠性等问题仍然存在,极大限制了其使用范围。

随着微电子器件和电力电子器件方面的进步和发展,电子换向替代机械换向的技术日益成熟,无刷直流永磁电机迅猛发展起来。如日常生活中几乎随处可见的电动摩托车、电动自行车,全部采用了外转子无刷直流永磁电机。


无刷直流永磁电动机和有刷直流电动机

如前所述,无刷直流永磁电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的,二者运行机理相同,但性能方面存在一定差异。

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永磁同步电机的控制

1 引言

近年来,随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展,永磁同步电动机得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比,永磁同步电机,特别是稀土永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永磁同步电动机以永磁体提供励磁,使电动机结构较为简单,降低了加工和装配费用,且省去了容易出问题的集电环和电刷,提高了电动机运行的可靠性;又因无需励磁电流,没有励磁损耗,提高了电动机的效率和功率密度,因而它是近几年研究较多并在各个领域中应用越来越广泛的一种电动机。在节约能源和环境保护日益受到重视的今天,对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述,并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。 [3] 

2 永磁同步电动机的数学模型

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电机故障诊断与维护

故障原因

1.电动机过热

1)、电源方面使电动机过热的原因

电源方面使电动机过热原因有以下几种:

a、电源电压过高

当电源电压过高时,电动机反电动势、磁通及磁通密度均随之增大。由于铁损耗的大小与磁通密度平方成正比,则铁损耗增加,导致铁心过热。而磁通增加,又致使励磁电流分量急剧增加,造成定子绕组铜损增大,使绕组过热。因此,电源电压超过电动机的额定电压时,会使电动机过热。

b、电源电压过低

电源电压过低时,若电动机的电磁转矩保持不变,磁通将降低,转子电流相应增大,定子电流中负载电源分量随之增加,造成绕线的铜损耗增大,致使定、转子绕组过热。

c、电源电压不对称

当电源线一相断路、保险丝一相熔断,或闸刀

起动设备角头烧伤致使一相不通,都将造成三相电动机走单相,致使运行的二相绕组通过大电流而过热,及至烧毁。

d、三相电源不平衡

当三相电源不平衡时,会使电动机的三相电流不平衡,引起绕组过热。由上述可见,当电动机过热时,应首先考虑电源方面的原因。确认电源方面无问题后,再去考虑其他方面因素。

2)、负载使电动机过热的原因

电机的保护

电机保护

电机保护就是给电机全面的保护,即在电机出现过载、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损、定转子偏心、轴向窜动径向跳动时,予以报警或保护;为电动机提供保护的装置是电机保护器,包括热继电器、电子式保护器和智能型保护器,大型和重要电机一般采用智能性保护装置。

差动保护

电动机差动保护具备差动速断保护及带或不带二次谐波制动的复式比率差动保护,最大可用于三侧差流输入的场合(三圈变),具有对一次设备电压电流模拟量和开关量的完整强大的采集功能,配备标准RS485和工业CAN通讯口,并通过合理配置实现三圈主变差动保护、两圈主变差动保护、两圈配变差动保护、发电机差动保护、电动机差动保护及非电量保护等保护和测控功能;

过载保护

微型电动机的线圈通常是由很细的铜丝绕成,耐电流的能力较差。当电机负载较大或电机卡住时,流过线圈的电流会快速增加,同时电机温度急剧升高,铜丝绕阻极易被烧毁。如

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电机的基本结构

三相异步电动机的结构,由定子、转子和其它附件组成

(一)定子(静止部分)

1、定子铁心

作用:电机磁路的一部分,并在其上放置定子绕组。

构造:定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成,在铁心的内圆冲有均匀分布的槽,用以嵌放定子绕组。

定子铁心槽型有以下几种:

半闭口型槽:电动机的效率和功率因数较高,但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。

半开口型槽:可嵌放成型绕组,一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

开口型槽:用以嵌放成型绕组,绝缘方法方便,主要用在高压电机中。

2、定子绕组

作用:是电动机的电路部分,通入三相交流电,产生旋转磁场。

构造:由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成,这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

定子绕组的主要绝缘项目有以下三种:(保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘)。

⑴对地绝缘:定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

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电机的启动方式与调速方法

启动方式

电动机启动方式包括:全压直接启动、自耦减压起动、y-δ 起动、软起动器、变频器。

全压直接起动:

在电网容量和负载两方面都允许全压直接起动的情况下,可以考虑采用全压直接起动。优点是操纵控制方便,维护简单,而且比较经济。主要用于小功率电动机的起动,从节约电能的角度考虑,大于11kw 的电动机不宜用此方法。

自耦减压起动:

利用自耦变压器的多抽头减压,既能适应不同负载起动的需要,又能得到更大的起动转矩,是一种经常被用来起动较大容量电动机的减压起动方式。它的最大优点是起动转矩较大,当其绕组抽头在80%处时,起动转矩可达直接起动时的64%。并且可以通过抽头调节起动转矩。至今仍被广泛应用。

y-δ 起动:

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电动机发明过程

电动机使用了通电导体在磁场中受力的作用的原理(这是不同于电流的磁效应的说法,现行人教版九年级物理明确把二者分开),发现这一原理的的是丹麦物理学家—奥斯特,1777年8月14日生于兰格朗岛鲁德乔宾的一个药剂师家庭。1794年考入哥本哈根大学,1799年获博士学位。1801~1803年去德、法等国访问,结识了许多物理学家及化学家。1806年起任哥本哈根大学物理学教授,1815年起任丹麦皇家学会常务秘书。1820年因电流磁效应这一杰出发现获英国皇家学会科普利奖章。

1829年起任哥本哈根工学院院长。1851年3月9日在哥本哈根逝世。他曾对物理学、化学和哲学进行过多方面的研究。由于受康德哲学与谢林的自然哲学的影响,坚信自然力是可以相互转化的,长期探索电与磁之间的联系。1820年4月终于发现了电流对磁针的作用,即电流的磁效应。同年7月21日以《关于磁针上电冲突作用的实验》为题发表了他的发现。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动,导致了大批实验成果的出现,由此开辟了物理学的新领域──电磁学。