1、技术讲课技术讲课时间：2016.12.18地点：电机班组室讲课人：鲍安平讲课内容：三相永磁同步电动机相关知识永磁同步电机的发展概况永磁同步电机的发展概况 国内外对开发高效电动机都很重视。各国学者和研究人员都纷纷致力于高磁场永磁材料，永磁式电动机及其驱动系统的理论和应用研究,取得了卓有成效的研究和开发成果。随着永磁材料工艺的进步和电子电力技术的发展，永磁同步电动机逐渐克服技术难点，逐步占领市场。永磁同步电动机与异步电机比较，有效率高、功率因数接近1、体积小、节能等优势。在当今强调节约、绿色概念的社会，节能和节约材料的永磁同步电机已经在国外蓬勃发展，而在国内电机行业也以惊人的速度在发展。永磁同步电
2、机的发展概况 自20世纪80年代开始，我国学者和研究人员都纷纷致力于高磁场永磁材料，永磁式电动机及其驱动系统的理论和应用研究，并取得了卓有成效的研究和开发成果。国内在高效永磁电机的研究开发方面做了大量的工作，先后有沈阳工业大学、西北工业大学、华中理工大学、清华大学、上海电器科学研究所等相继进行高效永磁电机研制开发，取得许多成果。特别是0.8KW纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%，功率因数高于0.95，节电率高达10%以上，批量生产后获得用户好评。我国已开发的容量较大的有上海电机厂开发的110KW和北京重型电机厂开发的250KW高效钕铁硼永磁同步电动机。首钢机电有限公司电机厂与沈阳工业大学工
3、程院院士唐任远教授合作，历时年共同研制开发了TYX300-4300KW稀土永磁电机,此项目是国家高技术研究发展(863)计划永磁同步电动机的发展 异步起动永磁同步电动机是近年来发展较快的一种永磁同步电机。自20世纪80年代后期起,国内外都有大量学者从事这方面的研究工作。并已将其用于工业生产,经过近10年的发展,尤其是高性能永磁材料钕铁硼的广泛应用,由于其转子损耗下降,电枢激磁电流减小,效率高,在小功率到中等功率场合,有替代鼠笼转子异步电机的趋势。同时,对异步起动永磁同步电动机的研究又具有一定的学术价值,它融合了异步电机与永磁电机的特性。因而,近年来科研人员在结构设计(尤其是转子结构设计)、参数
4、计算、性能分析等方面都做了大量的工作,取得了一定的成绩。本文从异步起动永磁同步电动机的转子结构设计、电机原理设计及性能分析几方面综述国内外异步起动永磁同步电机的发展现状及今后主要的研究方向。永磁同步电机的发展概况 重大项目“钕铁硼电机应用产品开发”(863-Z37-03)增补项目。该电机经北京重型电机厂试验，启动性能、电机效率、功率因数、过载倍数等各项指标都达到预期的良好效果。通过在首钢动力厂二供水车间9泵站方坯二冷系统2#机(47D)号泵位运行，各项主要指标(效率、功率因数、起动、过载)远超过被替代的原JS138-4300KW异步电机，节电效果显著。目前，该电机是国内运行的最大高压永磁电机，
5、而且各项技术指标都超过以往，尤其在中大型永磁电机里的节电率方面体现了较高的水平。永磁同步电机的发展 目前，在我国包括微型特种电机，中小型电动机和大型发电机在内的各类电机都可以采用永磁同步电机。例如，它可适用于汽车、仪表、钟表、计算机外围设备、航空设备、音像设备等。特别“八五”期间，我国不少专业研究单位和工矿企业在调整产品结构，提高产品质量，加速技术开发和全面实现产品国产化的主导思想基础上，大力开展了永磁同步电动机及其驱动系统的实用性的应用研究，取得了相应的开发性成果。随着国民经济和科学技术的发展，特别是高新技术的迅速发展，对电机产品的性能和品种提出了许多的新的要求。从而也为电机产品获得了更大的
6、发展空间。我国许多高校和科研单位自上世纪80年代开始就纷纷开始进行高效率同步电动机的研制，取得了明显的节能效果，0.8kW 纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%。我国已批量生产数控机床用的稀土永磁直流无刷电动机调速比高达l:100000。在我国，1990年生产的各类永磁微型特种电机近7000万台，约占我国微特电机总产量的70%.永磁性材料简述 永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多，性能差别很大，只有全面了解后才能做到设计合理，使用得当。因此，在研究永磁电机之前，首先从设计制造永磁电机的材料需要出发，扼要介绍电机中最常用的几种主要永磁材料。稀土永磁
7、材料 稀土永磁体的磁能积比电磁铁高得多，其磁能量密度已接近超导装置的水平。它的主要用途是用于同步或无刷直流电机。将磁体放入感应电机的转子内，其电机具有很高的效率和功率因数，可作为同步电机使用，也可以作为速度、转矩和效率可控的直流无刷电机使用。现在许多型号的电机，都有自己的功能和用途。在工业先进的国家，使用永磁体占20%左右，我们国家刚刚起步，稀土永磁电机的应用，主要取决于磁体的价格。稀土永磁材料 近几年来，钕铁硼永磁材料的磁性能大幅度高，热稳定性和抗腐蚀性也有了较大的进展，价格也相对有所减低，国内外都出现一个新的应用高潮。我国稀土资源丰富，稀土储存量为世界其他各国存量之和的4倍，稀土矿石和钕铁
8、硼永磁烧结的产量已居世界前列。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用稀土永磁电机，具有重要的意义。稀土永磁材料 在永磁电机产品结构方面，铝镍钴和铁氧体永磁几乎各占一半市场，钕铁硼永磁材料则以优异的磁性能得到迅速发展。铁氧体永磁以廉价的优势占据低档电机的市场。铝镍钴应用市场所占有的比例将相对减少，现有的大部分将被钕铁硼取代。但由于铝镍钴温度稳定性高，在高精度测速电机等信号类型微电机中仍然会占有一席之地。永磁同步电动机由于取消了励磁绕组、集电环和励柜，与普通电励磁同步电动机相比，不仅提高了可靠性和维护性，其效率也有了较大提高；与异步电动机相比，不但效率提高，功率因数也大大改善。因此，研
9、制中型高效稀土永磁同步电动机替代普通异步电动机和电励磁同步电动机，可改变目前我国电能浪费严重的现状，带来可观的节能效果和显著的经济社会效益。稀土永磁材料 我国是稀土大国，稀土储量占世界的80%，研究和开发中型高效稀土永磁同步电动机还可大面积推广应用我国资源丰富的钕铁硼永磁材料，变资源出口为高附加值产品出口，并促进稀土永磁材料行业、电机行业、风机水泵行业和石油化工行业的产品结构调整和更新换代，产生以科技为先导的新的经济增长点，并促进一些重工业行业电机拖动方面的节能改造。稀土永磁电机的研究和开发大致可以分为三个阶段(1)60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发的重点是航空、航天用电
10、机和要求高性能而价格不是主要因数的高科技领域。(2)80年代，特别是1983年出现价格相对较低的铝铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上，稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。稀土永磁电机的研究和开发大致可以分为三个阶段(3)进入90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是铝铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，稀土永磁电机的研究开发进入了一个新的阶段。目前，稀土永磁电机的单台容量已经超1000kW，我国己制成了110kW和250
11、kW的永磁同步电动机，其效率高达95%。德国制成的6相变频电源供电的1095kW稀土永磁同步电动机，与过去用的直流电动机相比，体积减少到60%左右，总损耗降低了20%左右。永磁同步电动机的分类永磁同步电动机的分类 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为公式向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式（常见式）和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机（用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机）和有起动绕组的电动机（即可以用于调速运行又可以在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起
12、动，常称为异步起动永磁同步电机）；按供电电流小型的不同，可分为：方波驱动的永磁同步电动机和正弦波动的永磁同步电动机。主要的原因是由于转子永磁磁极的磁场分别造成的，如图所示(人们为了区分二者，把梯形波驱动的永磁同步电动机称为永磁无刷直流电动机，把正弦波驱动的永磁同步电动机称为永磁同步电动机，除特别说明外，本文按梯形波驱动的永磁同步电动机称为永磁无刷直流电动机，正弦波驱动的永磁同步电动机称为永磁同步电动机方式命名)。图1-2中E为转子磁通所产生的反电动势。永磁同步电机的主要特点和应用永磁同步电机的主要特点和应用 与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机体积量轻、惯性小、响应快、高转矩/
13、惯量比和高速度/重量比，高效和高起动转矩，高功率因数，以及省电和运行可靠等等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航天、国防、工农为生产和日常生活的各个领域。永磁同步电动同与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可达到1、甚至达到容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高2 8个百分点。而且，永磁同步电动机在25%120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电机一般都在转子上设置起动绕组，脸有在某一频率和电压下直接起动的能
14、力，又称为异步起动同步电动机。由于钕铁硼永磁同步电动机价格比同规格的感应电动机贵1倍左右，应用前需进行经济比较分析。目前主要应用于纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机、水泵等。永磁同步电机的主要特点和应用 与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率，简化了结构，实现了无刷化。特别是100 250KW的永磁同步电动机。以110KW 8极电动机为例，其效率高达95%，功率因数为0.916,起动转矩倍数为1.52，永磁体用量为0.15Kg/KW.但是永磁同步电动机制成后难以调节磁场以控制其功率因数和无功功率，需要从其化方面采取措施。随着电力电子技术的发展，和电子器件及
15、变频技术的进步，就磁同步电动机这方面的缺陷已不再限制其发展。永磁同步电动机的总体结构 三相异步起动永磁同步电动机定子冲片及绕组型式与三相感应电机基本相同，转子结构较为复杂。目前多数文献将三相异步起动永磁同电动机结构按照磁极磁路结构的不同分为三大类型：径向式、切向式、混合式等三种结构。转子磁极多数选用具有高的矫顽力、剩磁密度及磁能积的稀土永磁材料。永磁同步电动机的总体结构 永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。定了与普通感应电动机基本相同。也采用叠片结构以减少电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的。也可以用叠片叠城市而面。电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕
16、组的，一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用集中整距绕组，而正弦波永磁同步电动机更常采用分布短距绕组。在一些正弦波电流控制永磁同步电动机中，为了减小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近正弦分布以提高电动机的有关性能，采用了一些非常规绕组。可大减小电动机转矩纹波，提高电动机运行平衡性，为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度是一个非常关键的尺寸，尽管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但是它对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其他性能。此外，气隙长度的大小还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。永磁同步电动机的总体结
17、构 笼型绕组永磁转子铁芯永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的转子磁路结构 永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构。转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。近年来，外转子永磁同步电动机在一些领域得到了广泛的应用。它的主要优点在于电动机转动惯量比常规永磁同步电动机大，且电枢铁心直径可以做得较大，从而提高了在不稳定负载下电动机的效率和输出功率。外转子永磁同步电动机除结构与常规永磁同步电动机有异外，其他均相同。按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、内置式和爪极式。永磁同步电动机的转子磁路结构 表面式转子磁路
18、结构 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁性筒，或在永磁磁极表面包以无续下班比带作保护层。有的调速成永磁同步电动机的永磁磁极用话多矩形小条拼装成瓦片形，能降低电动机的制造成本。表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种。对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近于1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构；而表面插入式转子的相邻两个永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。永磁同步电动机的转子磁路结构 嵌入式永磁转子铁芯、装上转轴的嵌入式
19、永磁转子永磁同步电动机的转子磁路结构1）表面凸出式转子结构 由于其具有结构简单、制造成本较小、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正高强度波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机以至整个传动系统的性能。2）表面插入式转子结构 这种结构可充分得用转子磁路的不对称性所产生的磁阴转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都有较凸出式大。总之，表面式转子磁路结构的制造工艺简单、
20、成本低，应用较为广泛，尤其适宜于矩形波永磁同步电动机。但因转面无法安装起动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电机。永磁同步电动机的转子磁路结构 凸装式永磁转子永磁同步电动机的转子磁路结构 笼型绕组永磁转子、笼型绕组永磁转子 转子与定子、机座等部件进行组装，组装成的整机剖面图永磁同步电动机的转子磁路结构 内置式转子磁路结构 这类结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴可以放置铸铝笼或铜条笼。起阻尼或起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态必能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产
21、生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过长能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。永磁同步电动机的转子磁路结构 1、径向式;该结构的优点是漏磁系数小、转轴上不需采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变等，是一种工艺简单、制造成本低、永磁体利用率高的结构;永磁体轴向插入永磁体糟，并通过隔磁磁桥来限制漏磁通，结构简单，运行可靠，转子机械强度高、近年来应用较为广泛，提供了更大的永磁体空间。2、切向式:该结构的漏磁系数较大，制造工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极距下的磁通由相
22、邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出，此外，采用该结构的永磁同步电动机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的40%，对提高电机的功率密度和扩展恒功率运行范围都是很有利的。永磁同步电动机的转子磁路结构 3、混合式:该结构集中了径向式和切向式的优点，但结构和制造工艺都比较复杂，制造成本也比较高。需要采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于使用铁氧体的永磁同步电动机。其永磁体径向部分和切向部分的磁化方长度相等，也采用隔磁磁桥隔磁.转子依次可为安放永磁体提供更多的空间，空载漏磁系数依次减小，但制造工艺却依次更加复杂，转子的
23、机械强度也依次有所下降。隔磁措施 为不使电机中永磁体的漏磁系数过大而导致永磁材料利用率过低，应注意各种转子 结构的隔磁措施。几种典型的隔磁措施冲片部件称为隔磁磁桥，通过磁桥部位磁通达到饱和来起限制漏磁的作用。隔磁磁桥宽越小，该部位磁阴便越大，越能限制漏磁通。过小将使冲片机械强度变差，并缩短冲模的使用寿命。隔磁磁桥长度也是一个关键尺寸，计算结果表明，如果隔磁磁桥长度不能保证一定的尺寸，即使磁桥宽度小，磁桥的隔磁交果也将明显下降。但当w达到一定的大小后再增加w，隔磁交果不再有明显的变化，而过大的w将使转子机械强度下降，制造成本提高。切向式转子结构的隔磁措施一般采用非磁性转轴或在转轴上加隔磁铜套，这
24、合我得电动机的制造成本增加，制造工艺变得复杂。近年来，有些单位研制了采用空气隔磁加隔磁磁桥的新技术，取得了一定的效果。但是，当电动机容量较大时，这种结构使得转子的机械强度显得不足，电动机可靠性下降。异步起动永磁同步电动机的起动过程 异步起动永磁同步电动机与普通感应电动机一样、在起动过程中也要求具有一定的起动转矩倍数、起动电流倍数和最小转矩倍数。此外还要求电动机具有足够的牵入同步能力。永磁同步电动机由于在转子上安放了永磁体，使得其起动过程比感应电动机更为复杂。电动机从接近同步转速开始到牵入同步过程中，如果电磁转矩足够大，则使电动机升速到超过同步转速，然后又减速，使转子转速围绕同步转速振荡。由于稳
25、态同步转矩的作用，使振荡衰减，转子逐渐牵入同步。这反映在转矩-转速轨迹上为一系列顺时针方向旋转的近似椭圆的曲线，电动机的转差率在接近零的最小值和最大值之间变动。小结 随着永磁材料工艺的发展，和电子电力水平的提高，永磁同步电机成本高、磁路计算复杂等的缺点得以被克服。永磁同步电机与异步电机相比，具有功率因数高、节能、结构简单、质量轻等的优点。在当今提倡节省能源、节省材料的时代趋势下，永磁同步电机成为了电机行业的新趋势。作为我们专门从事电动机检修的检修人员来说。虽然现阶段永磁同步电动机还不普及，但是提前掌握相关知识是非常有必要的。本次讲课内容有所不足，希望大家下来多查阅相关资料。加强学习，掌握相关知识。提高检修水平。谢谢谢谢
