三種電機(jī)技術(shù)的結(jié)合——永磁電動機(jī)

來源 | 今日電機(jī)

現(xiàn)今電動機(jī)設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)，通常包括對電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率、效率、尺寸、重量及其他性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 對于電動機(jī)，可根據(jù)特定用途來選擇對哪些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。幾乎所有電動機(jī)都是恒速、調(diào)速或啟停式運轉(zhuǎn)。對更高電能使用效率的日益重視，使得通過調(diào)速電子驅(qū)動設(shè)備來獲得更高使用效率，比恒速應(yīng)用獲得了更廣泛的使用。在進(jìn)行實現(xiàn)精確定位性能的運動系統(tǒng)的開發(fā)時，通常要求電動機(jī)具備較高的峰值轉(zhuǎn)矩及降至零速率時平穩(wěn)的速率和轉(zhuǎn)矩運動。功率及控制電子器件為包含電動機(jī)、驅(qū)動及控制元件在內(nèi)的整個運動控制或機(jī)電一體化系統(tǒng)提供了關(guān)鍵部件。

五種常用的電動機(jī)類型包括通用有刷直流電動機(jī)、可調(diào)或開關(guān)磁阻電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)、電子控制無刷同步或永磁(PM)同步電動機(jī)。成熟的通用電動機(jī)是一種繞線磁極式電動機(jī)，可由交流或直流輸入電壓驅(qū)動。但它的功率較低。具有繞線磁極及PM結(jié)構(gòu)的有刷直流電動機(jī)，會因其機(jī)械換向系統(tǒng)而使工作壽命受到限制。 新技術(shù)的發(fā)展主要限于磁阻、感應(yīng)及無刷永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)。最近，這三種電機(jī)技術(shù)的結(jié)合也出現(xiàn)了。 永磁電動機(jī) 永磁電動機(jī)天生具有最高的效率，并在范圍寬廣的候選新技術(shù)領(lǐng)域，領(lǐng)先于其他電機(jī)技術(shù)。無刷永磁同步電動機(jī)（PMSM）有多種名稱，例如無刷直流電動機(jī)、無刷PMAC電動機(jī)及電子控制電動機(jī)（ECM）。

現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的PMSM電動機(jī)，其磁體位于圓筒轉(zhuǎn)子的表面。伺服定位領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，正在向圓筒輪輻中嵌入磁體及內(nèi)部永磁構(gòu)造發(fā)展。這些具有嵌入式磁體的產(chǎn)品，在多種精確定位運動系統(tǒng)中，能極大地增大轉(zhuǎn)矩或減小尺寸及重量。這種伺服電機(jī)多用于機(jī)械工具、機(jī)器人及半導(dǎo)體設(shè)備。 軸向磁通電動機(jī) 交通運輸業(yè)（電動自行車、摩托車、汽車）是新PMSM技術(shù)的目標(biāo)。對于磁體位置，兩個極好的例子是位于軸向磁通及橫向磁通PMSM電動機(jī)內(nèi)部。 軸向磁通PMSM具有獨特的圓盤形狀，比之常規(guī)的圓柱形徑向磁通PASM電動機(jī)，它能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。它獨特的構(gòu)造，能與多種車輛驅(qū)動輪的中心相匹配。 軸向磁通電動機(jī)提供高轉(zhuǎn)矩及低電機(jī)軸速，在很多應(yīng)用中免除了使用昂貴變速箱的需要。混合驅(qū)動或電力驅(qū)動車輛的重新出現(xiàn)，促進(jìn)了對用于牽引應(yīng)用的軸向磁通電動機(jī)重新進(jìn)行技術(shù)評估。

主要的軸向磁通結(jié)構(gòu)有兩種：內(nèi)部PM轉(zhuǎn)子置于兩個定子繞組之間，及兩個轉(zhuǎn)子圍繞定子的圓環(huán)型。內(nèi)置PM轉(zhuǎn)子是最常用的結(jié)構(gòu)。運輸公司引導(dǎo)著這方面的研究，同時世界各地的對這些類型電動機(jī)進(jìn)行評估、設(shè)計及使用的大學(xué)教授也寫作了很多論文。中國電機(jī)公司制造了大量的電動自行車用的輪觳軸向磁通電機(jī)。 當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)衰退，使公司對輪觳軸向磁通電動機(jī)的使用大大減少，但澳大利亞的KLD Energy Technologies公司仍為小型摩托車制造商提供一種5KW型號的軸向磁通輪觳電機(jī)。英國阿賓頓的YASA Motors，為使用無槽或yokeless定子的大型車輛開發(fā)了一種軸向磁通電機(jī)，能實現(xiàn)60Nm(44 磅-英尺) @ 3600 rpm (25 kw)及96%峰值效率。幾乎所有的軸向磁通電機(jī)都采用高能釹-鐵-硼磁體。 一種更獨特的軸向磁通PMSM結(jié)構(gòu)是NovaTorque公司的PMSM。這種軸向磁通PMSM的軸向長度大于其徑向直徑。NovaTorque的轉(zhuǎn)子，將一對由鐵酸鹽磁體構(gòu)成的圓錐輪觳組件嵌入在IPM結(jié)構(gòu)的軟磁材料中。這種結(jié)構(gòu)，使得低成本的鐵酸鹽磁極能實現(xiàn)與稀土（釹）磁體相媲美甚至更優(yōu)越的電機(jī)性能。 轉(zhuǎn)子輪觳組件位于轉(zhuǎn)子的每個末端，電動機(jī)的磁通線直接（平行于軸）通過定子的軸向磁極。圓錐形轉(zhuǎn)子輪觳表面能產(chǎn)生一個大的間隙面積并因而改善了轉(zhuǎn)矩。Nova Torque的首個產(chǎn)品，以Premium Plus+為商標(biāo)的3hpPMSM軸向磁通電機(jī)，能達(dá)到159 磅-英寸 (18 Nm) @ 1800 rpm。NovaTorque的行業(yè)目標(biāo)是用于暖氣設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備及空調(diào)制冷產(chǎn)品的風(fēng)扇、泵以及壓縮機(jī)。 橫向磁通電機(jī) 橫向磁通電機(jī)具有一個復(fù)雜的磁路。徑向磁通及軸向磁通電動機(jī)可用二維FEA模型及更多直接的數(shù)學(xué)模型來模擬，但橫向磁通電機(jī)因其磁路為三維，則需三維FEA模型來模擬。它的U字形磁元件圍繞著環(huán)狀的定子繞組。橫向磁通電機(jī)是1896年由W.M. Morday發(fā)明的。但因它復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和額外的成本，對其先進(jìn)性能的應(yīng)用則發(fā)展緩慢。釹磁體及軟磁復(fù)合材料的發(fā)展，使瑞士Biilach的Landert Motoren公司開發(fā)出了小型橫向磁通電機(jī)MDD1系列，其額定轉(zhuǎn)矩為3.3 Nm to 10 Nm @ 300 rpm (100-300 W)。它應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)臺及其他的工業(yè)機(jī)械。

韓國的Electric Research Institute (KERI) 具有十多年多種橫向磁通電動機(jī)的生產(chǎn)史。它的機(jī)電一體化團(tuán)隊開發(fā)了旋轉(zhuǎn)及線性電動機(jī)。材料運輸系統(tǒng)的發(fā)展已達(dá)到1120 lbs-force (5000 N)。橫向磁通電機(jī)能實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩及高功率密度，但制造成本也較高。目前其使用仍局限于某些特定的場合。 混合圓柱形電動機(jī) 徑向磁通圓柱形電動機(jī)也開發(fā)出了新電機(jī)技術(shù)，這種技術(shù)將永磁、可變磁阻及PM集成到交流感應(yīng)電動機(jī)中。QMPower便是各種電機(jī)技術(shù)結(jié)合的最好例子。新的QMPower平行磁路技術(shù)(PPMT)將VR和PM技術(shù)相結(jié)合。兩種磁通共用相同的電動機(jī)磁元件，一種由兩個PM產(chǎn)生，另一種由VR轉(zhuǎn)子-定子繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。QM Power宣稱，其磁力可增至三倍，使功率密度增長30% 并同樣導(dǎo)致效率峰值的增長。這是從100瓦到百千瓦級別的飛躍。 PPMT以包括牽引驅(qū)動在內(nèi)的恒速及變速應(yīng)用為目標(biāo)。PPTM能在更高的負(fù)載條件下保持高功效。即便采用鐵酸鹽磁體，也能實現(xiàn)卓越性能。

另一個混合電動機(jī)的例子，是直接啟動交流感應(yīng)電動機(jī)，它將鼠籠轉(zhuǎn)子與PM磁體籠（通常是鐵素體）相結(jié)合，極大地改進(jìn)了交流電動機(jī)的功率效率。意大利威尼斯的Lafert Corp.制造出用于工業(yè)及商業(yè)的直接啟動交流電動機(jī)系列，可在1 kw 到15 kw之間變化，并具有峰值效率比為5%到8%的增長。

原文標(biāo)題：關(guān)注 | 現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的新電機(jī)新應(yīng)用

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