轉(zhuǎn)子疊片顯示正弦磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

永磁同步電動(dòng)機(jī)是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)日益增長(zhǎng)的替代品，幾十年來(lái)，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)幾乎一直是所有電機(jī)應(yīng)用的主力軍。保持了交流感應(yīng)電機(jī)的可靠性和簡(jiǎn)單性，同時(shí)提供了更高的效率、同步運(yùn)行和使用更小框架尺寸的機(jī)會(huì)。用永磁體（通常由稀土金屬合金制成）代替轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)的磁場(chǎng)，使其電阻損耗比交流感應(yīng)電機(jī)低得多，因?yàn)檗D(zhuǎn)子中沒(méi)有感應(yīng)電流。為了代替機(jī)械換向，需要一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)確定向哪些線(xiàn)圈提供電流以產(chǎn)生最大扭矩。稀土永磁交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以提供與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩，而交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電機(jī)更小、更輕。

電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程涉及一些基本考慮因素，對(duì)于啟動(dòng)器，應(yīng)用環(huán)境的要求，什么時(shí)候需要什么扭矩和速度，多久需要一次？什么是工作循環(huán)？溫度和壓力等環(huán)境條件是什么？即使是最高效的電機(jī)，如果電機(jī)應(yīng)用錯(cuò)誤的領(lǐng)域，其不會(huì)發(fā)揮最大的效率。許多電動(dòng)機(jī)都用于齒輪電動(dòng)機(jī)、齒輪減速器和電動(dòng)機(jī)的組合。齒輪馬達(dá)以低速提供高扭矩，簡(jiǎn)言之，齒輪電機(jī)在放大扭矩的同時(shí)，會(huì)吸收電機(jī)功率并降低轉(zhuǎn)速，齒輪電機(jī)占空比會(huì)影響電機(jī)的性能額定值，例如連續(xù)的占空比。

最佳冷卻設(shè)計(jì)外殼

一個(gè)冷卻較好的馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高，為了獲得最佳的氣流，優(yōu)化了冷卻風(fēng)扇和風(fēng)扇罩的設(shè)計(jì)，確保定子和電機(jī)外殼之間的緊密結(jié)合提供最佳的冷卻性能。電機(jī)的電效率提高了很多，但冷卻風(fēng)扇的功率占總損耗的比例更大。冷卻風(fēng)扇尺寸的優(yōu)化包括使用風(fēng)扇的最小功率，同時(shí)提供足夠的冷卻。優(yōu)化的風(fēng)扇設(shè)計(jì)可使風(fēng)扇功率需求降低65%，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是葉片和殼體之間的間隙。外殼和風(fēng)扇葉片之間的空間應(yīng)盡可能小，以防止湍流和減少回流。

選擇適合工作速度的低摩擦軸承

滾珠或滾柱軸承用于高效電機(jī)，它們由一個(gè)內(nèi)外圈和一個(gè)包含鋼或陶瓷輥或球的保持架組成。外圈與定子相連，內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子相連。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，元件也旋轉(zhuǎn)，并且軸旋轉(zhuǎn)的摩擦力最小化。它們使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。高精度應(yīng)用允許最小的氣隙。熱收縮和熱膨脹會(huì)影響軸和軸承座的配合以及內(nèi)部軸承間隙本隙 。功率輸出控制軸尺寸和軸承孔。載荷大小和方向決定軸承尺寸和類(lèi)型?？紤]額外的力，如引起磁力拉力的不對(duì)稱(chēng)氣隙、失衡力、齒輪的節(jié)距誤差和推力載荷。對(duì)于軸承載荷計(jì)算，將軸視為支撐在剛性無(wú)力矩支架上的梁。滾珠軸承比滾子軸承更適合高速應(yīng)用。高速因素包括保持架設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑劑、運(yùn)行精度、間隙、共振頻率和平衡。

軸承需要最小的負(fù)載，因此滾動(dòng)元件旋轉(zhuǎn)形成潤(rùn)滑膜而不是滑動(dòng)，這會(huì)提高工作溫度并降解潤(rùn)滑油。允許最小載荷等于滾珠軸承動(dòng)態(tài)徑向載荷額定值的0.01倍。當(dāng)軸承接近推薦額定值的70%時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。了解環(huán)境溫度范圍和正常工作溫度范圍將有助于確定軸承最有效的潤(rùn)滑方法：潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂，一般情況下考慮的齒輪電機(jī)的正常工作溫度范圍為-25至40°C。合成潤(rùn)滑脂在各種溫度范圍內(nèi)具有良好的性能，潤(rùn)滑脂可以簡(jiǎn)化維護(hù)、清潔、減少泄漏和污染保護(hù)。

使用高質(zhì)量的平衡機(jī)，高標(biāo)準(zhǔn)和電機(jī)運(yùn)行速度下的平衡

當(dāng)軸心與旋轉(zhuǎn)軸不共存時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，平衡對(duì)效率的影響有限，但會(huì)影響運(yùn)行噪音和預(yù)期壽命，這對(duì)最大限度地利用資源也很重要。軸承振動(dòng)讀數(shù)通常在垂直、水平和軸向三個(gè)平面上讀取。垂直振動(dòng)可能表明存在安裝問(wèn)題，水平振動(dòng)可能意味著平衡問(wèn)題，而軸向振動(dòng)可能意味著軸承問(wèn)題。工作轉(zhuǎn)速下的平衡很重要，因?yàn)檩S承的向心力也可能導(dǎo)致不平衡。

轉(zhuǎn)子疊片顯示正弦磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

具有高性能永磁的同步電機(jī)具有正弦磁通分布和電動(dòng)勢(shì)，對(duì)于分布式繞組，定子繞組通常與異步電機(jī)繞組相同，它降低了振動(dòng)、噪音和維護(hù)成本，提高了整體性能。

稀土與鐵氧體（陶瓷）磁體的選擇

電機(jī)中使用了釹、稀土、釤鈷磁鐵或鐵氧體（陶瓷）磁鐵，稀土磁鐵的強(qiáng)度是鐵氧體或陶瓷永磁體的兩到三倍，但價(jià)格較貴。釤鈷磁鐵是高溫應(yīng)用的最佳選擇，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰棵芏取?50至550°C的耐溫性、溫度升高導(dǎo)致的參數(shù)小幅度降低以及氧化保護(hù)，選擇釤鈷或釹作為電機(jī)磁鐵是根據(jù)工作溫度、耐腐蝕性和要求的性能。如果加熱到80℃以上，低等級(jí)的釹磁鐵可能開(kāi)始失去“強(qiáng)度”，高等級(jí)的釹磁鐵在220℃以下的溫度下工作。鐵氧體或陶瓷磁鐵由于其很強(qiáng)的電阻而得到廣泛的認(rèn)可，退磁性好，耐腐蝕性強(qiáng)，價(jià)格低廉。在250°C以上的溫度下工作時(shí)會(huì)發(fā)生磁損耗，但當(dāng)磁鐵降到較低的溫度時(shí)會(huì)恢復(fù)磁損耗。除非電路設(shè)計(jì)用于極端情況，否則-40°C的低溫可能會(huì)導(dǎo)致永磁強(qiáng)度的永久損失。

電機(jī)需要逆變器

逆變器驅(qū)動(dòng)單元在空載運(yùn)行/靜止?fàn)顟B(tài)下可以無(wú)損耗，通過(guò)替換現(xiàn)有的線(xiàn)路供電的三相驅(qū)動(dòng)裝置，預(yù)計(jì)可以節(jié)省高達(dá)30%的能源。驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)使其非常適合驅(qū)動(dòng)連續(xù)運(yùn)行的泵和風(fēng)扇。不需要額外的組件，比如編碼器。高達(dá)25%的占地面積允許機(jī)器設(shè)計(jì)更緊湊。電機(jī)具有良好的控制性能，并與無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)控制器單元相結(jié)合，即使在低速下也具有出色的真實(shí)運(yùn)行性能，在脈沖負(fù)載和速度變化時(shí)具有令人印象深刻的動(dòng)態(tài)特性。

選擇能夠提供無(wú)傳感器操作的逆變器

驅(qū)動(dòng)器可以“自我檢測(cè)”并跟蹤轉(zhuǎn)子的永磁位置。這對(duì)于電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)至關(guān)重要，同時(shí)也允許產(chǎn)生最佳扭矩，從而獲得最佳效率。缺少位置或速度傳感器降低了成本，提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。隨著效率的不斷提高，對(duì)特定電機(jī)的控制器設(shè)置進(jìn)行編程以獲得最佳效率的重要性越來(lái)越重要。

結(jié)論

在機(jī)器制造過(guò)程中選擇合作伙伴時(shí)，請(qǐng)記住有兩種選擇電動(dòng)機(jī)電源的方法，要么選擇一個(gè)可能或可能不適合特定應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，要么選擇一個(gè)合格的電機(jī)合作伙伴來(lái)設(shè)計(jì)和制造一個(gè)完全適合應(yīng)用的電機(jī)。如果設(shè)計(jì)工程師沒(méi)有時(shí)間或工程資源來(lái)設(shè)計(jì)自定義版本，或者如果需要快速設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)解決方案是合適的。新的模塊化設(shè)計(jì)和建造方法使制造工程師能夠獲得價(jià)格合理的定制電機(jī)，即使是在數(shù)量有限的情況下。無(wú)論選擇電機(jī)的方法如何，都要通過(guò)將性能預(yù)測(cè)與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

永磁電機(jī)退磁的原因

有些人在生活中會(huì)遇到電機(jī)退磁的情況，下面我們大概說(shuō)一下永磁電機(jī)退磁的原因有哪些？

1、永磁體材料本身原因引起的退磁。例如，伺服電機(jī)使用的釹鐵硼永磁體，是目前磁性最高的永磁材料，但是其熱穩(wěn)定性差，有些材料的耐熱溫度為150℃，只要溫度超過(guò)150℃，就會(huì)導(dǎo)致不可逆退磁。

2、永磁體材料涂層氧化。例如，釹鐵硼永磁體內(nèi)含有大量的鐵、釹等金屬，表面容易氧化，通常在使用時(shí)會(huì)在表面加環(huán)氧樹(shù)脂涂層或電泳、電鍍涂層，如果涂層工藝不合格，使用過(guò)程會(huì)因?yàn)橛来朋w局部氧化而造成退磁。

3、電機(jī)設(shè)計(jì)不合理。電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，未考慮完全電機(jī)使用環(huán)境，導(dǎo)致實(shí)際工作點(diǎn)在退磁曲線(xiàn)拐點(diǎn)以下或者電機(jī)內(nèi)部溫升超過(guò)150℃等，導(dǎo)致不可逆退磁。

4、使用環(huán)境有誤。例如，電機(jī)不可在高溫下等狀況下使用，但實(shí)際使用環(huán)境溫度過(guò)高或振動(dòng)劇烈，導(dǎo)致電機(jī)磁鋼退磁。

5、長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行。電機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行、會(huì)導(dǎo)致溫升過(guò)高，超過(guò)材料耐熱溫度，從而導(dǎo)致不可逆退磁。

6、磁鋼長(zhǎng)期在交流磁場(chǎng)下工作，蔽磁設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致永磁體退磁。

7、電機(jī)散熱風(fēng)扇故障，散熱不及時(shí)，導(dǎo)致溫升超過(guò)永磁材料耐熱溫度，從而導(dǎo)致退磁。

永磁電機(jī)正在向著四個(gè)方面發(fā)展

作為眾多高新技術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，永磁電機(jī)與微電子控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的結(jié)合能夠制造出許多新型的、性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品。永磁電機(jī)作為基礎(chǔ)，是21世紀(jì)電機(jī)發(fā)展方向的典型代表。

（1）電機(jī)的方向發(fā)展：電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如全部采用通用電機(jī)，在某些情況下，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)不是很合理。如特殊電機(jī)特別設(shè)計(jì)的根據(jù)不同的負(fù)載特性，如油田抽油機(jī)專(zhuān)用節(jié)電率高達(dá)20%的稀土永磁電機(jī)等。在專(zhuān)門(mén)化的基礎(chǔ)上，專(zhuān)用電機(jī)的節(jié)電潛能很大。這對(duì)電機(jī)工作者也提出較高的要求：他們不僅要研究電機(jī)本身，更應(yīng)當(dāng)研究所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的特性，設(shè)計(jì)出價(jià)格合理，運(yùn)行可靠，性能先進(jìn)的稀土永磁產(chǎn)品。

（2）向輕型化方向發(fā)展：便攜式光機(jī)電一體化產(chǎn)品。永磁電機(jī)控制性能好，節(jié)能且體積小，可通過(guò)頻率的變化調(diào)速，又容易做成低速直接驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療器械，視聽(tīng)產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)，數(shù)控機(jī)床，電動(dòng)車(chē)輛，航空航天產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來(lái)隨著控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，永磁電機(jī)技術(shù)會(huì)發(fā)展的日趨完善。

（3）向高性能的方向發(fā)展：現(xiàn)代化設(shè)備的電機(jī)有多種高性能、移動(dòng)電站等自動(dòng)化設(shè)備使用和電機(jī)伺服系統(tǒng)，化纖設(shè)備變頻調(diào)速同步電機(jī)轉(zhuǎn)速精度高，機(jī)器人與稀土永磁伺服電機(jī)比例高，等等。

（4）向機(jī)電一體化方向發(fā)展：實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，是開(kāi)發(fā)各種機(jī)電一體化的各種高性能永磁電機(jī)，如數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)，使用電腦VCM的音圈電機(jī)，變頻調(diào)速的稀土永磁電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。

審核編輯：郭婷