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对永磁电机的探索

2017/10/21  阅读(1785)

  近年来,与原有的直流牵引电机系统相比,永磁电机具有明显优势,其突出优点是体积小,质量轻(其比质量为0.5-1.0kg/Kw)、效率高、基本免维护、调速范围广。
 
  1、永磁电机的概述
 
  在今直流电动机中,用直流电流来产生主极磁场的励磁方式,称为电流励磁;若用永久磁体取代电流励磁,以产生主极磁场,则此种电机称为永磁电动机。
 
  在许多情况下可以实现无刷化,因此其多为小型和微型电动机所采用。采用变频电源供电时,永磁电动机亦可用于调速传动系统。随着永磁材料性能的不断提高和完善永磁电动机已在家用电器、医疗器械、汽车、航空和国防等各个领域内获得了广泛的应用。
 
  永磁电动机的不足之处是,若使用不当,在过高温度或过低温度下工作时,在冲击电流所产生的电枢反应作用下,或者在剧烈的机械振动下.有可能产生不可逆的退磁,使电动机的性能下降,甚至无法使用。因此,使用永磁电动机时应特别予以注意。
 
  2、永磁发电机的优点
 
  2.1中、低速发电性能好
 
  功率等级相同的情况下,怠速时,永磁式发电机要比励磁式发电机的输出功率高一倍,也就是说,永磁式发电机的实际等功率等级的励磁式发电机。
 
  2.2结构简单、可靠性高
 
  永磁式发电机省去了励磁式发电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构,整机结构简单,避免了励磁式发电机励磁绕组易烧毁、断线,碳刷、滑环易磨损等故障,可靠性大为提高。
 
  2.3能显著地延长蓄电池寿命,减少蓄电池维护工作
 
  主要原因是永磁式发电机采用的是开关式的整流稳压方式,稳压精度高,充电效果好。避免了过电流充电造成的蓄电池寿命缩短。永磁式发电机的开头式整流输出对蓄电池采用小电流脉冲充电,相同的充电电流充电效果更好,从而延长蓄电池的使用寿命。
 
  2.4体积小、重量轻、比功率大
 
  永磁转子结构的采用,使得发电机内部结构设计排列得很紧凑,体积、重量大为减少。永磁转子结构的简化,还使得转子转动惯量减少,实用转速增加,比功率(即功率、体积之比例)达到一个很高的值。
 
  2.5采用自启动式稳压器
 
  无需外加励磁电源。发电机只要一旋转就能发电。当蓄电池损坏时,只要发动机处于运行状态,汽车充电系统仍可工常工作。如汽车没有蓄电池,只要摇转手把或溜车,也可实现点火运行。
 
  2.6效率高
 
  永磁式发电机是一种节能产品。永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗,使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在1500转/分至6000转/分之间的转速范围内平均效率只有45%至55%,而永磁式发电机则可高达75%至80%。
 
  2.7无无线电干扰
 
  永磁发电机无碳刷、无滑环的结构,消除了碳刷与滑环磨擦产生的无线电干扰;消除了电火花,特别适合于爆炸性危险程度较大的环境下工作,也降低了发电机对环境温度的要求。
 
  2.8特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作。
 
  3、永磁电机的发动原理
 
  3.1磁路结构和设计计算
 
  永磁体在电机中既是磁源,又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关,还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关,具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性,使计算结果的准确度低于电励磁发电机。因此,必须建立新的设计概念,重新分析和改进磁路结构和控制系统;必须应用现代设计方法,研究新的分析计算方法,以提高设计计算的准确度;必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。
 
  3.2控制问题
 
  永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场,但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。但是,随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展,永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料,电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来,使永磁发电机在崭新的工况下运行。
 
  3.3成本问题
 
  由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵,稀土永磁发电机的成本一般比电励磁式发电机高,但这个成会在电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中会根据具体使用的场合和要求,进行性能、价格的比较,并进行结构的创新和设计的优化,以降低制造成本。无可否认,现正在开发的产品成本价格比目前通用的发电机略高,但是我们相信,随着产品更进一步的完美,成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI(德尔福)公司的技术部负责人认为:“顾客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发电机的市场前景不会被成本问题困扰。
 
  3.4不可逆退磁问题
 
  如果设计和使用不当,永磁发电机在温度过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)时,在冲击电流chan生的电枢反应作用下,或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁,或叫失磁,使电机性能降低,甚至无法使用。因而,既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置,又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力,以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电机不会失磁。
 
  4、永磁电机的新发展
 
  1993年美国能源部、商务部、贸易部、国防部、环保局、宇航局、国家科学基金会七个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司,克莱斯勒、福特和通用,建立了新一代车辆伙伴关系,目标是开发新一代机动车技术,以增强美国汽车工业的实力。1998年至2002年期间,美国国家自然科学基金(NSF)资助美国国家电力电子中心(由美国Virginia和美国Wisconsin等四所大学组建)研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统和各种车辆专用IC模块,提高汽车电子电气部件的可靠性,降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点,增强在国际市场的竞争力。线控的汽车电子伺服系统(X-by-wire)在未来将是十分重要的技术,该技术可将各种独立的系统(如转向、制动、悬挂等)集成到一起由计算机调控,使汽车的操纵性、安全性以及汽车的总体结构大大改善,设计的灵活度也大大增加。目前,电子动力方向盘和线控刹车已经在一些欧洲车型上被采用,在这个系统中已经削减了相当多的机械部件,如液压泵等。汽车电子伺服技术是具有革命性的技术,随着这个技术的使用,许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失,而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。
 
  全球最大的汽车零部件企业一美国德尔福汽车系统公司预计,在未来的3-5年内全世界的汽车将逐步采用电子伺服驱动系统,如电子动力方向盘和线控刹车伺服驱动系统。目前,美国德尔福汽车系统公司正在全球范围内寻找年产300万台以上的电子动力方向盘的交流伺服电机合作伙伴。


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