永磁同步電動機設(shè)計原理

永磁同步電動機是交流感應(yīng)電動機的一個日益增長的替代品，幾十年來，交流感應(yīng)電動機幾乎一直是所有電機應(yīng)用的主力軍。保持了交流感應(yīng)電機的可靠性和簡單性，同時提供了更高的效率、同步運行和使用更小框架尺寸的機會。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，使其電阻損耗比交流感應(yīng)電機低得多，因為轉(zhuǎn)子中沒有感應(yīng)電流。為了代替機械換向，需要一個控制系統(tǒng)來確定向哪些線圈提供電流以產(chǎn)生最大扭矩。稀土永磁交流電動機產(chǎn)生的磁場可以提供與交流感應(yīng)電動機相同的轉(zhuǎn)矩，而交流感應(yīng)電動機的電機更小、更輕。

電機設(shè)計過程涉及一些基本考慮因素，對于啟動器，應(yīng)用環(huán)境的要求，什么時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，如果電機應(yīng)用錯誤的領(lǐng)域，其不會發(fā)揮最大的效率。許多電動機都用于齒輪電動機、齒輪減速器和電動機的組合。齒輪馬達(dá)以低速提供高扭矩，簡言之，齒輪電機在放大扭矩的同時，會吸收電機功率并降低轉(zhuǎn)速，齒輪電機占空比會影響電機的性能額定值，例如連續(xù)的占空比。

最佳冷卻設(shè)計外殼

一個冷卻較好的馬達(dá)運轉(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，確保定子和電機外殼之間的緊密結(jié)合提供最佳的冷卻性能。電機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，同時提供足夠的冷卻。優(yōu)化的風(fēng)扇設(shè)計可使風(fēng)扇功率需求降低65%，一個重要的設(shè)計特點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，它們由一個內(nèi)外圈和一個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，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，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型?？紤]額外的力，如引起磁力拉力的不對稱氣隙、失衡力、齒輪的節(jié)距誤差和推力載荷。對于軸承載荷計算，將軸視為支撐在剛性無力矩支架上的梁。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、潤滑劑、運行精度、間隙、共振頻率和平衡。

軸承需要最小的負(fù)載，因此滾動元件旋轉(zhuǎn)形成潤滑膜而不是滑動，這會提高工作溫度并降解潤滑油。允許最小載荷等于滾珠軸承動態(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，這一點尤為重要。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滑方法：潤滑油或潤滑脂，一般情況下考慮的齒輪電機的正常工作溫度范圍為-25至40°C。合成潤滑脂在各種溫度范圍內(nèi)具有良好的性能，潤滑脂可以簡化維護(hù)、清潔、減少泄漏和污染保護(hù)。

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

當(dāng)軸心與旋轉(zhuǎn)軸不共存時，會產(chǎn)生噪聲和振動，平衡對效率的影響有限，但會影響運行噪音和預(yù)期壽命，這對最大限度地利用資源也很重要。軸承振動讀數(shù)通常在垂直、水平和軸向三個平面上讀取。垂直振動可能表明存在安裝問題，水平振動可能意味著平衡問題，而軸向振動可能意味著軸承問題。工作轉(zhuǎn)速下的平衡很重要，因為軸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的優(yōu)化設(shè)計

具有高性能永磁的同步電機具有正弦磁通分布和電動勢，對于分布式繞組，定子繞組通常與異步電機繞組相同，它降低了振動、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，稀土磁鐵的強度是鐵氧體或陶瓷永磁體的兩到三倍，但價格較貴。釤鈷磁鐵是高溫應(yīng)用的最佳選擇，因為它們具有高能量密度、250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，低等級的釹磁鐵可能開始失去“強度”，高等級的釹磁鐵在220℃以下的溫度下工作。鐵氧體或陶瓷磁鐵由于其很強的電阻而得到廣泛的認(rèn)可，退磁性好，耐腐蝕性強，價格低廉。在250°C以上的溫度下工作時會發(fā)生磁損耗，但當(dāng)磁鐵降到較低的溫度時會恢復(fù)磁損耗。除非電路設(shè)計用于極端情況，否則-40°C的低溫可能會導(dǎo)致永磁強度的永久損失。

電機需要逆變器

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

選擇能夠提供無傳感器操作的逆變器

驅(qū)動器可以“自我檢測”并跟蹤轉(zhuǎn)子的永磁位置。這對于電機平穩(wěn)啟動至關(guān)重要，同時也允許產(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)動系統(tǒng)的可靠性。隨著效率的不斷提高，對特定電機的控制器設(shè)置進(jìn)行編程以獲得最佳效率的重要性越來越重要。

結(jié)論

在機器制造過程中選擇合作伙伴時，請記住有兩種選擇電動機電源的方法，要么選擇一個可能或可能不適合特定應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)電機，要么選擇一個合格的電機合作伙伴來設(shè)計和制造一個完全適合應(yīng)用的電機。如果設(shè)計工程師沒有時間或工程資源來設(shè)計自定義版本，或者如果需要快速設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)電機解決方案是合適的。新的模塊化設(shè)計和建造方法使制造工程師能夠獲得價格合理的定制電機，即使是在數(shù)量有限的情況下。無論選擇電機的方法如何，都要通過將性能預(yù)測與測量結(jié)果進(jìn)行比較，不斷改進(jìn)設(shè)計/驅(qū)動系統(tǒng)。

永磁電機退磁的原因

有些人在生活中會遇到電機退磁的情況，下面我們大概說一下永磁電機退磁的原因有哪些？

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150℃，就會導(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，通常在使用時會在表面加環(huán)氧樹脂涂層或電泳、電鍍涂層，如果涂層工藝不合格，使用過程會因為永磁體局部氧化而造成退磁。

3、電機設(shè)計不合理。電機設(shè)計過程中，未考慮完全電機使用環(huán)境，導(dǎo)致實際工作點在退磁曲線拐點以下或者電機內(nèi)部溫升超過150℃等，導(dǎo)致不可逆退磁。

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

5、長期過載運行。電機長期過載運行、會導(dǎo)致溫升過高，超過材料耐熱溫度，從而導(dǎo)致不可逆退磁。

6、磁鋼長期在交流磁場下工作，蔽磁設(shè)計不合理，導(dǎo)致永磁體退磁。

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

永磁電機正在向著四個方面發(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)異的機電一體化產(chǎn)品。永磁電機作為基礎(chǔ)，是21世紀(jì)電機發(fā)展方向的典型代表。

（1）電機的方向發(fā)展：電機驅(qū)動負(fù)載，如全部采用通用電機，在某些情況下，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)不是很合理。如特殊電機特別設(shè)計的根據(jù)不同的負(fù)載特性，如油田抽油機專用節(jié)電率高達(dá)20%的稀土永磁電機等。在專門化的基礎(chǔ)上，專用電機的節(jié)電潛能很大。這對電機工作者也提出較高的要求：他們不僅要研究電機本身，更應(yīng)當(dāng)研究所驅(qū)動負(fù)載的特性，設(shè)計出價格合理，運行可靠，性能先進(jìn)的稀土永磁產(chǎn)品。

（2）向輕型化方向發(fā)展：便攜式光機電一體化產(chǎn)品。永磁電機控制性能好，節(jié)能且體積小，可通過頻率的變化調(diào)速，又容易做成低速直接驅(qū)動等優(yōu)點，在醫(yī)療器械，視聽產(chǎn)品，計算機，數(shù)控機床，電動車輛，航空航天產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來隨著控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，永磁電機技術(shù)會發(fā)展的日趨完善。

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

（4）向機電一體化方向發(fā)展：實現(xiàn)機電一體化的基礎(chǔ)，是開發(fā)各種機電一體化的各種高性能永磁電機，如數(shù)控機床伺服電機，使用電腦VCM的音圈電機，變頻調(diào)速的稀土永磁電機和無刷直流電機是機電一體化的基礎(chǔ)。

責(zé)任編輯：彭菁