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超超高效同步磁阻电机需要知道的事项

发布时间:

2021/09/15 00:00

内置永磁同步磁阻电机。在上文中,我们提到交流电机主要有永磁同步电机、感应异步电机、磁阻电机。其中,磁阻电机在乘用车上应用很少,因此我们没有详细介绍。磁阻电机与永磁同步电机的主要区别在于,转子内没有永磁体,没有磁场,完全依靠定子磁场,基于产生转矩。磁阻电机几乎没有反电动势、弱磁控制等问题,但是转矩较小、脉动较大,在一定程度上与永磁同步电机互补,扩展了电动机的区间。

无永磁同步开关磁阻电机。开关磁阻电机或者同步磁阻电机这是一种无永磁。传统电机的转矩或者说电机功率是由永磁转矩,加上磁阻转矩组成的。其中永磁转矩就是由永磁体提供的这个转矩。那现在永磁体价格是特别贵,无永磁就是把永磁体去掉,不要这个永磁转矩,但是可以通过某些设计来扩大磁阻转矩以达到和这个永磁电机相近的一个性能。这是低成本的一个技术路径,同时不受永磁体温度的限制,所以转子可以温度非常高。它的缺点是功率一般会小于永磁电机,所以为其配套的电机驱动器的成本会增加,还有就是噪音的问题。所以无永磁电机一般适用于性能并不敏感,但是成本敏感的场景,比如说中低端小型车。

因此,考虑开展混合式永磁磁阻电机的设计,即在永磁磁阻电机的转子磁路结构中,使用铁氧体永磁体和钕铁硼稀土永磁体两种材料,提升电机永磁转矩比例,进而提升永磁同步电机的转矩密度。同时,利用铁氧体与钕铁硼温度系数相反的特性,提高该类电机高温下的性能,降低退磁风险。

磁障的永磁同步磁阻电机,磁障中不插入永磁体时可视为同步磁阻电机来进行分析,其形与形磁障结构及转子磁密分布如图2所示。

答:同步磁阻电机与异步电机相比,主要有以下几方面的不同:一是同步磁阻电机比异步电机能效高,这是同步磁阻电机替代异步电机的驱动力;二是同步磁阻电机目前处于市场推广期,产品制造成本较高,在原材料方面,国内稀土资源丰富,随着产品规模化生产,未来存在一定的降本空间;在技术方面,国内外水平相近,目前部分国产的同步磁阻电机在风机、水坝等行业有应用;三是同步磁阻电机需要配变频器驱动,而部分异步电机可以不用变速器驱动,如果同步磁阻电机大批量替代异步电机,对变频器会是一个刚性需求市场。

同步磁阻电机VS工业宠儿——永磁同步电机:转子上没有永磁体,成本更低,解决了无弱磁难和失磁问题,长期使用,效率更稳定,在体积与重量没有严格要求的场合可完全替代永磁同步电机。

结合同步磁阻电机的研究成果分析可知,对于中小型永磁磁阻电机,其转子磁障层数为二层或三层较为合理。如果继续增加磁障层数,一方面电机加工工艺难度增加;另一方面因磁路饱和程度加剧,磁体的利用率将下降,对电机输出转矩提升的辅助作用有限。如果减少为单层磁障,与普通永磁电机相似,很难大幅度提升电机的凸极性,进而较好地利用电机的磁阻转矩。因此,本文以二层及三层磁障结构为例,对电机磁障结构开展分析研究,总结各结构参数对相同体积下,电机输出转矩能力的影响程度,进而得到相应的设计方法。

内置永磁同步磁阻电机。在上文中,我们提到交流电机主要有永磁同步电机、感应异步电机、磁阻电机。其中,磁阻电机在乘用车上应用很少,因此我们没有详细介绍。磁阻电机与永磁同步电机的主要区别在于,转子内没有永磁体,没有磁场,完全依靠定子磁场,基于产生转矩。磁阻电机几乎没有反电动势、弱磁控制等问题,但是转矩较小、脉动较大,在一定程度上与永磁同步电机互补,扩展了电动机的区间。

除此之外,电机磁障的极弧系数对输出转矩也有着较为明显的影响。在永磁体长度随之改变的情况下,极弧系数增大,永磁体用量增多,电机永磁转矩则明显增大,电机的总输出转矩进而增大。因其结论与同步磁阻电机一致,在此不做赘述。

由于转子上没有鼠笼导条、磁钢,且转子冲片大面积的磁障开槽,使得同步磁阻电机转子具有较小的转动惯量。相同规格下,同步磁阻电机转动惯量仅为异步电机的30%左右,对于加速响应能力要求较高的场合,如挤塑机,可显著降低电机过载倍数要求,降低变频器电流模块规格,节约用户成本,同时加快生产效率。

混合式永磁同步电机中,钕铁硼永磁体作为辅助提升功率密度的手段,一般仅在层磁障中少量使用,设计中应优先调整磁障结构参数,以提升磁阻转矩占比。

由式(1)可见,永磁同步电机的输出转矩有两个分量:个分量是电机的永磁转矩Tm,表征了电机永磁体励磁磁链所产生的转矩;第二个分量为电机的磁阻转矩Tr,表征了因电机交直轴磁路结构不对称所产生的转矩。

对于同步磁阻电机而言,较为常见的转子磁路结构可分为形磁路结构和形磁路结构两大类别。本文利用同步磁阻电机的设计方法,在保证形和形磁障结构的极弧系数、磁障深度、磁障宽度等参数一致的前提下,优化两个方案的输出转矩,两者输出同样的转矩时,考察两者的磁密分布。

江苏经纬轨道全新一代永磁同步牵引系统采用混合磁阻牵引电机。与其他永磁电机相比,该牵引电机创新应用了多层磁路结构,进一步提升了永磁电机效率,拥有广域的特点:其效率可达97.5%,且效率大于90%的区域占整个区域的88%。并且由于电机磁阻转矩占比较高,其反电势更低,提升了永磁电机运行性;与同类电机相比永磁体使用量更少,减少了对稀土材料的消耗。

图1展示了永磁磁阻电机的典型结构。磁障类似于常规永磁电机的磁钢槽,永磁体置于磁障之中,为提高磁阻转矩的利用率,同步磁阻电机的磁障一般设计为多层结构。本文定义靠近气隙的磁障为层磁障,磁障径向宽度W为磁障宽度,为简化分析,本文设定每层磁障的宽度一致,由一层至三层的磁障宽度分别为W1,W2,W3。定义两层磁障之间硅钢片区域为磁障间隔,其宽度为磁障间隔宽度,每层磁障间隔宽度一致,由一层磁障至三层磁障之间分别为H1,H2。定义转子圆心到磁障中间段下沿的距离为磁障深度D,由一层到三层的磁障深度分别为D1,D2,D3。

步磁阻电机成本低,相较开关磁阻电机成本可以下降30%左右。同步磁阻电机跟普通电机价格相当,但是效率高5%。

根据国家的战略目标,高能效标准的电机及其控制系统的研发已经迫在眉睫。目前节能电机的主要技术路线是交流异步电机和永磁同步电机。交流异步电机功率密度和电机效率偏低,永磁同步电机制造成本较高,且有不可逆退磁的风险。同步磁阻电机结构简单,可靠性高、制造成本低,功率密度和效率虽略低于永磁电机,但显著高于异步电机,且不使用永磁体,不存在退磁风险,是电机的发展方向。未来,同步磁阻电机将与永磁同步电机、异步电机将三足鼎立。

通过将永磁体植入转子,彻底励磁电流,转子损耗。当电机的三相定子绕组通入三相交流电后,将产生一个同步旋转磁,与转子永磁磁场相互作用,驱动电机旋转进行能量转换,降低电机运转时的损耗。同时转子不产生铁损耗和涡流损耗,降低了电机自身损耗,提高功率因素使得定子电流减小,定子绕组电阻损耗减小,从而达到提率,节能降耗目的。

工程师认为,由于永磁同步电机对永磁体的依赖程度较高,而永磁体的价格又受稀土价格的影响,一些不依赖稀土材料,同时又能达到与永磁同步电机相同性能要求的电机受到市场欢迎。因此开关磁阻电机、同步磁阻电机也开始推出来。电机应用逐渐往更、更节能的方向转变。

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