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永磁電機的效率為什么會更高?

發布日期:2021-08-24 16:21
信息摘要:
永磁同步電機主要由定子、轉子和殼體組成。與普通交流電機一樣,定子鐵芯采用疊片結構,減少電機運行過程中由于渦流和滯后效應造成的鐵損;繞組通常為三相對稱結構,但參數的選...
永磁同步電機主要由定子、轉子和殼體組成。與普通交流電機一樣,定子鐵芯采用疊片結構,減少電機運行過程中由于渦流和滯后效應造成的鐵損;繞組通常為三相對稱結構,但參數的選擇差別很大。轉子部分有多種形式,有帶起動鼠籠的永磁轉子和嵌裝或表面安裝的純永磁轉子。轉子鐵芯可制成實心結構或疊層結構。轉子采用永磁材料,通常稱為磁鋼。
在永磁電機正常運行時,轉子和定子的磁場處于同步狀態。轉子部分無感應電流,無轉子銅損耗、滯回和渦流損耗,無需考慮轉子損耗和發熱問題。通用永磁電機為專用變頻器供電,自然具有軟啟動功能。另外,永磁電機屬于同步電機,具有同步電機通過勵磁強度調節功率因數的特點,所以功率因數可以設計到規定值。
從起動角度來看,由于永磁電機是由變頻電源或配套的變頻器啟動的,因此永磁電機的起動過程容易實現;類似于變頻電機的起動,避免了普通籠式異步電機的起動缺陷。
總之,永磁電機的效率和功率因數可以很高,結構非常簡單,近十年來市場一直很受歡迎。然而,失磁故障是永磁電機不可避免的問題。當電流過大或溫度過高時,電機繞組溫度會瞬間升高,電流急劇增加,永磁體會迅速失去勵磁。在永磁電機的控制中,設置過流保護裝置,避免電機定子繞組燒毀,但失去勵磁和設備停機是不可避免的。
與其他電機相比,永磁電機在市場上的應用并不是很受歡迎。電機制造商和用戶都存在一些未知的技術盲點,尤其是與變頻器的匹配,往往導致設計值與試驗數據嚴重不符,須反復驗證。
電機的設計過程涉及到一些基本的考慮,如起動器的要求,應用環境,何時需要什么扭矩和轉速,以及多久需要一次?什么是工作循環?環境條件是什么,比如溫度和壓力?即使是電機,如果應用在錯誤的領域,也不會達到的效率。許多電機與齒輪電機、減速器和電機結合使用。齒輪馬達在低速時提供高扭矩。簡而言之,減速電機在放大扭矩的同時,吸收電機功率,降低轉速。齒輪電機的占空比會影響電機的性能額定值,如連續占空比。
冷卻性能好的電機運行效率更高。為了獲得風量,對冷卻風扇和風扇殼的設計進行了優化,確保定子和電機殼的緊密結合,提供冷卻性能。電機的電氣效率有了很大的提高,但冷卻風扇的功率占總損耗的比例更大。冷卻風扇尺寸的優化包括使用風扇的功率,同時提供足夠的冷卻。優化后的風機設計可將風機功率需求降低65%。一個重要的設計特征是葉片和殼體之間的間隙。外殼和風扇葉片之間的空間應該盡可能小,以防止紊流和減少回流。
滾珠或滾子軸承用于電機。它們由一個內圈和一個外圈和一個包含鋼或陶瓷滾輪或球的保持架組成。外圈與定子連接,內圈與轉子連接。當軸旋轉時,元件也旋轉,使軸旋轉時的摩擦小。使用壽命長,維護成本低。高精度應用允許氣隙。熱收縮和熱膨脹會影響軸與軸承座的配合和軸承內部間隙。動力輸出控制軸尺寸和軸承孔徑。載荷的大小和方向決定了軸承的尺寸和類型??紤]額外的力,如不對稱的氣隙引起的磁張力,不平衡力,齒輪間距誤差和推力負載。在承重計算中,軸被認為是支撐在剛性自由支承上的梁。球軸承比滾子軸承更適合高速應用。高速因素包括保持架設計,潤滑劑,操作精度,間隙,諧振頻率和平衡。
軸承要求小的負荷,因此滾動元件旋轉形成潤滑膜而不是滑動,這將增加工作溫度和降低潤滑油。允許載荷等于0.01倍球軸承的動態徑向載荷額定值。當軸承接近推薦額定值的70%時,這一點尤為重要。了解環境溫度范圍和正常工作溫度范圍將有助于確定軸承有效的潤滑方法:潤滑油或潤滑脂。一般認為齒輪電機的正常工作溫度范圍為- 25 ~ 40°c。合成潤滑脂在各種溫度范圍內都具有良好的性能。潤滑脂可簡化維護、清洗,減少泄漏和污染保護。
當軸與轉軸不共存時,會產生噪聲和振動。平衡對效率的影響是有限的,但它會影響運行噪音和預期壽命,這對利用資源也很重要。軸承振動讀數通常在三個平面上取:垂直、水平和軸向。垂直振動可能表明安裝問題,水平振動可能意味著平衡問題,軸向振動可能意味著軸承問題。在運行速度下保持平衡是很重要的,因為軸承的向心力也可能導致不平衡。
高性能永磁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相同。降低了振動、噪音和維護成本,提高了整機性能。
電機中使用釹、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2 ~ 3倍,但價格昂貴。釤鈷磁鐵是高溫應用的選擇,因為它們具有較高的能量密度,耐250 - 550°C的溫度,微小的降低參數引起的溫升和氧化保護。電機磁鐵可根據工作溫度、耐腐蝕性和所需性能選用釤鈷或釹。如果加熱到80℃以上,低級的釹磁鐵可能開始失去“強度”,而釹磁鐵在220℃以下的溫度下工作。鐵氧體或陶瓷磁體因其耐強、退磁性能好、耐腐蝕性強、價格低廉而被廣泛認可。在250°C以上的溫度下工作時,會發生磁損耗,但當磁體下降到較低的溫度時,磁損耗會恢復。除非電路是為條件設計的,否則- 40°C的低溫可能會導致永磁體強度的損失。
變頻器驅動單元在空載運行/靜態狀態下均可保持無損。通過更換現有的由該線路供電的三相驅動裝置,預計可節省高達30%的能源。驅動裝置的特點使其非常適合驅動連續運行的泵和風機。不需要額外的組件,如編碼器。高達25%的占地面積,使機器設計更加緊湊。該電機具有良好的控制性能,結合無傳感器驅動控制器單元,即使在低速下也具有良好的實際運行性能,在脈沖負載和轉速變化時具有令人印象深刻的動態特性。
驅動器可以“自我檢測”并跟蹤轉子的永磁體位置。這是必不可少的平穩啟動電機,也允許產生扭矩的效率。位置或速度傳感器的缺乏降低了成本,并提高了驅動系統的可靠性。隨著效率的不斷提高,為獲得效率,對特定電機的控制器設定進行編程變得越來越重要。
永磁同步電動機,確切地說,應稱為異步起動同步永磁電動機。這種電機可替代原y、Y2、Y3等同尺寸的電機使用。減少更換過程的麻煩。與普通電機相比,永磁電機有自己的特點:
1. 速度是恒定的,即同步速度。速度略高于普通電機。例如,普通電機的四極轉速在1400N / min以上,而永磁同步電機的轉速為1500N / min,具有較小的旋轉損耗。
2. 高功率因數。在永磁電機正常運行時,轉子轉速與定子磁場轉速是一致的。轉子磁極采用永磁鋼,無電流,定子上的感應電流減小,功率因數高。通過合理的設計,可以在滯后功率因數、單位功率因數和超前功率因數下工作。一般滯后功率因數可以達到或超過0.95。永磁電機的廣泛應用可以節省無功補償器等設備。
3.效率高,特別是運行效率高。在永磁電機的正常運行過程中,由于轉子的磁極采用了永磁體釹鐵硼磁鋼,永磁磁場可以保證電機的正常運行,因此轉子沒有繞組損耗。轉子無鐵損,效率遠高于普通電機。目前,一般設計的永磁同步電機能效可以輕松達到GB / t18613-2012規定的二級,甚至指標;普通電機的設計更難實現相應的性能,這在低功率電機中尤為明顯。
4. 永磁同步電機具有廣泛的經濟運行范圍。普通電機的經濟運行范圍一般為額定負載的60 ~ 100%。當負載低于60%時,電機的效率和功率因數曲線急劇下降,運行效率和功率因數很低。永磁同步電機的經濟運行范圍比普通電機大得多。它不僅在額定負載下具有較高的效率,而且在25 ~ 120%額定負載范圍內也具有較高的效率。效率曲線比較平滑,變化不大。電機效率基本不低于額定效率的80%。普通電機的效率在額定負載接近35%時迅速下降,可低至30 ~ 40%。在25%負載時,永磁電機的功率因數也可以達到0.9以上。負載越輕,功率因數越高;普通電機在額定負載下從約0.85迅速降至0.5以下。
5. 體積小,重量輕。由于在永磁電機的轉子上應用稀土永磁材料,損耗低,效率和功率因數高,可以達到相同的功率。在保證效率和功率因數的基礎上,可以比普通電機的體積更小,重量更輕。這與普通電機相比具有不可比擬的優勢,在某些場合需要小座數和大功率。
6. 鎖定轉子轉矩倍數高。普通電機的鎖定轉子轉矩倍數一般為額定轉矩的1.6 ~ 2.3倍,而永磁電機的鎖定轉子轉矩一般可以達到2.4倍以上,有的規格甚至可以達到3.5倍以上。一些領域統稱永磁電動機為“高啟動轉矩的永磁同步電動機”。有些設備在啟動轉矩高時,很多都采用高轉矩電機,但效率很低;而且,增加容量增加啟動轉矩,但在實際運行中,負荷率很低,效率和功率因數很低,造成設施和能源的浪費。采用永磁電機實現相同轉矩可適當降低電機容量。永磁電機功率因數高,效率高,節能效果明顯。
7. 速度慢,效率高。超過普通電機10極以上的電機很少,這在技術上也不是不可能的,但是速度越低效率越低,幀數大,功率很小,過去被認為是不經濟的。永磁電機的極數可以很高。異步起動永磁電機有24極甚至32極。轉速很低。部分設備可采用直接驅動,省去減速設施。從節能的角度來看,這樣可以提效。而且,由于永磁電機的轉子損耗小,雖然極數高,效率也可以很高,節能前景非常好。
8. 永磁電機成本高,加工工藝復雜。由于采用高性能稀土永磁釹鐵硼,制造成本高。永磁體被放置在轉子內部,設計和安裝過程復雜,制造成本也增加。當然,隨著新技術、新材料、新工藝的不斷創新,其成本遠低于永磁同步主機剛開始時的成本。
9. 永磁電機的起動有其自身的特點。一般永磁電機不能降壓啟動,因為普通永磁電機(380V, 50Hz)電壓降到330V時,啟動困難,轉子抖動嚴重。小功率永磁電機通常采用直接啟動方式。當變壓器容量足夠大,對設備的機械沖擊要求不嚴格時,也可以直接啟動大功率永磁電機。否則,建議采用變頻器驅動的軟啟動方式
10. 三相交流永磁同步電動機的驅動可以采取“定子繞組明星密封”的模式來提供制動剎車時產生的電磁轉矩電動機本身沒有電梯的非駕駛狀態下,以壓制“快速滑動”在事故狀態下,但是這種連接方式的作用是不能與電梯的向上超速保護裝置連接的,電梯意外動作保護裝置是混淆的。
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