永磁同步电机的应用及原理讲解

永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机。永磁体作为转子产生旋转磁场,三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应,感应三相对称电流,如图4-2-15所示。

当转子动能转化为电能,永磁同步电机作发电机用。当定子侧通入三相对称电流,三相定子在空间位置上相差120,三相定子电流在空间中产生旋转磁场,转子在旋转磁场中受到电磁力作用运动,此时电能转化为动能,永磁同步电机作电动机用。

图4-2-15

1.永磁同步电机的基本结构

永磁同步电机是指转子转速与定子旋转磁场的转速同步的电机,如图4-2-16所示。它主要是由转子、端盖及定子等部件组成。永磁同步电机的定子结构与普通感应电机的定子结构非常相似,转子结构与异步电机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极,根据在转子上安放永磁体的位置的不同,永磁同步电机通常分为表面式转子结构和内置式转子结构。

图4-2-16

(1)定子

定子由叠片叠压而成,以减少电机运行时产生的铁耗,其中装有三相交流绕组,称为电枢,如图4-2-17所示。

图4-2-17

(2)转子

转子由叠片压制而成,其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同,永磁同步电机的转子可分为突出式(凸装式)转子和内置式(嵌入式)转子,如图4-2-18所示。

图4-2-18(www.xing528.com)

突出式转子的磁路结构简单,制造成本低,但其表面无法安装启动绕组,不能实现异步启动。内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和U形混合式、V形混合式4种,它们的区别主要在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。永磁体置于转子内部,转子表面可制成极靴,极靴内置入铜条或铸铝等便可起到启动和阻尼的作用,稳态和动态性能都较好。内置式转子磁路不对称,会在运行中产生磁阻转矩,有助于提高电机本身的功率密度和过载能力,这样的结构更易于实现弱磁扩速。

2.永磁同步电机的工作原理

在永磁同步电机系统中,电机的输出动作主要靠控制单元给定命令执行,即控制器输出命令,控制器主要将输入的直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电供给配套的三相交流永磁同步电机使用。电机控制器输出频率和幅值可变的U、V、W三相交流电给电机形成旋转磁场,电机通过位置传感器将电机转子当前位置发送给电机控制器,以供电机控制器进行参考控制,如图4-2-19所示。

当永磁同步电机定子绕组接三相交流电源,流入对称三相交流电流后,在气隙中产生旋转磁场,以同步转速旋转,永磁同步电机转子铁芯中鼠笼式启动绕组切割旋转磁场的磁力线,产生感应电动势和感应电流,旋转磁场与转子上的永久磁钢相互吸引,把转子拉入同步运行,转子也以同步转速带动负载转动,如图4-2-20所示。

图4-2-19

图4-2-20

3.永磁同步电机的控制

(1)电机转速调节

通过改变通入定子三相绕组中的三相交流电的频率,可以改变旋转磁场的旋转速度,从而改变电机的转速,转速调节又称为变频调速。

(2)电机转向调节

通过改变通入定子三相绕组中的三相交流电的相序,可以改变旋转磁场的旋转方向,从而改变电机的转向。

(3)电机运行状态控制

①电动机状态:定子旋转磁场超前转子磁场——驱动状态。

②发电机状态:定子旋转磁场滞后转子磁场——再生制动状态。