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      永磁電機設計特點

      2020-01-06

      永磁電機設計特點

          永磁電機是交流感應電動機的一個日益增長的替代品,幾十年來,交流感應電動機幾乎一直是所有電機應用的主力軍。保持了交流感應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)代替轉子導體中感應的磁場,使其電阻損耗比交流感應電機低得多,因為轉子中沒有感應電流。為了代替機械換向,需要一個控制系統來確定向哪些線圈提供電流以產生大扭矩。稀土永磁交流電動機產生的磁場可以提供與交流感應電動機相同的轉矩,而交流感應電動機的電機更小、更輕。

          電機設計過程涉及一些基本考慮因素,對于啟動器,應用環境的要求,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?溫度和壓力等環境條件是什么?即使是高效的電機,如果電機應用錯誤的領域,其不會發揮大的效率。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速,齒輪電機占空比會影響電機的性能額定值,例如連續的占空比。

          一個冷卻較好的馬達運轉效率更高,為了獲得氣流,優化了冷卻風扇和風扇罩的設計,確保定子和電機外殼之間的緊密結合提供冷卻性能。電機的電效率提高了很多,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小功率,同時提供足夠的冷卻。優化的風扇設計可使風扇功率需求降低65%,一個重要的設計特點是葉片和殼體之間的間隙。外殼和風扇葉片之間的空間應盡可能小,以防止湍流和減少回流。

          滾珠或滾柱軸承用于高效電機,它們由一個內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,內圈與轉子相連。當軸旋轉時,元件也旋轉,并且軸旋轉的摩擦力小。它們使用壽命長,維護成本低。高精度應用允許小的氣隙。熱收縮和熱膨脹會影響軸和軸承座的配合以及內部軸承間隙 。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。考慮額外的力,如引起磁力拉力的不對稱氣隙、失衡力、齒輪的節距誤差和推力載荷。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用。高速因素包括保持架設計、潤滑劑、運行精度、間隙、共振頻率和平衡。軸承需要小的負載,因此滾動元件旋轉形成潤滑膜而不是滑動,這會提高工作溫度并降解潤滑油。允許小載荷等于滾珠軸承動態徑向載荷額定值的0.01倍。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具有良好的性能,潤滑脂可以簡化維護、清潔、減少泄漏和污染保護。

          當軸心與旋轉軸不共存時,會產生噪聲和振動,平衡對效率的影響有限,但會影響運行噪音和預期壽命,這對限度地利用資源也很重要。軸承振動讀數通常在垂直、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。工作轉速下的平衡很重要,因為軸承的向心力也可能導致不平衡。

          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、噪音和維護成本,提高了整體性能。

          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。釤鈷磁鐵是高溫應用的選擇,因為它們具有高能量密度、250至550°C的耐溫性、溫度升高導致的參數小幅度降低以及氧化保護,選擇釤鈷或釹作為電機磁鐵是根據工作溫度、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生磁損耗,但當磁鐵降到較低的溫度時會恢復磁損耗。除非電路設計用于極端情況,否則-40°C的低溫可能會導致永磁強度損失。

          逆變器驅動單元在空載運行/靜止狀態下可以無損耗,通過替換現有的線路供電的三相驅動裝置,預計可以節省高達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扇。不需要額外的組件,比如編碼器。高達25%的占地面積允許機器設計更緊湊。電機具有良好的控制性能,并與無傳感器驅動控制器單元相結合,即使在低速下也具有出色的真實運行性能,在脈沖負載和速度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”并跟蹤轉子的永磁位置。這對于電機平穩啟動至關重要,同時也允許產生扭矩,從而獲得效率。缺少位置或速度傳感器降低了成本,提高了驅動系統的可靠性。隨著效率的不斷提高,對特定電機的控制器設置進行編程以獲得效率的重要性越來越重要。

          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用的標準電機,要么選擇一個合格的電機合作伙伴來設計和制造一個完全適合應用的電機。如果設計工程師沒有時間或工程資源來設計自定義版本,或者如果需要快速設置,標準電機解決方案是合適的。新的模塊化設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,都要通過將性能預測與測量結果進行比較,不斷改進設計/驅動系統。


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