按照永久磁铁在永磁电动机上的布置,可以将永磁电动机分为内部永磁型IPM、表面永磁型SPM以及镶嵌式(混合式)永磁型ISPM几种结构形式,将永磁磁极按照N极和S级顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。 (1)磁性转子的结构。 ①内部永磁型磁性转子。其磁路结构可分为径向型磁路结构、切向型磁路结构及混合型磁路结构。 图2-4中1~5为径向型内部永磁转子结构,径向型磁路磁性转子漏磁小,而且不需要隔离环,但它的每个磁极的有效面积仅约为切向型内部永磁转子的一半,为了提高径向型内部永磁转子的有效面积,大多采用图2-4中5的截面形状。图2-4中6~8为切向型内部永磁转子结构,切向型内部永磁转子会由于q轴电枢反应较强,从而减少了有效转矩,可以采用图2-4中8的形式,在转子上开闭口空气槽,能够改善对其转矩的影响。图2-4中9为混合型内部永磁转子结构。
②表面永磁型磁性转子。图2-4中10~12为表面永磁型转子结构,表面永磁型转子的使用正在逐渐增多。图25所示为表面永磁型转子永磁电动机的横截面。
③混合式永磁型磁性转子。图2-6所示为一种混合式永磁型磁性转子,这种混合式永磁型磁性转子能够用嵌入永久磁铁中的励磁绕组来对磁通量进行控制,从而改变永磁电动机的机械特性。
(2)磁极的数量通常感应电动机的磁极数量增多以后,电动机在相同的转速下,工作频率随之增加,定子的铜损和铁损也相应增加,将造成功率因数急剧下降。磁阻电动机的磁极数量增多以后,会使电动机输出的最大转矩和最小转矩之间的差值很大,对磁阻电动机的性能影响较大,独立励磁电动机的磁极数量增多之后,将无法达到额定的转矩。而永磁电动机的磁极增加一定数量以后,不但对电动机的性能没有明显的影响,还可以有效地减小水磁电动机的尺寸及重量。
永磁电动机的气隙直径与有效长度受电动机的额定转矩、气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数变化的影响。气隙磁通密度主要受磁性材料磁性的限制,所以需要采用磁能密度高的磁性材料。此外,在气隙磁通密度相同的条件下,增加磁极的数量,即可减小电动机磁极的横截面面积,从而减小电动机转子铁芯的直径。
图2-7所示为一个四极永磁转子铁芯与一个十六极永磁转子铁芯的尺寸比较,后者的横截面面积要小于前者,所以可以减小电动机的重量。增加磁通密度、改进磁路结构、减弱电枢反应和提高电动机的转速,是提高永磁电动机性能及效率的主要途径。
(3)永磁材料永磁电动机的永磁材料种类繁多,如KS磁钢、铁氧体、锰铝碳、铝镍钴和稀土合金等,铁氧体价格低廉,而且去磁特性接近一条直线,但是铁氧体的磁能很低,使水磁电动机的体积增大,结构比较笨重。现代主要采用稀土合金永磁材料来制造永磁电动机的磁极,它的能量密度明显超过其他永磁材料制成的磁极。钕-铁-硼( Nd-Fe-B)稀土合金的磁能积最高,具有最高的剩磁和矫顽力,加工性能好,资源广泛,应用发展最快,是目前最理想的永磁材料,而且相对价格也不高。磁极的磁性材料不同,电动机的磁通量密度也不同,磁通量密度大时,永磁电动机的体积和重量均将减小。
采用钕-铁-硼稀土合金永磁材料时,因为其在高温时磁性会发生不可逆的急速衰退,以致完全失去磁性,所以,用钕-铁-硼稀土合金永磁材料制成的永磁电动机的工作温度必须控制在150℃以下,通常在电动机上要采取强制冷却措施。钕-铁-硼稀土合金要比钐-钴(Sm-Co)稀土合金具有更好的力学性能,价格也较低,稀土合金永磁材料在制造中都必须进行适当加固,否则无法承受高速运转时的作用力。
