1.永磁电动机的种类。 按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磁性转子(IPM)、表面永磁型磁性转子(SPM)和镶嵌式(混合式)永磁型磁性转子(ISPM)几种结构形式,将永磁磁极按N极和S极顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。 (1)内部永磁型磁性转子内部永磁型磁性转子的磁路结构可分为径向型磁路结构、切向型磁路结构和混合型磁路结构。 永久磁铁的磁路结构形式如图3-6所示。径向型内部永磁转子漏磁小,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,多采用图3-6中5的截面形状。切向型内部永磁转子会因为q轴电枢反应较强,从而减少了有效转矩,可以采用图3-6中8的形式,在转子上开闭口空气槽,可以改善对其转矩的影响。 (2)表面永磁型磁性转子表面永磁型转子的应用正在逐渐增多。如图3-7所示为表面永磁型磁性转子电动机的横截面图。
(3)镶嵌式永磁型磁性转子 如图3-8所示为镶嵌式永磁型磁性转子的结构,这种转子可以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力学特性。
2.磁极的数量。
般感应电动机的磁极数量增多以后,电动机在同样的转速下,工作频率随之增加,定子的铜损和铁损也相应增加,将导致功率因数急剧下降。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与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以后,将无法达到额定的转矩。而永磁电动机的磁极增数量以后,不仅对电动机的性能没有明显的影响,还可以有效地减小永磁电动机的尺寸和重量。永磁电动机的气隙直径和有效长度,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,因此需要采用磁能密度高的磁性材料。另外,在气隙磁通密度相同的条件下,增加磁极的数量,就可以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。如图3-9所示为四极永磁铁芯与十六极永磁转子铁芯的尺寸比较,减小电动机的重量、增加磁通密度、改进磁路结构,是提高永磁电动机性能和效率的主要途径,后者的截面面积要小于前者,因此可减弱电枢反应和提高电动机的转速。
3.永磁材料。
永磁电动机的永磁材料种类很多,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,但铁氧体的磁能很低,使得永磁电动机的体积增大,结构很笨重。目前主要采用稀土合金永磁材料来制造永磁电动机的磁极,它的能量密度远远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,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,而且相对价格也比较低。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都将减小。采用钕-铁-硼(Nd-FeoB)稀土合金永磁材料时,由于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,因此,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℃以下般在电动机上要采取强制冷却。钕-铁-硼稀土合金永磁材料要比钐-钴(Sm-Co)稀土合金永磁材料具有更好的力学性能,价格也比较便宜。稀土合金永磁材料在制造中都必须进行适当加固,否则不能承受高速运转时的作用力。
4.永磁无刷直流电动机。
(1)永磁无刷直流电动机的结构 永磁无刷直流电动机(图3-10)可以看作是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机,永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。无论是结构或控制方式,永磁无刷直流电动机与传统的直流电动机都有很多相似之处:用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极;用具有多相绕组的定子取代电枢;用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。
(2)永磁无刷直流电动机的控制系统 永磁无刷直流电动机具有很高的功率密度和宽广的调速范围。永磁无刷直流电动机的控制系统较为复杂,有多种控制策略,采用方波电流(实际上方波为顶宽不小于120°的矩形波)的永磁无刷直流电动机的控制则比较容易,驱动效率也最高。方波电动机可以比正弦波电动机产生大15%左右的电功率,由于磁饱和等因素的影响,三相合成产生的恒定电磁转矩是一种脉动电磁转矩。永磁无刷直流电动机实际上是一种隐极式同步电动机,在正常运行时电枢电流磁动势与永磁磁极的磁动势在空间位置相差90°电角度。在高速运行时通过“弱磁调速”的技术来提速。
永磁无刷直流电动机的基本控制系统由直流电源、电容器、三相绝缘栅双极晶体管逆变器、永磁无刷直流电动机( PMBDO)、电动机转轴位置检测器(PS)、逻辑控制单元120°导通型脉宽调制信号(PWM)发生器驱动电路和其他一些电子器件共同组成。
5.永磁磁阻同步电动机。
(1)永磁磁阻同步电动机的结构 永磁磁阻同步电动机是将永久磁铁取代他励同步电动机的转子励磁绕组,将磁铁插入转子内部,形成同步旋转的磁极。电动机的定子与普通同步电动机两层六极永磁磁阻同步电动机的定子和转子一样,如图3-12所示,转子上不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流,输入定子的是三相正弦波电流,这种电动机称为永磁磁阻同步电动机。
永磁磁阻同步电动机具有高效率(达97%)和高比功率(远远超过1kW/kg)的优点输出转矩与转动惯量比都大于相类似的三相感应电动机。在高速转动时有良好的可靠性,平稳工作时电流损耗小,永磁磁阻电动机在材料的电磁、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机,工作噪声也低。
在同步电动机的轴上装置转子位置传感器和速度传感器,它们产生的信号是驱动控制器的输入信号。永磁磁阻同步电动机具有功率密度高、调速范围宽、效率高、性能更加可靠、结构更加简单、体积小的优点。与相同功率的其他类型电动机相比较,更加适合作为EVFCEV和混合动力汽车的驱动电动机。
永磁磁阻电动机为了增加电动机的转矩,采用增加q轴磁阻与d轴磁阻之差来获得更大的磁阻转矩,因此采用多层的转子结构,有单层、双层、3层和10层等,用于优化转子结构。转子的层数增加,Lq-Ld也增大,但增加层数超过3层,Lq一Ld变化不大,一般为2~3层。
(2)永磁磁阻同步电动机的控制系统 永磁磁阻同步电动机采用了带有矢量变换电路的逆变器系统来控制,其控制系统由直流电源、电容器、三相绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变器、永磁同步电动机(PSM)、电动机转轴位置检测器(PS)、速度传感器、电流检测器、驱动电路和其他一些元件等共同组成。微处理器控制模块中包括乘法器、矢量变换电路、弱磁控制器、转子位置检测系统、速度调节系统、电流控制系统、PWM发生器等主要电子器件,PWM逆变器的作用是将直流电经过脉宽调制变为频率及电压可变的交流电,电压波形有正弦波或方波。
①转子位置检测器根据检测转子磁极的位置信号和矢量变换电路发岀的控制信号,共同通过电流分配信号发生器来对转子位置信号进行调节,产生电流分配信号,将信号分别输入A、B乘法器中。
②速度传感器、速度变换电路和速度调节器,对电动机的运行状态进行判别和处理将电动机的运行状态信号分别输入A、B乘法器中。
③控制驱动器采用不同的控制方法,由电流分配信号发生器和速度调节器对系统提供信号,经过乘法器逻辑控制单元的计算后产生控制信号,并与电流传感器输入的电流信号,共同保持转子磁链与定子电流之间的确定关系,将电流频率和相位变换信号分别输入各自独立的电流调节器中,然后输出到PWM发生器中,控制逆变器换流IGBT开关元件的通断,完成脉宽调制,为永磁同步电动机提供正弦波形的三相交流电,同时控制定子绕组的供电频率、电压和电流的大小,使永磁同步电动机产生恒定的转矩和对永磁同步电动机进行调速控制。
④系统的给定量是转子转速的大小,系统可以根据不同的给定速度运行,调速范围宽,调速精度也较高。根据电动机转子位置检测器测得的转子的正方向转角θ位置的信号DA、DB、DC,使分别属于上桥臂和下桥臂的两个开关元件导通,而且只有在下桥臂的开关元件受控于PWM状态时,电动机处于电动状态运转。
根据电动机转轴位置检测器得到的转子反方向转动的信号DA’、DB′、DC’时,分别属于上桥臂和下桥臂的6个开关元件按周期规律交替导通,在每个周期中每个开关元件轮流导通工作60°电角度,PWM处于脉宽调制状态时,电动机处于发电状态运转。永磁磁阻同步电动机的控制系统如图3-13所示。
(3)永磁磁阻同步电动机的机械特性 永磁磁阻同步电动机在牵引控制中采用矢量控制方法,在额定转速以下恒转矩运转时,使定子电流相位领先一个β角,这样,一方面可增加电动机的转矩,另一方面由于β角领先产生的弱薄作用,使电动机额定转速点增高,从而增大了电动机在恒转矩运转时的调速范围,如β角继续增加,电动机将运行在恒功率状态。永磁磁阻同步电动机能够实现反馈制动。如图3-14所示为永磁磁阻同步电动机的力学特性曲线。
