当前位置:首页 > 同步电机
  • 同步电机如何工作?同步电机有哪些类型?

    同步电机如何工作?同步电机有哪些类型?

    对于电机,大家或许并不陌生,因为我们在生活中经常能见到电机的一些应用,比如手持电风扇、榨汁机等,这些装置里都存在电机。上篇电机相关文章中,小编对异步电机进行了详细阐述。为增进大家对电机的认识,本文将详细探讨同步电机。如果你对电机具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。 同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是:稳态运行时,转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p,ns成为同步转速。若电网的频率不变,则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电机为主。 一、工作原理 主磁场的建立:励磁绕组通以直流励磁电流,建立极性相间的励磁磁场,即建立起主磁场。 载流导体:三相对称的电枢绕组充当功率绕组,成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动:原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能),极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组(相当于绕组的导体反向切割励磁磁场)。 交变电势的产生:由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动,电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相 对称交变电势。通过引出线,即可提供交流电源。 交变性与对称性:由于旋转磁场极性相间,使得感应电势的极性交变;由于电枢绕组的对称性,保证了感应电势的三相对称性。 二、同步电机类型 (一)交流同步电动机 交流同步电动机是一种恒速驱动电动机,其转子转速与电源频率保持恒定的比例关系,被广泛应用于电子仪器仪表、现代办公设备、纺织机械等。 (二)永磁同步电动机 永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机,其磁场系统由一个或多个永磁体组成,通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部,按所需的极数装镶有永磁体的磁极。定子结构与异步电动机类似。 当定子绕组接通电源后,电动机以异步电动机原理起动动转,加速运转至同步转速时,由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩(由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成)将转子牵入同步,电动机进入同步运行。 磁阻同步电动机 磁阻同步电动机也称反应式同步电动机,是利用转子交轴和直轴磁阻不等而产生磁阻转矩的同步电动机,其定子与异步电动机的定子结构类似,只是转子结构不同。 (三)磁阻同步电动机 同笼型异步电动机演变来的,为了使电动机能产生异步起动转矩,转子还设有笼型铸铝绕阻。转子上开设有与定子极数相对应的反应槽(仅有凸极部分的作用,无励磁绕组和永久磁铁),用来产生磁阻同步转矩。根据转子上反应槽的结构的不同,可分为内反应式转子、外反应式转子和内外反应式转子,其中,外反应式转子反应槽开地转子外圆,使其直轴与交轴方向气隙不等。内反应式转子的内部开有沟槽,使交轴方向磁通受阻,磁阻加大。内外反应式转子结合以上两种转子的结构特点,直轴与交轴差别较大,使电动机的力能较大。磁阻同步电动机也分为单相电容运转式、单相电容起动式、单相双值电容式等多种类型。 (四)磁滞同步电动机 磁滞同步电动机是利用磁滞材料产生磁滞转矩而工作的同步电动机。它分为内转子式磁滞同步电动机、外转子式磁滞同步电动机和单相罩极式磁滞同步电动机。 内转子式磁滞同步电动机的转子结构为隐极式,外观为光滑的圆柱体,转子上无绕组,但铁心外圆上有用磁滞材料制成的环状有效层。 定子绕组接通电源后,产生的旋转磁场使磁滞转子产生异步转矩而起动旋转,随后自行牵入同步运转状态。在电动机异步运行时,定子旋转磁场以转差频率反复地磁化转子;在同步运行时,转子上的磁滞材料被磁化而出现了永磁磁极,从而产生同步转矩。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器,将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时,晶闸管的输出电压逐渐增加,电动机逐渐加速,直到晶闸管全导通,电动机工作在额定电压的机械特性上,实现平滑启动,降低启动电流,避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时,启动过程结束,软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管,为电动机正常运转提供额定电压,以降低晶闸管的热损耗,延长软启动器的使用寿命,提高其工作效率,又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能,软停车与软启动过程相反,电压逐渐降低,转数逐渐下降到零,避免自由停车引起的转矩冲击。 以上便是此次小编带来的“电机”相关内容,通过本文,希望大家对同步电机具备一定的了解。如果你喜欢本文,不妨持续关注我们网站哦,小编将于后期带来更多精彩内容。最后,十分感谢大家的阅读,have a nice day!

    时间:2021-04-07 关键词: 同步电机 指数 电机

  • 同步、异步电机有何区别?高、低速电机是什么?

    同步、异步电机有何区别?高、低速电机是什么?

    电机是工业设备中的重要存在之一,对于电机,大家应当有所了解。为增进大家对电机的了解,本文将对同步电机、异步电机、同步电机和异步电机的区别、高速电机和低速电机予以介绍。如果你对电机具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。 一、同/异步电机区别 同步电机,和感应电机(即异步电机)一样是一种常用的交流电机。同步电机是电力系统的心脏,它是一种集旋转与静止、电磁变化与机械运动于一体,实现电能与机械能变换的元件,其动态性能十分复杂,而且其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大影响。 同步电机特点是:稳态运行时,转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p,其中f为电网频率,p为电机的极对数,ns称为同步转速。若电网的频率不变,则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。 异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式(鼠笼式异步电机)、绕线式异步电动机。 1、同步电机与异步电机设计上的区别 同步电机和异步电机最大的区别在于它们的转子速度与定子旋转磁场是否一致,电机的转子速度与定子旋转磁场相同,叫同步电机,反之,则叫异步电机。 另外,同步电机与异步电机的定子绕组是相同的,区别在于电机的转子结构。异步电机的转子是短路的绕组,靠电磁感应产生电流。而同步电机的转子结构相对复杂,有直流励磁绕组,因此需要外加励磁电源,通过滑环引入电流;因此同步电机的结构相对比较复杂,造价、维修费用也相对较高。 2、同步电机与异步电机无功方面的区别 相对于异步电机只能吸收无功,同步电机可以发出无功,也可以吸收无功! 3、同步电机与异步电机在功能、用途上的区别 同步电机转速与电磁转速同步,而异步电动机的转速则低于电磁转速,同步电机不论负载大小,只要不失步,转速就不会变化,异步电动机的转速时刻跟随负载大小的变化而变化。同步电机的精度高、但造工复杂、造价高、维修相对困难,而异步电机虽然反应慢,但易于安装、使用,同时价格便宜。所以同步电动机没有异步电机应用广泛。同步电机多应用于大型发电机,而异步电机几乎应用在电动机场合。 二、高速电机/低速电机 (一)高速电机 高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。它们具有以下优点:一是由于转速高,所以电机功率密度高,而体积远小于功率普通的电机,可以有效的节约材料。二是可与原动机相连,取消了传统的减速机构,传动效率高,噪音小。三是由于高速电机转动惯量小,所以动态响应快。那么我们来看下为什么选择高速的因素。 1、经减速可以以更好的性能满足低速的要求; 2、高速电机控制精度高,同样10r/min的转速误差对10000r/min的高速电机来说误差是0.1%,对100r/min的高速电机来说误差是10%; 3、容易制作,体积相对小,价格相对低; 4、运行受负载变化影响小,同样大小的负荷变化,对低速电机是直接作用在电机上,而对经过N倍减速的高速电机来说,作用力只有1/N。 随着新材料的不断出现,加工工艺的不断改进,技术必将以更快的速度向前推进。高速电机正在慢慢普及,所以他们一般需要通过减速齿轮装置进行减速后输出大扭矩动力,所以其噪音比低速电机噪音相对要大。高速比低速电机生产工艺复杂,成本高,在选购时,不要因为电机声音稍大而错选。 (二)低速电机 低速电机,YE系列低速电机为新一代齿轮减速电机,具有体积小、噪声低、免维护、外型美观等特点,转速从0.83rmin-300rmin。 以上便是此次小编带来的“电机”相关内容,通过本文,希望大家对同步电机和异步电机的区别以及高速电机、低速电机具备一定的了解。如果你喜欢本文,不妨持续关注我们网站哦,小编将于后期带来更多精彩内容。最后,十分感谢大家的阅读,have a nice day!

    时间:2021-01-04 关键词: 同步电机 指数 电机

  • 同步电机的三种运行状态

    同步电机的三种运行状态

    同步发电机几种常见的运行状态 1、滞后运行(常态运行)----发电机向电网同时送出有功功率和无功功率(容性)。 2、超前运行(进相运行)----发电机向电网送出有功功率,吸收电网无功功率。 3、调相运行----发电机吸收电网的有功功率维持同步运转,向电网送出无功功率(容性)。 4、电动机运行(非正常运行)-----发电机同时吸收电网的有功功率和无功功率维持同步运行。 前三种运行状态都是同步发电机的正常运行状态,第4种运行状态应避免。功率因数为1的时候,是发电机滞后运行和超前运行的分界线,这时发电机不向电网送无功功率也不吸收电网无功功率。在若干年前,由于电网的容量小,稳定性差,加上发电机励磁系统的性能等原因,发电机在超前运行时很容易引起震荡失步,所以机组一般不允许超前运行。现时电网的容量可以说是“无穷大”,其稳定性、电能的质量不可同日而语。各电站可以根据调度令或电站机组自身的实际情况(包括转子温升和励磁系统的稳定性等)选择不同的正常运行状态。在某些局部地区因附近有大功率用电设备的干扰,如果供电主变压器又容量不足时,发电机功率因数就不宜在接近超前值运行了,否则容易引起震荡失步跳闸,这个问题是可以解决的,就是使用高品质的数控励磁系统。 同步电机的三种运行状态 与其它电机一样,同步电机也是可逆的,既可作发电机运行,亦可作电动机运行。设一台隐极同步电机并联运行于无穷大电网,处于发电机状态,其相量图如图所示。此时 E0 超前U ,功率角 θ 和相应的电磁功率 Pem都是正值,θi≈θ 也为正值,即转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线,因而作用于转子上的电磁转矩为制动性质。原动机输入驱动性质的机械转矩克服起制动作用的电磁转矩,将机械能转变为电能。                                                                                                                                                                                发电机状态          调相机状态      电动机状态 图1 同步电机的三种运行状态 逐步减少原动机输入功率,使转子瞬时减速,θ 角和电磁功率相应减小。当 θ 角减至零时,发电机变为空载,其输入功率正好抵偿空载损耗,相量图如图 b所示。继续减少原动机输入功率,则 θ 和 Pem变为负值,表明电机要从电网吸收一部分电功率,与原动机输入功率一起与空载损耗平衡,以维持转子的同步旋转。如果再拆去原动机,就变成了空转的同步电动机,空载损耗必须全部由电网输入的电功率供给。如果在电机轴上再加上机械负载,则负值的 θ 角和 Pem会更大,θi亦为负值。主极磁场落后于气隙合成磁场,电磁转矩为驱动性质、拖动轴上机械负载一道旋转,电机进入电动机运行状态,将电网输入的电能转换成机械能。此时电机的相量图如图(c)所示。 从上分析可知,从发电机状态进入电动机状态的过程中,功率角θ和电磁功率 Pem均由正值变为负值,电磁转矩由制动性质变为驱动性质,机电能量转换过程也发生了逆变。

    时间:2020-05-29 关键词: 发电机 无功功率 同步电机

  • 同步电机的分类

    同步电机的分类

    1、什么是理想化同步电机? 2、同步电机定子绕组和转子绕组的自感系数和互感系数中哪些系数同转子 的位置角有关?它们都有怎样的变化规律? 3、在同步发电机的稳态运行分析中是怎样处理电枢反应的?这样处理有什么好处? 1、理想化同步电机:就是电机的转速乘以电机的磁对数所得数与电路中的频率完全相同,就是电机的转差率为零。也可是说是电机的磁场与电路中的电流变化完全吻合。 2、定子各相绕组的自感和定子绕组之间的互感 对于隐极机,由于转子在旋转过程中与定子绕组自感及定子绕组间的互感相关的磁路的磁阻不发生变化,因而定子各相绕组的自感和定子绕组之间的互感都是常数。对于凸极机则跟位置角有关。定子绕组与转子绕组之间的互感均与位置角有关转子各绕组的自感和转子绕组之间的互感由于转子绕组随转子一起旋转,因而无论是凸极机还是隐极机,这些绕组的磁路的磁阻都不因转子位置的改变和变化,这样转子绕组的自感及转子绕组之间的互感均为常数。 3、同步发电机的电枢反应: 当发电机接上对称负载后,电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场,称电枢反应磁常其转速正好与转子的转速相等,两者同步旋转。 同步电机的分类 同步电机是转子转速等于同步转速的一类交流电机。按照功率转换关系,同步电机可分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三类。 1.三相同步发电机 三相同步发电机由定子和转子两大部分组成。按结构型式分为转磁式和转枢式两种,其中转磁式应用广泛。转磁式同步发电机定子结构与三相异步电动机相同。 其基本工作原理是:在转子励磁绕组中通入直流电产生恒定磁场,由原动机带动转子旋转形成旋转磁场,旋转磁场切割对称三相定子绕组产生对称三相正弦交流电,频率为。 2.三相同步电动机 三相同步电动机的基本结构与同步发电机相同,但转子一般采用凸极式结构。其基本工作原理是:对称三相定子绕组通入对称三相正弦交流电产生旋转磁场。转子励磁绕组通入直流电产生与定子极数相同的恒定磁场。同步电动机就是靠定、转子之间异性磁极的吸引力由旋转磁场带动磁性转子旋转的。 如果负载过重,同步电动机将停转,这种现象称为同步电动机的“失步”。只要同步电动机的过载能力允许,采用强行励磁是克服同步电动机“失步”的有效方法。 当定子绕组接通电源时,旋转磁场立即产生并高速旋转。转子由于惯性,根本来不及跟着旋转。当定子磁极迅速越过转子磁极时,前后两次作用在转子磁极上的磁力大小相等、方向相反、间隔时间极短,平均转矩为零,因此同步电动机不能自行启动。 同步电动机通常采用异步启动法启动:在转子上装有笼型启动绕组。启动时将励磁绕组用一个10倍于励磁电阻的附加电阻连接成闭合回路。当旋转磁场作用于笼型启动绕组使转子转速达到同步转速的95%时,迅速切除附加电阻,通人励磁电流,使转子迅速拉入同步运行。当同步电动机处于同步运行时,笼型启动绕组是不起作用的。

    时间:2020-05-29 关键词: 电路 转子 同步电机

  • 同步电机的工作原理

    同步电机的工作原理

    同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电机为主。 同步电机的特点是稳态运行时,转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p,ns成为同步转速。若电网的频率不变,则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。 同步电机的基本结构 同步电机在结构上是定子铁心上嵌放三相对称绕组,转子铁心上装置直流励磁绕组。 主磁场的建立 励磁绕组通以直流励磁电流,建立极性相间的励磁磁场,即建立起主磁场。 载流导体 三相对称的电枢绕组充当功率绕组,减速箱成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动 原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能),极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。 交变电势的产生 由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动,电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线,即可提供交流电源。 同步电机的工作原理如下: 1、主磁场的建立:励磁绕组通以直流励磁电流,建立极性相间的励磁磁场,即建立起主磁场。 2、载流导体:三相对称的电枢绕组充当功率绕组,成为感应电势或者感应电流的载体。 3、切割运动:原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能),极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。 4、交变电势的产生:由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动,电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线,即可提供交流电源。 5、交变性与对称性:由于旋转磁场极性相间,使得感应电势的极性交变;由于电枢绕组的对称性,保证了感应电势的三相对称性。 同步电动机工作原理图解 同步电动机的结构与同步发电机相同,其转子一般都采用凸极式结构。使用时,同步电动机的定子绕组中要通入三相交流电流,同时转子励磁绕组中通入直流电励磁。 如图所示是同步电动机的工作原理示意图。定子三相绕组(也称电枢绕组)接至三相交流电源后,便有三相对称电流流过,并产生电枢旋转磁场。该磁场以同步速度n1= 60f1/p在气隙空间旋转,其方向决定于电流的相序。转子的励磁绕组接入直流电源后,就有直流电流流过,并产生大小和极性都不变的恒定磁场,极对数和电枢旋转磁场一样。根据同性磁极互相排斥、异性磁极互相吸引的原理,当转子磁极的S极与电枢旋转磁场的N极对齐(或转子的N极与旋转磁场的S极对齐)时,转子磁极将被电枢旋转磁场吸引而产生电磁吸引力,并进而产生电磁转矩,拖动转子跟着旋转磁场转动。因而转子的转速大小及方向和电枢旋转磁场的转速大小及方向相同,两者相对于定子“同步”旋转,故称为同步电动机。如果同步电动机轴上带有机械负载,则和异步电动机一样,电枢绕组从电网吸收电功率,通过气隙磁场传给转子,变为机械功率,带动生产机械做功。 图 同步电动机工作原理图 可以证明,同步电动机的电磁转矩的大小与电枢磁场磁极轴线和转子磁极轴线的夹角有关,如果外加电压和电动机的励磁电流不变,则在一定的范围内(《90°),夹角越大,电磁转矩越大;夹角越小,电磁转矩越小。 图(a)是同步电动机理想空载时的情况,这时转子磁极轴线和电枢磁场轴线重合,θ=0,电动机产生的电磁转矩为零;实际空载时,电动机有一定的空载阻力矩,故电动机要产生一定的电磁转矩来克服空载阻力矩,以维持电动机的转速不变。这时θ》0,但其值很小,如图(b)所示;若电动机轴上的负载增加,则θ角随之增加,电动机的电磁转矩也随之增加,如图(c)所示;但若电动机轴上的负载转矩太大,则电动机产生的电磁转矩将不足以克服负载转矩,同步电动机将停止旋转,这种现象称为同步电动机的“失步”现象。同步电动机产生失步现象时,通过定子绕组的电流将很大,这时应尽快切断电源,以免电动机因过热而损坏。 结论:当外加电源的频率一定时,同步电动机的转速就确定了,它总是以同步转速n1=60f1/p旋转。负载在一定范围内变化时,电动机的转速不变,这个特性是同步电动机的特点,也是优点,因此同步电动机适用于不需调速的场合,例如拖动大型空气压缩机、水泵等。

    时间:2020-05-29 关键词: 电磁 绕组 同步电机

  • 两种同步电机有什么差异呢?

    两种同步电机有什么差异呢?

    两种同步电机是无刷直流电动机以及永磁同步电动机,这两种电动机都属于同步电动机的类别,那么他们在运行上会有什么差异呢?运行的原理是什么? 1. 无刷直流电动机: 其出发点是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极,将原直流电动机的转子电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流,而BDCM是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子,其好处就是省去了机械换向器和电刷,也称为电子换向。为产生恒定电磁转矩,要求系统向BDCM输入三相对称方波电流,同时要求BDCM的每相感应电动势为梯形波,因此也称BDCM为方波电动机; 2. 永磁同步电动机(简称PMSM): 其出发点是用永磁体取代电励磁式同步电动机转子上的励磁绕组,以省去KAF87减速机 的励磁线圈、滑环和电刷。PMSM的定子与电励磁式同步电动机基本相同,要求输入定子的电流仍然是三相正弦的。为产生恒定电磁转矩,要求系统向PMSM输入三相对称正弦电流,同时要求PMSM的每相感应电动势为正弦波,因此也称PMSM为正弦波电动机。 同步电动机的最大优点是调节励磁电流可以改变功率因数。在一定有功功率下,改变可得到同步电动机的U形曲线。过励时从电网吸收超前无功功率,欠励时从电网吸收滞后无功功率。 当改变同步电动机的励磁电流时,能够改变同步电动机的功率因数,这点是三相异步电动机所不具备的。当改变励磁电流时,同步电动机功率因数变化的规律可以分为三种情况,即正常励磁状态、欠励状态和过励状态。同步电动机拖动负载运行时,一般要过励,至少运行在正常励磁状态,不要让它运行在欠励状态。 直流无刷电机与永磁同步电机区别 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波,逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上,无刷直流电机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。      通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦,外加的定子电压和电流也应为正弦波,一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式,也需要位置反馈信息,可以采用矢量控制(磁场定向控制)或直接转矩控制的先进控制方式。      两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念,无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频,从电机理论上讲,无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似,应该归类为交流永磁同步伺服电机;但习惯上被归类为直流电机,因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看,称之为“无刷直流电机”也算是合适的。     无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波,  逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。    本质上,无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。         通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦,外加的定子电压和电流也应为正弦波,一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式,也需要位置反馈信息,可以采用矢量控制(磁场定向控制)或直接转矩控制的先进控制 策略。    两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。  

    时间:2020-05-29 关键词: 无刷电机 励磁电流 同步电机

  • 相对永磁同步电机,特斯拉为何热衷异步电机

    相对永磁同步电机,特斯拉为何热衷异步电机

    永磁电机,使用永磁体做转子,是同步电机,效率相对会比异步电机高点,从力矩的控制角度而言,控制效果会好很多,如果使用那种方波形式,调速器的结构也会比异步电机简单,这也是电动车基本上都使用永磁电机的根本原因,放眼全球,似乎只有特斯拉等少部分厂家使用了异步电机,而其他厂家,几乎都使用永磁同步电机。 异步电机,自从发明家特斯拉改进性发明以来,结构一直比较稳定,而且非常简单可靠,维修容易,制造和维护成本非常低,这是它在工业场合广泛应用的根本原因。 但是异步电机的调速系统,很长时间都没有突破,异步电机,基本上局限于定速场合,一直到上个世纪80年代以后,因为功率关键技术突破,IGBT等产品上市了,变频器调速出现了,异步电机的调速才得到了大规模的应用,在国内使用异步电机变频调速,也是上个世纪末才开始的。矢量和直接转矩控制技术成熟后,异步电机的调速性能已经和有刷直流调速媲美了,中小型的异步电机调速系统,性价比也赶超了有刷直流电机。 在性能和价格都突破的前提下,特斯拉以往的车用电机,就大胆使用了异步电机来做车子的动力心脏。虽然异步电机效率低点,但是因为稳定可靠,对于车载恶劣环境下,使用它还是有优势的,而特斯拉的异步电机,使用了铜转子(普通异步电机一般使用铝转子),这样能提升一点效率。 而永磁同步电机,虽然成本会贵点,效率始终会高于异步电机。永磁同步电机,需要用到稀土材料,中国是稀土大国,在应用这种电机时候,有成本优势,这也是国内几乎所有的车企,都使用永磁同步电机的重要原因。 看满大街跑的小电驴,也使用了永磁同步电机,调速系统简单,虽然电机贵点,但是调速器成本降低了,综合起来,反而会性价比更高。 在电池容量迟迟没有突破前提下,续航里程是电动车的焦虑重点,使用同步电机,可以让车子在同样容量电池下能跑出更远的里程,相信这也是特斯拉也使用永磁同步电机的最根本原因。 但是永磁同步电机,也有软肋,因为稀土材料都怕高温,车载环境温度比较高,使用时间长了,会有丢磁的问题存在,这样会让电机扭矩下降,功耗增加,所以如何让电机运行温度低,也是各车企头痛的问题了,想想当年的有刷直流电机,虽然调速性能出色,效率也很高,但是因为碳刷维护麻烦问题,所以逐步退出很多市场了。永磁体如果不能处理好可靠性问题,也变成成为使用者的另外一个“碳刷”。很多小电驴,使用一段时间后,的确会出现电机退磁问题,这也是给消费者带来了很大的不方便了。 还有一种情况,稀土材料目前生产,绝大部分集中在中国,稀土本身也是一种资源材料了,逐年成本加贵,如果大家都是使用永磁同步电机生产汽车,很可能会让稀土价格猛涨,生产成本会成为一个大问题,但是异步电机,并不存在这个问题了。

    时间:2020-05-14 关键词: 特斯拉 永磁体 异步电机 同步电机

  • 浅谈电动机工作模式分类及原理

    浅谈电动机工作模式分类及原理

    电机的工作制表明电机在不同负载下的允许循环时间。电动机工作制为:S1~S10; 其中: (1)S1工作制:连续工作制,保持在恒定负载下运行至热稳定状态;简称为S1; (2)S2工作制:短时工作制,本工作制简称为S2,随后应标以持续工作时间。如S2 60min; (3)S3工作制:断续周期工作制,按一系列相同的工作周期运行,每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停机、断能时间。本工作制简称为S3,随后应标以负载持续率,如S3 25%; (4)S4工作制:包括起动的断续周期工作制。本工作制简称为S4,随后应标以负载持续率以及折算到电机轴上的电机转动惯量JM、负载转动惯量Jext,如S4 25% JM=0.15kg.m2, Jext=0.7 kg.m2; (5)S5工作制:包括电制动的断续周期工作制。本工作制简称为S5,随后应标以负载持续率以及折算到电机轴上的电机转动惯量JM、负载转动惯量Jext,如S5 25% JM=0.15kg.m2, Jext=0.7 kg.m2; (6)S6工作制:连续周期工作制。每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间,无停机、断能时间。本工作制简称为S6,随后应标以负载持续率,如S6 40%; (7)其他还有: S7工作制:包括电制动的连续周期工作制; S8工作制:包括负载-转速相应变化的连续周期工作制; S9工作制:负载和转速作非周期变化的连续周期工作制; S10工作制:离散恒定负载工作制。 电机可以运行直至热稳定,并认为与S3~S10工作制中的某一工作制等效 电动机的工作原理: 电动机(Motors)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。 电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机,电力系统中的电动机大部分是交流电机,可以是同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。 电动机主要由定子与转子组成,通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用,使电动机转动。

    时间:2020-05-14 关键词: 电动机 交流电机 异步电机 同步电机 电机

  • 基于交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统

    摘要:根据永磁同步电机的数学模型和矢量控制原理,通过仿真和实验研究,开发出一套基于dsp控制的伺服系统,并给出了相应的实验结果验证该系统的可行性。 关键词:永磁同步电机;矢量控制;数字信号处理器引言目前,交流伺服系统广泛应用于数控机床,机器人等领域,在这些要求高精度,高动态性能以及小体积的场合,应用交流永磁同步电机(pmsm)的伺服系统具有明显优势。pmsm本身不需要励磁电流,在逆变器供电的情况下,不需要阻尼绕组,效率和功率因数都比较高,而且体积较同容量的异步电机小。近几年来,随着微电子和电力电子技术的飞速发展,越来越多的交流伺服系统采用了数字信号处理器(dsp)和智能功率模块(ipm),从而实现了从模拟控制到数字控制的转变。促使交流伺服系统向数字化、智能化、网络化方向发展。本文介绍了一种永磁同步电机的伺服系统设计方法,它采用f240dsp作为控制芯片,同时采用定子磁场定向原理(foc)进行控制。实验结果证明,该系统设计合理,性能可靠,并已成功地应用于实际的伺服控制系统中。图1 系统控制框图1 pmsm数学模型永磁电机可分为两种:一种输入电流为方波,也称为无刷直流电机(bldcm);另一种输入电流为正弦波,也称为永磁同步电机(pmsm)。本文针对后者的系统设计。为建立永磁同步电动机的转子轴(dq轴)数学模型,作如下假定:1)忽略电机铁心的饱和;2)不计电机的涡流和磁滞损耗;3)转子没有阻尼绕组。在上述假定下,以转子参考坐标(轴)表示的电机电压方程如下:定子电压方程ud=rsid+pψd-ωeψq (1)uq=rsiq+pψq+ωeψd (2)定子磁链方程ψd=ldid+ψf (3)ψq=lqiq (4)电磁转矩方程tem=3/2pn[ψfiq+(ld-lq)idiq] (5)电机的运动方程j(dwm/dt)=tem-tl (6)式中:ud,uq为d,q轴电压;id,iq为d,q轴电流;ld,lq为定子电感在d,q轴下的等效电感;rs为定子电阻;ωe为转子电角速度;ψf为转子励磁磁场链过定子绕组的磁链;p为微分算子;pn为电机极对数;ωm为转子机械转速;j为转动惯量;tl为负载转矩。2 矢量控制策略上述方程是通过a,b,c坐标系统到d,q转子坐标系统的变换得到的。这里取转子轴为d轴,q轴顺着旋转方向超前d轴90°电角度。其坐标变换如下。2.1 克拉克(clarke)变换 2.2 帕克(park)变换 从转子坐标来看,对于定子电流可以分为两部分,即力矩电流iq和励磁电流id。因此,矢量控制中通常使id=0来保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。此时,式(6)的电机转矩表达式为tem=(3/2)pnψfiq (11)由式(11)看出,pn及ψf都是电机内部参数,其值恒定,为获得恒定的力矩输出,只要控制iq为定值。从上面dq轴的分析可知,iq的方向可以通过检测转子轴来确定。从而使永磁同步电机的矢量控制大大简化。图1是其系统的控制框图,该系统可以工作于速度给定和位置给定模式下,并且pwm调制方法采用空间矢量调制法。3 系统软硬

    时间:2019-01-09 关键词: 数字 控制系统 驱动开发 永磁 同步电机

  • 基于STM32的大扭矩永磁同步电机驱动系统

    基于STM32的大扭矩永磁同步电机驱动系统

    0 引言大扭矩永磁同步电机直接驱动由于去掉了复杂的机械传动机构,从而消除了机械结构带来的效率低、维护频繁、噪声与转动惯量大等不利因素,具有效率高、振动与噪声小、精度高、响应快、使用维修方便等一系列突出优点[1].近年来,随着电力电子技术、永磁材料、电机设计与制造技术、传感技术、控制理论等的发展,大扭矩永磁同步电机在数控机床、矿山机械、港口机械等高性能系统中得到了越来越广泛的应用[2 - 3].交流电机控制系统广泛采用单片机、DSP、FPGA为控制系统核心。STM32 是一种基于ARM 公司Cortex-M3 内核的新型32 位闪存微控制器,采用了高性能、高代码密度的Thumb-2 指令集和紧耦合嵌套向量中断控制器,拥有丰富的外围接口,具有高性能、低成本、低功耗等优点[4].本文针对一种港口机械用大扭矩永磁同步电机驱动系统,采用STM32 + IPM 硬件构架设计了高性能、低成本的控制系统。1 大扭矩永磁同步电机矢量控制原理忽略电机的铁心饱和、涡流及磁滞损耗,不计漏磁通的影响,大扭矩永磁同步电机的电压、磁链、转矩方程分别为式中,ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别为永磁同步电机d、q 轴的磁链、电压、电流和电感,Rs为电枢绕组电阻,ωr为转子角速度,ψf为永磁体产生的与转子交链的磁链,Te为电磁转矩,Pn为电机磁极对数。由式( 3) ,控制id = 0 使定子电流矢量位于q轴,此时转矩Te和iq呈线性关系,实现电磁转矩的解耦控制。如图1 所示,本文的永磁同步电机采用速度、电流双闭环控制,图中ω* 为给定速度指令,ω 为速度反馈,将速度误差输入速度控制器,输出交轴电流指令i*q,通过电流PI 控制器和坐标变换,再利用SVPWM 产生IPM 开关信号。图1 大扭矩永磁同步电机控制原理框图2 系统设计图2 所示为该系统结构框图, 本文采用STM32F103VCH6 主控芯片、PM800HSA120 智能功率模块为系统核心,硬件控制系统主要有: 处理器模块; 检测模块,主要包括霍尔电流检测、旋转变压器接口电路; 主电路,主要由整流、软启动、滤波、制动电路,以及PM800HSA120 及其驱动、保护、吸收电路组成; 开关电源及其他模块,主要由多路DC /DC 转换、直流母线电压保护、温度检测保护等电路组成。图2 大扭矩永磁同步电机硬件系统结构框图2. 1 硬件系统设计2. 1. 1 处理器模块STM32F103VCH6 是基于ARM 公司Cortex-M3 内核的新型32 位闪存微控制器,拥有三级流水线和分支预测功能,最高工作频率为72 MHz,可以满足本系统处理速度和实时性的需求,有两个高性能的12位的16 通道A/D 转换器、两个16 位专为电机驱动设计的内嵌死区控制6-PWM 定时器,片上还集成有SPI、USB 2. 0 等丰富的外设和接口[5].如图2 所示,本系统充分利用了STM32 的片上资源,利用它来接收、处理电流、位置等反馈信号,接收、处理各种出错保护信号,执行电机控制算法等。2. 1. 2 检测模块检测模块主要包括电流检测电路和位置检测电路。其中电流检测采用莱姆电流型霍尔传感器LT308-S7,其具有抗干扰能力强、灵敏度高、线性度好、温漂小等优点。为了减小在电流较弱时的检测误差,本文设计了如图3 所示的增益可调的电流检测电路,传感器输出的电流信号经过精密电阻采样后转换为电压信号Vi,经过电压跟随电路、三级放大电路和肖特基二极管钳位电路,输出电压Vo( Vo= 3nVi /20 + 1. 5,n 为放大倍数) 到STM32 的A/D 模块进行处理。其中开关芯片DG403 由STM32 控制,用于调整电流检测电路增益,小电流选择大增益,大电流反之。由于大扭矩电机额定电流可达232 A,若检测电路增益不可调,则当电流较弱时检测电路的放大增益相对较小,电流的检测精度会降低,而采用增益可调的检测电路可以在电流较弱时提高增益,从而减小检测误差,提高电流检测的分辨率。表1 为DG403 控制信号与电流检测电路增益放大倍数的对应关系。表1 DG403 控制信号与增益放大倍数对应表考虑港口机械存在较强振动和冲击[6],本文利用旋转变压器YS 210XFDW9574A 进行位置检测。其解码电路如图4 所示,采用AD2S99 芯片为旋转变压器提供激励信号,AD2S90 芯片作为旋转变压器/数字转换器( RDC) .AD2S90 以同步串行方式( SPI) 与控制芯片STM32 之间进行通讯,AD2S99 的励磁信号源的频率可以通过SEL1、SEL2、FBIAS 引脚进行设置,此处激磁频率设为10 KHz,通过AD2S99 内部处理后产生的输出信号SYNREF 与AD2S90 的REF 脚相连,可以补偿旋转变压器一次侧到二次侧的相位偏差,保证它的转换精度。图3 电流检测电路 图4 旋转变压器解码电路图5 所示为旋转变压器激励调理电路,旋转变压器激励信号由AD2S99 提供,激励调理电路对激励信号进行放大、滤波,激励调理电路的外部电源采用± 15 V 双电源供电,保证电路静态工作点调零; Ci1为耦合电容,隔直通交; Cf1为补偿相位用;NPN 和PNP 三极管构成推挽电路,用以消除交越失真。图5 旋转变压器激励调理电路2. 1. 3 主电路主电路的整流电路采用了DD600N12 整流模块; 软启动电路采用CM600HU-24F 型号IGBT 功率开关取代继电器以提高系统可靠性,当电容器组充电到母线额定电压的80% 时,将IGBT 接入电路; 滤波电路选择16 个6800 μF 电解电容; 制动电路选择CM400HU-24F 型号IGBT 作为开关元件。考虑大电流功率器件的干扰、散热及经济性等因素,选择6 个独立单元的IPM 模块PM800HSA120的逆变电路方案。PM800HSA120 内部集成有驱动和保护电路,具有过压、欠压和温度保护功能,额定电流800 A,反偏电压1200 V,工作频率可达20 kHz.为了进一步提高IPM 的抗干扰性和可靠性,本文对其驱动电路和保护电路进行了加强设计和一些额外处理。如图6 所示,对IPM 的驱动信号进行了差分处理,将控制芯片STM32 发出的六路驱动信号利用差分驱动芯片变为12 路信号,再在IPM 驱动板上利用差分接收芯片还原为6 路驱动信号,然后经过高速光耦的隔离驱动再送给IPM,如图7 所示,以抑制共模干扰信号,增强了IPM 驱动信号的抗干扰性。图7( a) 所示为W 相的隔离驱动电路; 三相上桥臂采用隔离电源供电,三相下桥臂由一路15 V 供电,图7 ( b) 所示为W 相上桥臂隔离电源电路。IPM 的故障信号处理电路如图8 所示,出错信号先经过光耦隔离、滤波,然后经过反相施密特触发器,一方面将电压信号反向,另一方面对出错信号进行波形整形,对干扰信号有一定的抑制作用。最后再将处理过的IPM 出错信号输入控制芯片STM32 做出相应处理。图8 IPM 出错信号处理电路由于IPM 的开关频率较高,而在功率回路中存在寄生电感,在IPM 开关过程中会产生很高的浪涌电压,造成对器件的冲击,影响器件的性能及使用寿命。为此设计了如图9 所示的IPM 缓冲电路,以降低IPM 开通和关断过程的电压和电流尖峰,从而降低器件开关损耗,保护器件安全运行。其中,选择超快恢复二极管RM25HG-24S 作为缓冲二极管,其耐压1200 V,最大反向恢复时间300 ns; 综合考虑本系统驱动电流频率及IPM 本身性能,将IPM 工作频率选为8 KHz,取直流母线寄生电感50 nH,根据计算及试验,最终选择缓冲电容Cs = 3 μF,缓冲电阻Rs = 12 Ω。图9 IPM 缓冲电路2. 2 系统软件设计系统软件主要由主程序和中断服务程序构成,其中主程序完成各种软硬件的初始化、电机初始位置检测和电机启动等,中断服务程序包括PWM 中断子程序和外部中断保护子程序等。其中PWM 中断子程序是控制系统核心,主要完成对转子电流和速度的采集与处理、PID 调节、电压矢量的计算与选择、PWM 发生等。外部中断子程序主要包括母线电压过、欠压保护、启动保护和温度保护等。当IPM 有出错信号时,STM32 控制高级控制定时器的TIM1_BKIN 信号禁止PWM 输出,保证系统的安全,图10为PWM 中断服务程序流程图。图10 PWM 中断服务程序3 实验结果如图11 所示,为本文所设计永磁同步电机控制系统的STM32 控制板及IPM 驱动板实物。对一台额定功率132 kW、额定电流232 A、输入电压380 V的大扭矩永磁同步电机进行了单元及系统实验。图12 所示为W 相上下桥臂的PWM 波形,测试PWM频率为8 KHz ( 周期125 μs) ; 图13 所示为电机空载运行时W 相的电流波形,表明控制系统的软硬件模块均可有效运行。图11 控制电路4 结语本文提出了一种基于STM32 的大扭矩永磁同步电机的控制系统,设计了STM32 处理器模块、增益可调的电流检测电路、旋转变压器接口电路、IPM驱动保护电路等,采用矢量控制方法,实现了永磁同步电机速度和转矩控制,并进行了试验验证,为大扭矩永磁同步电机驱动控制提供了一种稳定可靠、高性价比的方案。

    时间:2018-10-04 关键词: 电源技术解析 永磁 扭矩 同步电机

  • 永磁同步电机原理、特点、应用详解

    永磁同步电机原理、特点、应用详解

     电机对于工农业来说至关重要,本文将会对电机的定义、分类、电机驱动的分类进行简介,并详细介绍永磁同步电机的原理、特点以及应用。 电机的定义 所谓电机,顾名思义,就是将电能与机械能相互转换的一种电力元器件。当电能被转换成机械能时,电机表现出电动机的工作特性;当电能被转换成机械能时,电机表现出发电机的工作特性。电机主要由转子,定子绕组,转速传感器以及外壳,冷却等零部件组成。 电机的分类 按结构和工作原理划分:直流电动机、异步电动机、同步电动机。 按工作电源种类划分:可分为直流电机和交流电机。 交流电机还可分:单相电机和三相电机。 直流电动机按结构及工作原理可划分:无刷直流电动机和有刷直流电动机。 有刷直流电动机可划分:永磁直流电动机和电磁直流电动机。 电磁直流电动机划分:串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。 永磁直流电动机划分:稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 按结构和工作原理划分:可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。 同步电机可划分:永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。 异步电机可划分:感应电动机和交流换向器电动机。 感应电动机可划分:三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。 交流换向器电动机可划分:单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 按起动与运行方式划分:电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 按用途划分:驱动用电动机和控制用电动机。 永磁同步电机 所谓永磁,指的是在制造电机转子时加入永磁体,使电机的性能得到进一步的提升。而所谓同步,则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此,通过控制电机的定子绕组输入电流频率,电动汽车的车速将最终被控制。而如何调节电流频率,则是电控部分所要解决的问题。 永磁同步电动机的特点 永磁电动机具有较高的功率/质量比,体积更小,质量更轻,比其他类型电动机的输出转矩更大,电动机的极限转速和制动性能也比较优异,因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用最多的电动机。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时,其导磁性能可能会下降,或发生退磁现象,有可能降低永磁电动机的性能。另外,稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料,制造成本不太稳定 永磁同步电机与异步电机 除了永磁同步电机,异步电机也因特斯拉的使用而被广泛关注。与同步电机相比起来,电机转子的转速总是小于旋转磁场(由定子绕组电流产生)的转速。因此,转子看起来与定子绕组的电流频率总是“不一致”,这也是其为什么叫异步电机的原因。 相比于永磁同步电机,异步电机的优点是成本低,工艺简单;当然其缺点就是其功率密度与转矩密度要低于永磁同步电机。而特斯拉ModelS为何选用异步电机而不是永磁同步电机,除了控制成本这个主要原因之外,较大的ModelS车体能够有足够空间放的下相对大一点的异步电机,也是一个很重要的因素。 永磁同步电动机怎样产生动力? 在交流异步电动机中,转子磁场的形成要分两步走:第一步是定子旋转磁场先在转子绕组中感应出电流;第二步是感应电流再产生转子磁场。在楞次定律的作用下,转子跟随定子旋转磁场转动,但又“永远追不上”,因此才称其为异步电动机。如果转子绕组中的电流不是由定子旋转磁场感应的,而是自己产生的,则转子磁场与定子旋转磁场无关,而且其磁极方向是固定的,那么根据同性相斥、异性相吸的原理,定子的旋转磁场就会拉动转子旋转,并且使转子磁场及转子与定子旋转磁场“同步”旋转。这就是同步电动机的工作原理。 根据转子自生磁场产生方式的不同,又可以将同步电动机分为两种: 一是将转子绕组通上外接直流电(励磁电流),然后由励磁电流产生转子磁场,进而使转子与定子磁场同步旋转。这种由励磁电流产生转子磁场的同步电动机称为励磁同步电动机。 二是干脆在转子上嵌上永久磁体,直接产生磁场,省去了励磁电流或感应电流的环节。这种由永久磁体产生转子磁场的同步电动机,就称为永磁同步电动机。 永磁同步电机的应用 永磁同步电机逐渐在工农业中广泛应用,近十多年来,由于新技术,新工艺和新器件的涌现和使用,使得永磁同步电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面,也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置,这种调节装置将能实现自适应最佳调节。 永磁同步电机在工农业生产中大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行,例如风机、泵、压缩机、普通机床等。永磁同步电机成本较低,结构简单牢靠,维修方便,很适合该类机械的驱动。 当然,凭借永磁同步电机自身的优势,广大新能源汽车制造商首选永磁同步电机,在电梯中也得到了广泛的应用。 电机驱动的分类 按照不同的工农业生产机械的要求,电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。 1、 定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行,例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低,结构简单牢靠,维修方便,很适合该类机械的驱动。但是,异步电动机效率、功率因数低、损耗大,而该类电机使用面广量大,故有大量的电能在使用中被浪费了。其次,工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量,通常是通过调节风门、阀来完成的,这其中又浪费了大量的电能。70年代起,人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量,取得可观的节能效果,但变频器的成本又限制了它的使用,而且异步电动机本身的低效率依然存在。 2、 调速驱动有相当多的工作机械,其运行速度需要任意设定和调节,但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统,70年代后随电力电子技术和控制技术的发展,异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美,另一方面异步电动机与直流电动机相比有着制造工艺简单、效率高、同功率电机用铜量少、维护保养方便等优点。故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。 3、 精密控制驱动 ① 高精度的伺服控制系统伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色,应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中,伺服电动机有各种不同的控制方式,例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统,直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。 ② 信息技术中的永磁同步电动机当今信息技术高度发展,各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展,与其配套的关键部件微电机需求量大,精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动,精度要求更是特别高。例如,硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机,它以近10000rpm的高速带动盘片旋转,盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1~0.3微米处作悬浮运动,其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制,这类微电机目前国内还不能自己制造,有部分产品在国内组装。

    时间:2017-07-04 关键词: 同步电机

  • 解密宝马i3和i8制胜技术eDrive混合同步电机

    [摘要] 宝马i3和i8配备了自主知识产权的eDrive混合式同步电动机,这似乎表明宝马找到了利用含有较少稀土材料磁体制造高功率密度和效率电机的方法。   宝马公司为宝马i3和宝马i8配备了具有自主知识产权的eDrive混合式同步电动机,该电动机具有永磁电动机和磁阻电动机优点。宝马公司在这方面取得的进步似乎表明宝马公司找到了一个利用含有较少稀土材料的磁体来制造高功率密度和高效率电动机的方法。   下图为宝马公司2012年专利申请文件中的图纸,该图纸显示一种能提高电动机效率的方法————在电动机内,转子除了磁层,还有两组由数个充气转子凹坑组成的磁通感应组。宝马公司专利申请文件Nº2012/0267977。点击此处看大图。   宝马i3汽车配置的驱动电动机重50千克,最大输出功率为125千瓦,功率系数为2.5千瓦/千克;该电动机能输出线性功率,转速范围较高,其最高转速为11400转/分。如果将日产Leaf与宝马i3进行比较:日产公司在2011年生产的”Leaf”电动汽车配备的是永磁电动机,其重量为58千克,额定输出功率为80千瓦,功率系数为1.38千瓦/千克。   背景:虽然对电动汽车而言,改善电池性能是降低电动汽车成本和提高运输效率的主要方法;但改善电动汽车的驱动装置(电动机、动力电子设备、传动机构、热量管理)也能起到非常好的效果。   例如,为了集中力量研发先进的动力电子设备、电动机、热量管理和传动机构技术,美国能源部汽车技术办公室制定了”先进动力电站设备和电动机”计划;一旦该计划取得成功,其先进性是现在技术所无法比拟的。动力电子设备和电动机作为电动汽车驱动系统的子系统,其重量、体积、效率和成本要严格要求,为了成功地研发出这些设备,使用更高功率密度和更低成本的小型电动机是关键。   能匹配到电动汽车上的电动机多种多样,包括直流电动机、交流电动机、感应电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机和轴向磁通电动机。除了Tesla和丰田,其他所有主要汽车生产厂商制造的电动汽车均配备直流电动机。Tesla Model S配备交流电动机(据说Tesla Roadster也使用交流电动机),而丰田的电动汽车传动系统就是采用Tesla公司的设计。值得注意的是,宝马在其Mini-E电动汽车项目的首次试验中,宝马也让试验中的Mini-E成为了交流电动机驱动的汽车。   广义地说来,一个感应电动机就是向电动机的固定外定子线圈输入交流电流,在定子线圈内形成一个旋转磁场,转子绕组受该旋转磁场的感应而产生电流,随着转子绕组电流的产生,转子绕组磁场也随之产生,转子绕组的磁场受到定子磁场的吸引。简而言之,转子的感应电流和随之产生的磁场被定子线圈磁场所吸引,由此让定子旋转并产生扭矩。由此可见,交流感应电动机无需永磁磁铁零件便能让转子转动。   总体而言,感应电动机的优势就是能被大规模生产和使用,但感应电动机不能满足美国《关于汽车效率和能源可持续性的驾驶技术研究和创新》的在成本、重量、体积和效率方面的要求。   另一方面,永磁电动机将永磁体装入到或嵌入转子,其磁场与通电产生的定子线圈内磁场相对应。永磁电动机具有紧凑结构和高扭矩密度输出的特点,并且能以较低电流来启动。虽然如此,永磁体材料的成本是一个有待解决的问题,因为电动机旋转产生的热量有可能对永磁体产生损害。   开关磁阻电动机结构简单,动力充沛,看起来是一个成本最低的技术解决方案。但开关磁阻电动机有不少缺点,如转矩波动高,噪音大、功率因数低和效率低。   因此,研究人员一直致力于设计新型电动机,他们的研究方法有减少永磁体的载荷,使用多种材料来制造电动机,以及综合各种电动机的技术优点来设计混合式电动机。2012年出版的《电气工程和技术杂志》就刊发了一篇论文,该论文专门对混合式电动机结构进行了分析。下面是该文章的一部分:   随着技术的进步,人们在工业领域对具备多种技术特征的电动机的需求越来越多。因此,关于改进电动机的研究论文能在各种各样的文献中见到。依据这些文文献资料的记载,新型电动机已被研制出来,对现存的各种电动机的研究也是铺天盖地。   在各种论文中,永磁电动机和磁阻电动机是最热门的研究对象。研究人员已经探讨了各种结构的永磁电动机和磁阻电动机,并对此进行了试验。值得注意的是,随着永磁材料的性能的提高,研究人员开发新型永磁电动机的热情日益高涨。永磁电动机的类型可分为永磁同步电动机和无刷直流电动机。在基本速率的条件下,永磁电动机的性能十分不错,但永磁电动机的变速范围十分小。   磁阻电动机没有永磁体零部件,让它没有退磁风险,并能在高温环境中正常工作。磁阻电动机的工作原理是基于磁阻原理,人们将其分为两大类:开关磁阻电动机和同步磁阻电动机。   永磁辅助磁阻电动机是研究人员为了综合永磁电动机和磁阻电动机的优点而研发到新型电动机。永磁辅助磁阻电动机被认为具有高功率密度、高功率因数、高效率和变速范围广的技术优点,现在永磁电动机已经成为了十分引人注目的话题。永磁辅助电动机的扭矩由永磁磁场和磁阻效应共同产生,研究人员因此将永磁辅助电动机称为混合式电动机。研究人员为永磁辅助磁阻电动机转子设计了多种结构,目的就是为了产生合适的磁场和磁阻效应扭矩。   宝马的研发方式   宝马注意到由于电动汽车的空间有限,电动汽车使用的电动机必须是功率输出高、扭矩大和重量轻;电动汽车的传动系统的效率直接影响着电动汽车时行驶里程。因为高电压电池价格昂贵,提高电池电量的利用率就成为了获取电动汽车最大行驶里程的重要因素。   永磁电动机能产生磁阻转矩和永磁转矩。宝马的2012年专利申请文件中有以下说明:永磁同步电动机能在多个磁体方向中(即不同的磁极方向中)产生一系列不同的电磁感应和与磁极方向相反的交叉电感;只要驱动电动机以合适的方式驱动,电动机就能产生磁阻转矩。这种磁阻转矩能对电动机永磁磁通产生的转矩相互补充。   简单地说来,宝马使用的电动机可归类为永磁同步电动机,但宝马对该电动机进行了精心的设计,并选择合适尺寸的零部件来制造,让其能产生自磁化效应;该自磁化效应原本只有磁阻电动机才能产生。自磁化效应带来的额外励磁效果能为电动机电流励磁提供有益的补充;在高速旋转时,两种励磁方式让其工作更加可靠。宝马i3使用的电动机的最高转速能达到11400转/分。   从前文的描述中,我们已经知道驱动电动机定子内的电流在磁场削弱的范围中起到了实质性电流分量地作用。定子内电流产生的磁场与永磁体的磁场相互排斥。虽然这样,但按照物理原理,永磁体材料的通量密度是不会衰减的,此磁通将被定子的磁场所排斥。定子和转子之间的气隙为转子铁芯磁通通道的形成提供了条件。   定子电流产生的磁通在定子和转子间沿着磁通通道循环流动,磁通通道又被称为磁口袋,存在着一个瓶口。这种瓶口现象将导致定子齿部的磁通通量密度变化,由此将进一步导致磁通密度的变化频率超过驱动电动机的频率。上述现象将导致较高的铁芯损耗,电动机的效率也将大幅度降低。在磁场削弱范围内,这种状况尤为明显,因此电动机必须按照其运行特性进行优化。   为了减少定子和转子间的磁通通量瓶口现象产生的损害,提高磁通通量的稳定性是一个被广泛接受的解决方法。而为了提高磁通通量的均衡性,只能增加磁层的数量。但增加磁层数量的方法却不实际————为了适应电动汽车的有限空间,磁层必须做得非常薄;但太薄的磁层在安装到电动机的凹槽里的过程中,极有可能被损坏,而且将让生产成本大幅上涨。   译注:本文中提到的磁层通常使用矽钢片制造,太薄的矽钢片,市场上很难买到,价格较高,而且在冲压过程中也很容易被折断或变形。这是我的工作经验。   宝马申请专利的目的就是制造一种用于电动汽车的驱动电动机;在磁场衰减范围内,该电动机的效率要好于其他电动机。这种电动机由一个定子和一个转子构成,至少有一个极对;该电动机的每个极对至少由一个内嵌磁层组成。按照宝马公司的专利申请文件的说明,该电动机的每个磁极都由多个充气转子凹坑形成的磁通感应组构成,这种磁极不会让每个磁层的磁场产生通量电导。   有了磁通感应组,研究人员可以一种简单而经济的方式让转子铁芯在气隙内形成的磁阻变得均匀一致。通过多个磁通感应组所产生的效应,研究人员可以抑制或最小化定子齿部磁通密度的变化。研究人员发现这种方法能大幅度地降低铁芯损耗,至少在磁场衰减范围内能达到此目的。这种方法通过压制驱动电动机定子和转子间的磁场通量流动来实现抑制定子齿部磁通密度的变化。   美国专利申请号:Nº2012/0267977   在专利申请文件中,宝马指出上述方法适用于多种驱动电动机;同时此方法也能降低生产成本,转子的凹槽能在冲压过程中一次性加工出来。   宝马还提到此方法能提高电动机在高速旋转时的效率,在使用当前同等电量电池的情况下,配置了宝马新型电动机的电动汽车能行驶更远的里程。   从另一方面来讲,即使电池电量下降,配置了宝马新型电动机的电动汽车的行驶里程还能达到原来的技术要求。因此,通过使用新型电动机,电动汽车的成本也能降下来————众所周知,而且在电动汽车的价格构成中,电池的成本占据了一大部分,使用小容量电池的电动汽车的成本比使用大容量电池的电动汽车将便宜不少。

    时间:2013-09-11 关键词: 宝马 解密 制胜 同步电机

  • 大功率永磁低速同步电机的无传感器控制

    摘要:为了满足大功率永磁同步电机(PMSM)在低速运转时实现无传感器控制的需要,研究了一种新型的滑模观测器(SMO)方法。采用SMO对d,q坐标系下的感应电动势进行估算,并结合锁相环(PLL)原理得到转子位置和速度,同时基于Lyapunov函数分析了SMO参数的收敛性,并对滑模增益的选择进行了分析,该方法解决了传统SMO算法在极低速下无法实现的问题。实验结果表明,该方法能准确计算出电机的转子位置和速度,使系统具有良好的稳态精度和动态性能。 关键词:永磁同步电机;滑模观测器;无传感器控制 1 引言     由于传统机械传感器自身存在缺点及局限性,所以无传感器技术已成为调速控制系统的重要研究方向之一。特别是在极低速或静止运行情况下的无传感器控制技术,仍是高性能电机控制的研究难点。SMO由于具有鲁棒性强、动态响应快、设计简单等优点,得到了广泛应用。但传统的SMO算法大都是应用于观测静止坐标系下的反电动势,在低速运行过程中难以稳定运行。     在此直接使用d,q坐标系下的电压/电流方程,用SMO来观测电机的感应电动势,同时结合PLL的优良特性;实时跟踪、估算实际的转子信息,即使电压相角不平衡、谐波较大等条件下,也具有较好跟踪性能。该方法不仅保留了传统SMO算法的优点,同时也克服其缺点。该算法简单、易于工程实现,实验结果进一步证实了其可行性。 2 PMSM无传感器控制     在对PMSM进行建模时,通常先假设:转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波,定子电枢绕组中的感应电动势也为正弦波;忽略定子铁心饱和,认为磁路为线性,电感参数不变;不计铁心涡流与磁滞损耗;转子上无阻尼绕组。基于以上假设,对凸极式PMSM建立d,q坐标系下的数学模型为:         式中:下标d,q分别表示d,q轴分量;ωe为转子电角速度;R为定子电阻;Ed,Eq为d,q坐标系下的电动势,Ed=0,Eq=ωeψf,ψf为永磁体磁链。 2.1 滑模观测器设计     根据式(1),构造SMO方程如下:         式中:k为正常数,决定了SMO的开关增益。     实际应用中可采用饱和函数sat()取代常规SMO中的符号函数sgn(),可有效防止控制器发生抖振,其表达式为: 2.2 转子位置及速度估算     由d,q坐标系下得到的,并没有包含转子速度及位置信息。因此为得到所需信号,需考虑电机的电动势在d,q坐标系下的特点进行转速及位置估计。     由于PLL是一种自适应闭环系统,故能实时跟踪三相对称电源的频率与相位。在此根据PLL的特性及工作原理,设计了基于PLL的转子位置/速度估计算法,其算法原理如图1所示,其中PI调节器的参数可参考文献设计。 3 实验研究     将无传感器控制算法用于2 MW PMSM控制实验平台。该平台包含兆瓦级PMSM系统和变流器系统,其中电机系统采用PMSM对拖永磁同步发电机模拟直驱式风力发电实验平台。电机参数:额定功率P=2 MW,额定电压U=690 V,额定转速nr=17 r·min-1,定子电阻R=0.019 2 Ω,直轴电感Ld=0.004 H,交轴电感Lq=0.005 H,极对数np=30。     由式(1)可见,d,q轴分量相互耦合,采用前馈解耦控制策略,结合所提控制算法,可得图2所示无传感器控制系统框图,其中,K=1/π。在此基于以RT-Lab软硬件平台为基础的实时仿真系统,在Matlab下搭建该控制算法的系统仿真模型,然后将搭建好的仿真模型下载到RT-Lab实时仿真系统,经转接板实现与变频器之间的通信。     当有传感器时,转子位置可测出,电机每次都可平稳启动;而在无位置系统中,启动时并不知道转子位置,若转子位置与定子轴线之间角度过大,会导致电流过大或启动失败。由于电机没有安装速度及位置传感器,整个实验过程采用开环启动:①电机启动时采用常规V/F控制方法,当运行到1 Hz(2 r·min-1)时,待电机稳定运行一段时间后切换到无传感器控制算法;②由于电机没有安装位置/速度传感器,将开环启动时给定的频率换算出转子位置角,并将其作为参考位置角,让无传感器控制算法实时估计、跟踪。当估计位置角跟踪上参考位置时,系统会自动切换到无传感器控制。     图3a,b为转子估计值和参考值之间的变化曲线,由于启动时电流和电压不稳定,转子估计值未较好地估计到实际位置,随着电机的平稳运行,转子位置慢慢跟踪上参考位置,且跟踪误差也慢慢减小,实验结果表明,该算法具有较好的位置估计和跟踪能力。图3c,d为电机实际运行过程中跟踪给定转速和转速误差的变化曲线,当电机稳定运行在2 r·min-1后,系统切换到无传感器控制算法。当给定值设为17r·min-1时,电机能快速跟踪设定转速,且转速波动也较小(0.5 r·min-1)。可见,该控制算法是有效、可行的。 4 结论     在此基于滑模观测器鲁棒性强、设计简单的优点,同时结合锁相环跟踪三相对称电源的频率与相位的特性,构建了一种永磁低速同步电机无传感器控制系统。通过实验证明了该控制算法在不同给定转速下都可较真实地反映出转子的转速和位置,且其在低速运行过程中具有较好的稳定性和可行性。

    时间:2012-12-14 关键词: 低速 大功率 无传感器 同步电机

发布文章

技术子站

更多

项目外包