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迈克尔 J. 麦尔菲, 史蒂夫 EVON, 和罗比 MCELVEEN
EEE行业应用杂志2009年11月11日WWW.IEEE.ORG/IAS。
城市
用于工业应用的功率密度和节能
目前，电机的市场前景和未来的市场前景都非常重要，因为它具有很高的功率密度、操作效率、可靠性、变速运行和低成本。Perma nent磁体（PM）发动机现在能够满足市场的期望。与高效的感应电动机相比，PM电动机具有效率高、可靠性高的特点，并且具有更高的功率密度（单位质量或体积）、优越的功率因数（低电流）、低转子温度和同步操作等优点。磁网技术的发展允许在更高的温度下操作而不造成永久的磁化损失。由于稀土磁体的供应，如钕铁硼的价格更低，所以现在的经济上可行。本文介绍了感应电动机、表面PM和凸极电机的性能比较，包括各种型号的PM机器。
三相异步电动机被广泛认可为在制浆造纸、林产工业的工业应用中的主力。在过去的30年里，汽车的使用有明显的趋势，这要求更高的功率密度和更高的能源效率。
在许多工业应用中，马达的大小和惯性是至关重要的。具有高功率密度的电动机在造纸等应用领域具有一定的性能优势。然而，高功率密度不能影响可靠性和效率。
1077-2618/09/$26.00copy;2009 IEEE
10.1109 / MIAS.2009.934443数字对象标识符
感应电动机已经能够不断地提高能量的效率以满足过去的要求。两项授权（立法）效率1电力政策法案（EPACT）和自愿二级国家电力制造协会（NEMA）的保费都是使用从通用的感应电动机派生出来的产品。另一种提高感应电动机效率的方法是使用铸铜转子代替铝进行中等强度的评级。
随着能源效率的进一步提高，随着噪音和变速能力的提高，除了简单的感应电机以外的其他技术也应该被考虑。由于在过去的20年里，我对PM材料的磁性和热性能有了显著的改善，同时由于成本的降低，同步的PM马达是可行的替代方案。长期以来，PM电机一直被认为是比感应电动机更高的效率，但是在电机控制方面的限制，以及磁铁材料的限制（性能和成本），都严重限制了它们的使用。现在，在纸浆和造纸工业中，可以使用PM马达来覆盖中等马力的应用。
PM电机技术
粉末冶金材料
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电动机额定值与感应电机相同，但基本频率为120hz |
经前综合症已被广泛应用于运动控制马达多年。在过去的40年里，磁铁材料在从基础化学到成本的各个方面都经历了巨大的变化。今天，有一些材料可以提供更大的功率密度，更高效率的PM马达。在70年代之前，PM电机设计通常包括铝镍钴合金或陶瓷/铁氧体永磁材料。虽然陶瓷磁体是相当经济的，但电机的空气间隙要用磁通密度不一般的感应电机才能实现。虽然铝镍钴磁铁可以达到更高的磁通密度，但其抗退磁能力差，限制了它们在电机中的应用。
稀土的PM材料首先采用钐钴产品，SmCo5和Sm2Co17型。自1970年以来，这些产品都是可获得的，并提供了第一个机会来实现与工业发动机相同的发动机空气间隙流量。这些磁铁的热性能都不受温度变化的影响，而且还考虑到maxi的温度能力。然而，成本仍然很高，限制了他们对小众应用的使用。
上世纪80年代，钕铁硼（Nd2Fe14B）磁体的引入提供了与钐钴磁体相比成本更低的承诺。最初Nd2Fe14B磁铁材料温度能力非常有限,高易感性退磁超过120 C。在过去的15年里,材料特性得到改善,一些成绩可用于180 C(参见图1)。此外,磁场的能力已经进一步深入,以及同样重要的是,磁铁成本大大降低了。此外，还开发了可以在适当位置进行注射或胶合成型的磁铁，允许大量的转子叶片设计自由。
PM电机主电磁配置
对于PM发动机有许多可能的转子配置。它们都是同步操作的机器，但具有不同的其他特性。一些可能的特征的例子可能是在开始的或者是基于唾液的扭矩（除了磁铁扭矩）的发展。
图2 7显示了典型的电磁（分层）配置，为PM电动机和一个典型的感应电动机。可以看到，有很多可能的配置可以用于设计PM发动机，最终的选择通常取决于系统问题和制造偏好。在图2中，可以看到转子在转子的外表面有磁铁。磁铁内部是一种具有cir累积对称性的转子磁结构。因为这个对称，这个转子可以说有无显著性，即没有磁化倾向/易磁化方向。所有电机扭矩都是由于定子电流与磁通量的相互作用而产生的。
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与图2相比，图3中可以看到，虽然磁体仍位于转子外diame（OD），但相邻磁体之间的齿形成了一种不对称或显著性。这种显著性使电动机产生一个转矩矩（不愿转矩），这是由于与同步电动机相同的机械装置所采用的原理。此外，由于转子的盐度，定子的电感与转子的正交（q）轴的方向有不同的值，与直接（d）轴相比。q-轴电感（Lq）与d轴电感（Ld）的比值称为“显著性比”，是凸型转子PM机的优点之一。
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最大magnet-operating温度 |
如图4所示的转子结构，磁网已被放置在转子磁结构的内部。这又导致了转子的显著性和Lq到Ld的比值大于1。这种配置也提供了使用简单矩形块磁铁的机会，这将比图2和图3中所示的弧段磁铁的成本更低。
图5的转子采用单个层、单通量屏障和图4的内部PM设计，并将其扩展到多层。这样做可以提供一种方法来创建比单层设计更高的唾液比率。然而，如果从磁体块中构造出来，转子就会变得异常复杂。另一种选择是使用压缩-或注塑成型的磁铁来进行多层组装，比如这个。
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非显著的PM转子结构提供了高效率和高转矩密度 |
图6显示了另一层单层的内部PM设计，但这一次，在转子上安装了一个鼠笼式转子绕组。这就提供了一种方法来实现这类电动机的全频率线启动，使它能够在线路上运行，而不仅仅是在逆变电源上。
图7显示了感应电动机的横截面。转子没有特定的直接和正交轴，对转子来说是固定的。相反，磁通量实际上是在转子的滑动频率上旋转。如果一个人在时间上考虑一个特定的瞬间，那么这个转子就不会有显著的显著性。有些转子结构具有显著的特点，没有磁铁，也有一个松鼠笼（同步磁阻电动机），但在这里没有考虑。
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无转子显著性的表面PM电机 |
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表面永磁电机与齿之间的磁体产生转子的显著性 |
PM运动系统的影响
PM和感应电动机之间的一个明显区别是，磁场一直都存在于PM机器中，而感应电动机的电场可以降低（当电机没有动力）到一个小的残留水平。这对任何可能的检修负载都有影响，而电机可能是耦合的。如果电机与线路有连接，则电机导线上的电压仍有可能存在，如果这样的检修负载导致了PM电机的旋转。根据转速的不同，在不相连的电机上有可能出现危险的电压水平。这可能需要特殊的维护程序来保证工人的安全。这与直流电刷式电机或运动控制PM无刷电机的情况并无不同。然而，印度河尝试使用PM机器需要熟悉这些特征。
当在一个速度范围内运行一个电机时，从下到高于基准速度的转换需要从恒定的流量到场的衰减。以低于基准速度运行的电机不经过这种转换。在可调频率的感应电动机中，跃迁是每赫兹比伏特的电压（v／赫兹），从固定值变为递减值。
对PM电机来说，磁体的激发是一致的，
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通过单通量屏障，使电机与转子的显著性 |
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具有多磁通障碍转子流变的内部PM电机 |
因此磁场减弱并不是一种自然现象。由于永磁的激励，PM电机有一个开电路内部产生的电压，它是在整个操作范围内的速度的线性函数，E p 2 3 Xr 3 Kpm，（1）E是峰值相电压;p，极数Omega;r,转子转动频率rad/s；Kpm，在韦伯的磁通量连杆。
由于恒磁通量的影响，在以高于基准速度运行的PM电机的运行要求定子电流与转子位置相关联，使其能够减少气隙的流量。这可以被认为是d轴5中的负电流。对于没有转子显著性的PM电机（图2），定子电流将严格地以低于基准速度的速度运行。当
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该隐极电机可以提供自己的转子位置反馈信息 |
电机速度超过基本速度时，为了保持终端电压不变，需要提供负的d轴电流，有效地磁场减弱了气隙的流量。电机运行的基础速度越高，就需要越多的负d轴电流来抵消磁通量。因此，总的定子电流（d和q轴组件的矢量和）在输出功率上没有相应的增加。最终，负的d轴电流太高，无法维持。
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通过单通量屏障和鼠笼绕组来启动的内部PM电机 |
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感应电动机 |
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测试中选择的额定功率是75hp /min |
与非显著的设计相反，一个凸极式的PM电机(图3-6)并没有从磁通量中推导出所有的扭矩。相反，它通过磁阻实现了其扭矩的一部分，类似于同步磁阻电机。通过磁通量和转子的显著性来发展扭矩的一个优点是，在高速时，需要较少的负轴电流来对抗磁通量。这一额外的设计自由度比例的相对扭矩贡献的转子的显著性和磁体一般允许凸极PM发动机为更大的操作而设计[6]。
PM机器的另一个系统级问题与此操作的基础速度有关。虽然逆变器可以控制定子电流通过负的d轴电流来削弱磁通量，但如果逆变器在以高于基准速度运行时关闭，则会出现一个问题。在这样的情况下，电机端电压会上升到(1)所预测的全值，而当以高于基准速度运行时，电机端子(线)电压可能会有超过额定逆变直流母线电压的峰值。逆变器输出阶段的自由旋转二极管将会形成一个不受控制的二极管整流器，将PM电机与直流母线连接起来。高电机端电压将被纠正，并将电源置于直流母线上，导致直流母线电压电平快速上升。如图8所示，在图8中显示了这个效果，其中总线电压从618增加到796 Vdc，其中大约一半的上升发生在10毫秒内。对于这个系统来说，796-V的水平是可以接受的，但是在更高的速度下逆变器的跳闸可能会损坏逆变器组件。
与非显式设计相比的另一个优点是，与非显式设计相比，它提供了自动感应转子位置的机会。这可以允许高带宽的速度和扭矩性能，而不需要速度或位置传感设备，如编码器或解析器。通过利用定子绕组电感在dandq轴上完全不同的事实，可以从本质上提供自己的转子位置反馈信息。
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比较性能感应/ PM
从图9和图10可以看出，PM motors提供了一个将效率提升到超越EPACT和NEMA Premium定义的水平的机会。除了改善efficiencyatratedloadseenforthePM汽车在图9中,也有优势方面更轻的负载效率(图10(a))。由于无负载电流的减少，由于磁铁提供了所需的磁通，所以即使在相当轻的负载下，PM电机的效率仍然相当高。由PMs提供的通量的相同特征也提供了非常高的功率因数，在轻负载时尤其明显[图10(b)]。
对比测试数据
用于感应和PM转子的比较试验的电机是一种叠层的NEMA 250框架，完全封闭的风扇冷却(TEFC)发动机。应该注意的是，电动机不是标准的NEMA铸铁电机，而是为广泛的变速应用而制造的。
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由于逆变行程，直流母线电压增加，在每分钟7200 r/min时，在5000 r/min的base-speed PM电机跟踪4:dc-bus伏特，40 V/Div |
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低电压，TEFC, 1800 r/min电机的效率 |
图11显示了表面PM测试电机的图片。值得注意的是，它所耦合的dc-load电动机的尺寸更大，而且必须在内部通风，以达到与TEFC PM发动机相同的额定功率。
测试中选择的额定功率是75hp /min。对于这个测试，三个电机是使用相同的定子片和核心长度制造的。每一项努力都是为了尽量减少冷却的变化，同时优化每个电机的性能。由于这些电机是变速运行的设计，所有的测试数据都是由一个脉冲宽度调制(PWM)逆变器驱动的电机。在对表面PM电机进行测试后，效率得到了很大的提高，因此决定在更高的扭矩值下测试凸极PM设计，对应于100马力电机的转矩。下面的部分将给出每个电机的结果和一个总结来比较总体结果。
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典型的部分负载(a)效率和(b)功率因数为75 Hp, TEFC, 1800 r/min电 全文共7260字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[15924]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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