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分析 | 永磁电机的缺点辨析

贸泽电子设计圈 2019-12-11 08:00
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永磁电机（PMM）通过定子电流与转子上或转子内永磁体的相互作用产生转矩。小型低功耗电机用于IT设备，表面转子磁体常用于商用机器和汽车辅助设备，而内部磁体（IPM）则常用于电动车辆和工业电机等大型机器。


在永磁电机中，如果不考虑转矩脉动，则定子可能使用集中（短节距）绕组，但在较大的永磁电机中通常使用分布绕组。


由于永磁电机没有机械换向器，所以逆变器对于控制绕组电流至关重要。与其它类型的无刷电机不同，永磁电机不需要电流来支持其磁场。


因此，如果体积小或重量轻，永磁电机可以提供最大的扭矩，并且可能是最好的选择。无磁化电流也意味着在“最佳点”负载下（即电机性能最佳的位置）效率更高。

此外，尽管永磁体在低速时带来了性能优势，但它们也存在技术上的“致命弱点”。例如，随着永磁电机速度的增加，反电动势接近逆变器电源电压，从而无法控制绕组电流。这定义了通用永磁电机的基本速度，并且在表面磁体设计中通常代表给定电源电压的最大可能速度。


在大于基本速度的速度下，IPM使用主动磁场弱化，期间操纵定子电流故意压低磁通量。可以可靠实施的速度范围限制在4：1左右。和以前一样，这个限制可以通过减少绕组匝数和接受更大的成本和逆变器中的功率损耗来实现。


磁场弱化的需求与速度相关，并且不管扭矩如何都会产生相应的损失。这会降低高速下的效率，特别是在轻负载下。


对于在高速公路上行驶的电动汽车而言，这是非常严重的。永磁电机一直受到电动汽车制造商的青睐，但是在实际驾驶周期进行计算时，可能无法展现效率优势。有趣的是，至少有一家著名的电动汽车制造商已经从PM切换到感应电动机。


其它缺点包括由于其固有的反电动势在故障条件下难以管理的事实。即使变频器断开，只要电机旋转，电流就会持续流过绕组，从而导致齿槽转矩和过热，并且都是危险的。


例如，由于变频器停机，在高速下的磁场减弱会导致不受控制的发电，并且逆变器的直流母线电压可能上升到危险的水平。


除了那些装有钐钴磁体的永磁电机外，操作温度是另一个重要的限制。而由于逆变器故障而产生的高电动机电流会导致退磁。


最大速度受机械磁铁保持力的限制。如果永磁电机损坏，修理它通常需要返回到工厂，因为安全地提取和处理转子是困难的。最后，报废时的回收也很麻烦，尽管当前稀土材料的高价值可能会使这种材料更具经济可行性。


尽管存在这些缺点，永磁电机仍然在低速和效率方面保持无与伦比的地位，而且在尺寸和重量至关重要的情况下，它们都非常有用。

本文转载自：电机技术及应用

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