永磁同步电动机的应用.doc

概述
众所周知,直流电动机有优良的控制性能,其机械特性和调速特性均为平行的直线,这是各类交流电动机所没有的特性。此外,直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里,在有调速、控制要求的场合,几乎成了唯一的选择。但是,直流电动机的结构复杂,其定子上有激磁绕组产生主磁场,对功率较大的直流电动机常常还装有换向极,以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器,直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流,即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小,尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花,使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀,还是一个无线电干扰源,会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高,问题就越严重。所以,普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。
在交流电网上,人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单,工作可靠、寿命长、成本低,保养维护简便。但是,与直流电动机相比,它调速性能差,起动转矩小,过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率,故功率因素低,轻载时尤甚,这大增加了线路和电网的损耗。长期以来,在不要求调速的场合,例如风机、水泵、普通机床的驱动中,异步电动机占有主导地位,当然这类拖动中,无形中损失了大量电能。
过去的电力拖动中,很少彩同步电动机,其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动,静止的转子磁极在旋转磁场的作用下,平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题,但在70年代以前,变频电源是可想而不可得的设备。所以,过去的电力拖动中,很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内,偶尔也有同步电动机运行的例子,但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。
自70年代以来,科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用,主要的原因有:
1、高性能永磁材料的发展
永磁材料近年来的开发很快,现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1:5,第二代钐钴2:17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料,虽其具有剩磁感应强度高,热稳定性好等优点,但它矫顽力低,抗退磁能力差,而且要用贵重的金属钴,成本高,这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料,其最大的特点是价格低廉,有较高的矫顽力,其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世,它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度,矫顽力比铁氧体高,但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现,它具有高的剩磁感应强度,高的矫顽力,高的磁能积,这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大,居里点低,容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高,这些缺点大多已经克服,现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃,一般也可达150℃,已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。
表1各种永磁材料的性能比较
永磁材料剩磁(T)Br(T) 矫顽力HcB(KA/m) 内禀矫