根据一些研究,电动机约占总消耗量的45%雷电竞ray官方下载雷竞技app下载官方版雷竞技app下载官方版电能[1].如果我们把分析的重点放在一个消耗能量最多的领域,即工业领域,发动机的比例上升到大约三分之二。
考虑到目前正在运行的机器中有几台已经过时了,很明显,用更高效的新电机替换对环境和资源的开发,以及制造成本和竞争力都将带来重要的优势。例如,他们估计,在欧洲唯一一个,使用前沿驱动技术而不是过时的驱动技术可以决定每年减少135太瓦时和CO2由6900万吨的排放量[2]。评估整个生命周期在恒速运转的马达,我们可以验证与能源消耗连接支出占目前世界主要的百分比总消耗(甚至超过90%,[3])。
由于这些原因,在欧洲联盟以及在中国和其他国家的美国以及在美国处于强制性的监管计划,规定强制性遵守新装置逐步提高效率的必要条件。根据这一点最低能效标准(MEPS),例如,功率范围自2017年一月在欧盟市场上发行0.75至375千瓦的电机必须,如果搭载变频器具有IE3能效水平或IE2效率水平(见图1),除了极少数例外。

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图1所示。与IEC/EN 60034-30- 1:14规定的IE等级相对应的效率值。

随着当今电机中最漫雷竞技官网长的技术,异步电动机一个(或感应电动机,IM),要求在今后的改进将是不可能的,至少在合理的成本,并为所有功率范围。这些方面,与其他因素,如降低能耗的重要性的认识不断提高相结合是导致采用的电机几乎蔓延到现在为止,如永磁同步电动机,[4] [5]。事实上,这类电机特征具有允许效率和功率密度的显着提高的内在特征,特别是非常低的转子损耗。
即使在80年代“无刷”伺服电机(即表面贴装式PMSM, SM - PMSM)已经被用于工业自动化,由于其出色的控制性和高动态,未绕线转子的电动同步电机的应用仍然长期限于特定的应用。雷竞技app下载官方版相反,在过去的几年里,由于上述有关效率和降低电机和逆变器的生产成本的因素,这种类型的电机的采用正在显著地蔓延。

交流电动机分类

大多数交流电机是三相的,即使有一些例外,如单相和步进电机(通常是两相)。最重要的区别通常是同步电机和异步电机之间的区别,这种区别是基于这样一个事实,即在稳定状态下,机械转速与定子磁场的旋转频率严格相关(同步)或不相关。这种差异具体反映在以下事实中:为了在异步电机中产生转矩,转子中存在感应电流是必要的,而在同步电机中不需要(相反,也不希望)存在感应电流。
同步机的事实,磁转子场几何结合到转子本身的机械位置的特征。可以通过电流来产生转子磁场,其通过绕组(与绕线转子同步电机),由永久磁铁(永久磁铁同步)或由定子电流本身,由转子(同步磁阻)的磁各向异性调制运行。
从结构上看,目前绝大多数的径向流电机的转子和定子都是堆垛制造的铁磁层压巧空白,解决方案旨在阻碍寄生虫电流。转子通常是圆柱形的,并且可以配备有空间以容纳永磁体或导电材料。
在图1中。如图2所示,示意性地列出了刚列出的各种类型的电动机的部分(除了与伤口转子的同步1外)。

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图2所示。各种转子配置(从左到右):异步或异步电机(IM),内部永磁同步电机(IPMSM),内部永磁同步电机与转子笼(线启动IPMSM),表面永磁同步电机(SM-PMSM)同步磁阻电机(SynRM)。

最暗的区域(槽)对应于线圈,永磁体用蓝色表示,而灰色区域代表铁磁材料(层压)。正如你所看到的,不同电机类型之间的差异集中在转子上,而定子(除非特殊情况)可以以相同的方式实现。在异步电机中,转子槽由熔合器填充,构成所谓的“鼠笼”,通常用铝或最近用铜(成本较高,以减少损失)制成。
在永磁电机中,相反,磁铁可以被引入到转子结构内部的适当雕刻(IPMSM和线启动IPMSM)或应用于SM - PMSM的表面。SynRM情况下,相反,转子内部的雕刻只是空虚,被称为“流动的障碍”,因为他们执行的功能增加了磁阻(即反对磁通流部分)的能力以及一些方向,支持而不是他人(即路径更具有铁的存在)。
轮到轮,可以根据扭矩生产原理细分同步电机。在表面永磁电动机中,由于由永磁体和定子电流产生的场之间的相互作用,仅发生扭矩产生。
反之亦然,磁阻电机,它利用了系统的倾向,以最小化磁路的磁阻,如果受到激励。在内部永磁电机(IPMSM)中,这两种原理通常被采用。
在永磁体的生产中,使用特定的材料,以实现高感应值和防止退磁的风险(通常与高温或高磁场有关)。最常用的材料是钕-铁-硼,钐-钴和铝-镍-钴。特别是在SM - PMSM的情况下,有源磁性材料的数量高,原材料在总成本中的比重大。这种情况因所谓的“稀土”[7]价格的剧烈波动而恶化,[7]是少量使用但对磁体质量非常重要的元素。除了成本和可得性问题外,这些材料的开采、贸易和处置也引起了重要的环境、政治和伦理问题。由于这些原因,大量的资源被投入到不同材料的研究和开发中,特别是在电机项目中,尽量减少使用永磁体,[8],或允许使用所谓的铁氧体,即陶瓷磁性材料,使用较少的问题材料。

电源通过逆变器控制

同步电动机的一个消极方面来自于不可能推动他们简单地将它们与网络连接(Direct On - Line, DOL),因为它只发生在异步对象上。因此,对于永磁同步或磁阻电机的运行,存在一个“驱动器”是必要的,即真正的逆变器(一个纯电子功率执行器),电子控制器和在其中实现的算法的整体组成。在数字设备上实现的控制算法,以每秒10,000次的频率更新。尽管有额外的成本,但值得考虑改变运行条件的可能性,特别是速度,这在一些应用中带来了重要的优势(特别是泵和风扇,在那里可以显著节省能源)。
在PWM (Pulse Width Modulation)中控制逆变器,可以有效地产生具有幅值、频率和任意相位特征的电压。
由于在同步电动机中,扭矩取决于当前幅度和与转子的磁轴的相位关系,在控制算法中,通常使用公园坐标变换,从而使三相系统与转子一体的参考系统集成轴(图6)。

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图6所示。左侧:直接驱动冷却塔电机,无安全壳;右侧为定子片的下料轮廓(右侧)(网站ABB-Baldor)。

关于转子位置是那么对于同步电动机的控制是必不可少的。在一些应用中,其中需要没有特别的控制性能,因此,能够消除机械位置传感器,由于成本和可靠性降低从它而产生。“无传感器”控制技术已在实际上已经被开发,转子位置估计利用电流和电压测量(变频器内部反正必要)和电机模型,其中。
无传感器技巧对于同步电机,九十年代以来开发的,最初发现在某些特定的情况下应用。在目前所谓的“逆变器”产品,即这些驱动器用于一般用途,这种类型的第一个算法在2000年代后期被引入,成为然后在过去几年中几乎是标准装备。不幸的是,这些解决方案仍然几乎不受自动化运营商知道,即使其有效性已经得到证实,尤其是在像泵和风机常见的应用。
由于电机制造商提供的数据往往不足以校准控制算法的所有参数,因此开发了“自调试”方法,换句话说,调试时操作人员干预最小。第一步是参数的自动识别(“自我识别”),方法由驱动本身实现,然后进行真正的校准,即选择控制参数的值。产业界和学术界都在积极研究这些方面,在意大利范围内也有非常有趣的建议,[10]-[14]。

结构细节

如前所述,各种类型交流电机之间最大的区别主要在于转子结构。事实上,与相应的异步电机相比(最终改变绕组的匝数),同步电机设计的各种情况下,其他部分几乎不变。这种方法在过去几年中得到了广泛的应用,目的是满足通用的应用,精确地替代异步电机。除了在制造成本方面的明显优势外,在整体尺寸、支架和外部固定点方面的等效部件的使用,允许采用这些电机而不修改其余的机械结构。在这方面,创新的例子以意大利公司的产品为代表,如图5所示的内置永磁同步电机和磁阻电机系列。

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图4的园的表示坐标变换,在矢量控制的基础。

在同步电动机,特别是在永磁体内,可以实现大量极数,具有相同电压的速度降低,并且具有相同电流的扭矩增加。通过类比,这些项目中的这种自由度可以通过模拟使用机械减速器,因此在某些应用中,它允许使用直接驱动连接,在效率,整体尺寸,成本方面具有一些优点,可靠性和控制精度。该解决方案已采用在工业机器(例如,在制造纸张中,[14]),在防空部门(升降机)中,在空中处理(冷却塔风扇,[15])和一些家用电器(特别是洗衣机)。
在[15]中考虑的项目中,定子包(层压)已被用作结构元素,而不添加外壳。图6还报告了定子设计层压,其中是可见的外部翼为散热。由于在高度的限制的总体尺寸,该电动机安装在冷却塔的基础上,在轴与风扇,从而避免与异步的直角传动和减速,这是在传统的配置,而不是必要的(马达)。

应用程序

第一个应用程序民间部门永磁同步电动机包括调节系统,由于能源消耗的重要性,在这种情况下。在制冷以及(工业和家用),采用同步电动机的已逐渐成长。此外,一个特定的情况下,通过循环泵用于加热,由于效率的原因,现在几乎完全基于在传感器控制永磁同步电机的植物来表示。
之中家用电器在洗衣机使用这些类型的电机,在过去几年中已成为普遍现象。使用同步电机来代替的异步或通用(与刷)已准许一方面整体尺寸的减小和所用材料的数量的,在另一方面更好的可控性,也与采用的解决方案,如挂机械直接驱动连接。在后一种情况下,由于外形尺寸的限制和扭矩的必要条件,转子通常是外部和整个电动机是平的,并与大直径(图7)。

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图7.直接驱动永磁同步电动机,外转子(网站LG)。

这种类型的机器的生产的细节,也被其他特定的应用程序共享,是齿上绕组(每个定子齿的明显绕组)。
在这种类型中,闲置铜件减少,但它变得更难设计的机器与低转矩脉动。从整体操作的角度来看,直接联轴器也提供了优势,除了速度控制之外,还便于罐内的负载识别及其布置。
由于洗衣机的特定工作循环,包括旋转干燥,高速(超过标称值)的操作很重要。这种方式被称为“去焊药“,因为,由于与流动成比例的电压和速度,通过适当的控制减少了整体流程,以允许更高速度和固定电压的操作。在这种情况下,内部永磁体同步电动机是主要候选者,因为它们可用的扭矩不会突然超出标称速度。
同步电动机高度存在的范围是电梯,尤其是大尺寸的。在这种情况下,也实施了具体的解决方案,如Fig. 8所示,允许直接负载运动(无齿轮)。

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图用于与轴向流动(网站通力)永磁同步电动机的无齿轮升降机8.升降系统。

在这种情况下,它是一个轴流电机,即定子和转子之间的间隙(磁隙)被平行于轴的磁力线穿过。
其他特定应用领域的关注可再生能源(例如风能)和航空电子设备在那里,他们追求“更多电动飞机”(更换液压或气动执行器)的目标。雷竞技app下载官方版高效率和高密度电机的使用也正在推广牵引,包括道路范围(从自行车到重型车辆和操作机器),铁路/电车部门和工业部门(叉车和类似的)。

参考书目

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  3. “用节能驱动和电机提升工业盈利能力”,ABB宣传册,2016年
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  5. Lipo,T.A,“同步磁阻机 - 交流驱动器的可行替代品。”,威斯康星电机和电力电子联盟,研究报告,1991。雷竞技app下载官方版
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1评论

  1. 令人惊奇的文章,你已经在你的文章中涵盖了电机的所有重要方面,并使你的读者熟悉电机的类型及其主要应用和工作效率。雷电竞ray官方下载雷竞技app下载官方版

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