永磁电机

永磁电机系列永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高结构简单，是很好的节能电机，随着高能的永磁体的发展，永磁电机目前已得到广泛应用。本栏介绍了永磁电机的几种主要形式，对目前流行的无刷直流永磁电动机作了较详细的介绍。永磁直流电机永磁直流电机是用永久磁体来建立电机所需的磁场，无需另用电源进行励磁。在电动机课件栏目里，在介绍电动机原理时磁场是永磁体产生的，那个八槽直流电动机原理模型是用一个U形永久磁铁来产生磁场。在过去由于永磁体磁性能差，磁力弱又易退磁，只在一些出力小的电机中使用，多用在玩具与教学仪器中。近十多年永磁电机得到飞快发展得益于永磁体的飞速发展，永磁直流电机也从玩具、仪器仪表、家电走向交通工具等大型电机。永磁直流电机的工作原理、结构与普通直流电机相似，只是用永磁体磁极代替用电流励磁的磁极，本节介绍一个小型永磁直流电动机的结构，永磁直流发电机的基本结构与之相同就不再介绍。这是一个四极直流电机，下图为电机的四个永磁体磁极，排列在同一圆周上。钕铁硼是目前最好的永磁体材料，磁力非常强大、矫顽力很高，性能好的永磁电机多选用钕铁硼做磁极。磁极固定在机壳内，机壳同时为电机提供磁路。在下图中用蓝色的磁力线表示电机的磁路。永磁电机不需励磁电流发热较少，但机壳为防铁粉污染多为密封，一般通过机壳外周多个散热片进行散热；端盖板延伸到机壳外兼做机脚，整个构成电机的定子机座，通过机脚来安装固定电机。永磁直流电机的转子由转子铁芯，转子绕组、换向器、转轴构成，与普通直流电机的转子一样，有关内容请参考电动机课件栏目直流电动机一节。电流通过电刷连接转子绕组，四极电机一般有四组电刷，一同装在刷架上，共同构成电刷组件。下图显示了转子与电刷组件的相对位置。把转子与电刷组件插入定子，如下图下图为合上端盖的永磁直流电机剖面图下图为永磁直流电机外观图。盘式永磁直流电机盘式永磁电机的轴向尺寸较小，外形像圆盘一样。一般电机定子与转子间气隙磁场方向为经向，而盘式电机为轴向。除了磁场方向不同，工作原理与普通电机相同。下面介绍一种盘式永磁直流电机的结构，这是四极直流电机，四个扇形永磁体磁极摆成平面，如下图四个扇形永磁体磁极安装在主端盖上，主端盖与上端盖为导磁良好的钢材制造，两端盖闭合后形成良好的磁路。在磁极与上端盖间有工作气隙，磁场在气隙间的方向为轴向，在下图中蓝色的磁力线显示了磁路与磁场走向。扁盘状转子在磁极与上端盖间的气隙间旋转，转子线圈呈扇形，下图是两个线圈与磁极的位置对应图。电机转子共有36个线圈排列成盘状该电机转子采用无铁芯结构，把线圈封装在绝缘材料内，压成盘状，构成无铁芯盘状转子,绝缘材料可用含聚脂玻璃纤维塑料或酚醛塑料等。在盘状转子中部有换向器，见下图。本机采用平面换向器，扇形换向片平铺在同一平面上，呈圆环状。电刷装在刷握内，刷握内有弹簧把电刷压向换向器，刷握安装在主端盖上。把盘状转子安装在转轴上，再安装在机座的气隙内，让转子在气隙内自由转动，装好的电机平面剖面图如下。下图就是安装好的盘式永磁直流电机的立体剖面图。以下两图是盘式永磁直流电机的立体外观图。盘式无铁芯永磁电机由于转子无铁芯，电感小，换向火花小，关键是非常适合需要使用薄形电机的场合。盘式永磁电机结构有多种，在本网“直驱式永磁风力发电机”栏目里有中间转子盘式发电机与中间定子盘式发电机的介绍。永磁同步电动机近些年永磁同步电动机得到较快发展，其特点是功率因数高、效率高，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机，其中异步起动永磁同步电动机的性能优越，是一种很有前途的节能电机。在本网“电动机系列”栏目中“同步电动机原理”一节中已讲到有永久磁铁转子的同步电动机原理模型，本节将进一步介绍永磁同步电动机的原理与结构。永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样，多为4极形式，绕组按3相4极布置，通电产生4极旋转磁场。下图是有线圈绕组的定子示意图。下图是装在机座里的定子。永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，下左图就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见下右图，这是一个4极转子。根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。下左图是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。下左图也是一种嵌入式永磁转子，永磁体嵌装在转子铁芯内部，为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯开有空槽或在槽内填充隔磁材料。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。下图为装上转轴的转子,在转子铁芯两侧装上风扇然后与定子机座组装成整机，见下图。这种永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场旋转。这种永磁同步电动机多用在变频调速场合，启动时变频器输出频率从0开始上升到工作频率，电机则跟随变频器输出频率同步旋转，是一种很好的变频调速电动机。通过在永磁转子上加装笼型绕组，接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转。这就是异步起动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电机。为了安装笼型绕组，在转子铁芯叠片圆周上冲有许多安装导电条的槽，在转子铁芯内部嵌装永磁体，永磁体安装方式有多种，也可以按前面介绍的形式安装。这里的安装方式见下图，这也是一个4极转子，为了防止永磁体的磁通通过转轴短路，在转轴与转子铁芯间加装有隔磁材料，转子的磁通走向见下图左。笼型转子有焊接式与铸铝式：在转子每个槽内插入铜条，铜条与转子铁芯两侧的铜端环焊接形成笼型转子；与普通交流异步电动机一样采用铸铝式转子，将熔化的铝液直接注入转子槽内，并同时铸出端环与风扇叶片，是较廉价的做法，下图是一个铸铝式笼型转子。把转子与定子、机座等部件进行组装，组装成的整机剖面图见下图。异步起动永磁同步电动机可以直接接通三相交流电源使用，方便又节能。二相导通星形三相六状态无刷直流永磁电动机工作原理直流电动机运行效率高、调速性能好，直流永磁电动机又有节能的优点，但电机中的电刷换向器存在火花、无线电干扰、噪声，因磨损而寿命短，使直流电动机的应用受到很大限制。近年来功率电子器件的迅速发展使得采用电子开关代替换向器成为现实，无刷直流永磁电动机才得以迅速发展。有电刷直流永磁电动机工作原理还是基于通电导体在磁场中受力的原理，而无刷直流永磁电动机的工作原理则不同，是靠定子磁场与转子磁场间的作用力拉动转子转动的。定子的基本结构类似交流三相电机，三个线圈绕组由电子开关元件按规律接通直流电源形成旋转磁场，从而拉动转子旋转。ABC三组线圈的连接方式也与交流电机的三相线圈一样，有星形接法与三角形接法，图1下左是星形接法，图1下右是三角形接法。星形接法在无刷直流永磁电动机应用较多，图2是星形接法线圈与电子换向器的连接图，由换向器中六个开关晶体管BG1至BG6组成的桥式电路切换通过ABC三个线圈的电流。例如BG1与BG5导通时电流从A线圈流进B线圈流出；如果BG2与BG4与BG6导通时电流从B线圈流进从A线圈与C线圈并联流出。每个开关晶体管旁并联有续流二极管为开关晶体管关断时提供续流通路。我们通过一个实际的结构模型来展示三个线圈电流的切换顺序，这是一个典型结构，模型由六槽结构的定子与两极永磁转子组成，图3是六槽定子示意图，定子内圆周有六个嵌线槽。在嵌线槽内嵌有ABC三个线圈，三个线圈按星形连接，图4是嵌有线圈的定子示意图。转子由永磁体构成，可在定子内自由旋转，见图5。用该模型的正视图来表演线圈磁场的切换与转子跟随转动的过程，在图中用两根平行的箭头来表示线圈产生磁场的方向，以此图作动画，见图6。根据图2的星形接法线圈与电子换向器的连接图与下面动画的截图来说明开关晶体管是如何控制产生旋转的磁场，图中标注的“红色A+、B+、C+”表示相应线圈与电源正极接通，“蓝色A-、B-、C-”表示相应线圈与电源负极接通。当开关管BG1与BG5导通时，电流由A组线圈进B组线圈出，两个线圈形成的合成磁场方向向上，，规定此时的磁场方向为0度、转子旋转角度为0，见图7左。当开关管BG1与BG6导通时，电流由A组线圈进C组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到60度，转子也随之转到60度，见图7右。当转子转到60度时，开关管BG2与BG6导通时，电流由B组线圈进C组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到120度，转子也随之转到120度，见图8左。当转子转到120度时，开关管BG2与BG4导通时，电流由B组线圈进4组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到180度，转子也随之转到180度，见图8右。当转子转到180度时，开关管BG3与BG4导通时，电流由C组线圈进A组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到240度，转子也随之转到240度，见图9左。当转子转到240度时，开关管BG3与BG5导通时，电流由C组线圈进B组线圈出，形成的磁场方向顺时针转到300度，转子也随之转到300度，见图9右。当转子转到300度时，将回到初始状态，开关管BG1与BG5导通，电流由A组线圈进B组线圈出，磁场方向转回0度，转子也转回0度，完成一周旋转，见图7左。如果需要电动机反转，将以上一周的六个开关状态顺序反过来执行即可，当然开始反转的开关状态必须与正转结束时的开关状态相衔接，而且要有缓冲时间。以上控制方式在任何时间都是两相线圈导通，一周内有六种状态，故称之为“二相导通星形三相六状态”，是一种常用的控制方式。在后面我们可通过动画更直观的看到转子随磁场转动的过程。控制器是如何知道转子转到该切换的位置呢，这就靠转子位置检测装置，目前主要采用光电器件或霍尔元件进行位置检测。在此我们介绍一下光电传感元件，图10是光电开关元件，左边是透射式光电开关，右边是反射式光电开关，都是由发光二极管与光敏三极管组成，一般封装在一个模块里。在透射式光电开关里，发光二极管发出的光线照到光敏三极管使之导通，当有物体在两者之间隔断光线时光敏三极管截止，这样就可以检测到通过光电开关的物体了。在反射式光电开关里，发光二极管发出的光线经物体反射到光敏三极管使之导通，没有物体在附近时光敏三极管截止，这样就可以检测到经过光电开关旁的物体了。本模型采用透射式光电开关元件，三个光电开关元件依转轴为轴线按120度排列，在转轴上固定一个半圆形的遮光板，见图11，当转轴转动时遮光板将断续切断光电开关的光线，光电开关便输出开关信号，光电开关元件与遮光板组成转子位置检测装置。准确安装位置检测装置可实现在一周内准确发出六段控制信号，使控制器准确切换各线圈的电流，使电动机顺畅的旋转。近年来流行无位置检测装置的无刷直流永磁电动机，可使电机结构更简单，运行更可靠，一般是通过以下方法来获取转子的位置信号：利用线圈产生的反电动势变化来获取转子的位置信号；通过检测导通线圈的续流二极管状态来获取转子的位置信号；还有其他方法。相关内容请参阅有关资料。图12是六槽无刷直流永磁电动机模型的结构示意图。（观看该模型电动机的磁场与转子旋转动画）二相三相轮流导通星形三相十二状态---无刷直流永磁电动机工作原理在“二相导通星形三相六状态无刷直流永磁电动机工作原理”一节中介绍了无刷永磁电动机一周六状态的工作流程，本节将介绍另一种结构与另一种工作状态的模型。模型仍然采用星形连接的ABC三组线圈进行励磁，图1是星形接法线圈与电子换向器的连接图，由换向器中六个开关晶体管BG1至BG6组成的桥式电路切换通过ABC三个线圈的电流。例如BG1与BG5导通时电流从A线圈流进B线圈流出；如果BG2与BG4与BG6导通时电流从B线圈流进从A线圈与C线圈并联流出。新的模型由一个六凸极结构的内定子与两极永磁外转子组成，我们将通过这个模型来展示三个线圈电流的切换顺序，图2是六凸极结构的内定子。图3是凸极上绕上励磁线圈的定子，线圈的绕向见图5，在定子外周有外转子，外转子有一对永磁体磁极，粘贴在外转子磁軛上，外转子可在定