现今电动机设计所面临的挑战

   2023-12-27 工业品商城69
核心提示:永磁电动机具备天生的最高效率,在各类新型技术领域广泛拓展应用,远远领先于其他电机技术。无刷永磁同步电动机(PMSM)的别名众多,如无刷直流电动机、无刷PMAC电动机以及电子控制电动机(ECM)等。 当前广受好评的PMSM电动机,其磁体镶嵌在圆筒转子表面。伺服定位领域的新秀产品,正逐步朝向圆筒轮辐内嵌磁体以及在内部

       永磁电动机具备天生的最高效率,在各类新型技术领域广泛拓展应用,远远领先于其他电机技术。无刷永磁同步电动机(PMSM)的别名众多,如无刷直流电动机、无刷PMAC电动机以及电子控制电动机(ECM)等。

      当前广受好评的PMSM电动机,其磁体镶嵌在圆筒转子表面。伺服定位领域的新秀产品,正逐步朝向圆筒轮辐内嵌磁体以及在内部分离布置永磁构造发展。这些内嵌磁体的产品,在精细定位运动系统中,能够显著增加转矩或是缩小体积和重量。此类伺服电动机广泛用于机械工具、机器人以及半导体设备等领域。

      交通运输领域(如电动自行车、摩托车、汽车等)正瞄准了新PMSM技术。在磁体布置方面,具有代表性的是轴向磁通和横向磁通的PMSM电动机内部。

      轴向磁通PMSM独具特色的圆盘形态,相比常规的圆柱形径向磁通PASM电动机,能生成更强的转矩。如此独特的构造,能轻松适应各种各样的车辆驱动轮中心。

      轴向磁通电动机提供高转矩且电机轴速低,使得许多应用中无需再使用高价变速箱。混合动力或者电力驱动车辆的普及,无疑重新催生了对于牵引用途的轴向磁通电动机的技术评估。

     主要的轴向磁通结构主要有两类:内部PM转子置于两个定子绕组之间,以及两个转子绕定子形成环状。内置PM转子是最常见的构造。各大运输公司引领着这方面的研发工作,而世界各地的大学教授们也对这些类型电动机展开了广泛的评估、设计以及使用,撰写了诸多论文。来自中国的电机公司已经生产了大量的电动自行车配备的轮毂轴向磁通电机。

     近期的经济下滑使公司对轮毂轴向磁通电动机的使用大幅度下滑,然而澳大利亚的KLD Energy Technologies公司依然为小型摩托车制造商提供了一款5KW型号的轴向磁通轮毂机动电机。英国阿宾顿的YASA Motors,为使用无槽或yokeless定子的大型车辆开发了一款轴向磁通电机,能够达到60Nm(44磅-英尺) @ 3600rpm (25 kw)以及96%的峰值效率。几乎所有的轴向磁通电机都是采用高效的钕-铁-硼磁体。

      一个颇具特色的轴向磁通PMSM结构便是NovaTorque公司的PMSM。这种轴向磁通PMSM的轴向长度超过其径向直径。NovaTorque的转子,是将一对由铁酸盐磁体构成的圆锥轮毂组件嵌入在IPM结构的软磁材料之中。这种构造,使得低成本的铁酸盐磁极能够获得与稀土(钕)磁体相似甚至更优的电机性能。

      转子轮毂组件分布在转子的每一端,电动机的磁通线直接(平行于轴)通过定子的轴向磁极。圆锥形状的转子轮毂表面能够带来较大的间隙面积从而改善扭矩。Nova Torque的首款产品,名为Premium Plus+的3hpPMSM轴向磁通电机,能够达到159磅-英寸 (18 Nm) @ 1800 rpm。NovaTorque的行业目标是应用于暖气设备、通风设备以及空调制冷产品的风扇、水泵以及压缩机等。

     横向磁通电机拥有一套繁复的磁路体系。径向磁通及轴向磁通电机可由二维FEA模型及更为直接的数学模型进行模拟,然而横向磁通电机由于其磁路呈现三维形态,故需借助三维FEA模型进行模拟。其U字形磁元件紧密围绕环形定子绕组。横向磁通电机最早于1896年由W.M. Morday所开创。尽管其复杂结构及高额成本使得先进性能的应用进展较为迟缓。幸好钕磁体及软磁复合材料的进步,使得瑞士Biilach的Landert Motoren公司研发出小型横向磁通电机MDD1系列,其额定转矩在3.3 Nm至10 Nm之间@ 300 rpm(100-300 W)。该电机广泛应用于旋转台及各类工业机械中。

  位于韩国的电气研究协会(KERI)已有长达十余年的横向磁通电动机生产史。该协会的机电一体化团队成功研发出旋转及线性电动机。在材料运输系统上的发展已实现高达1120 lbs-force(5000 N)的承载量。横向磁通电机虽然能够实现足够的转矩输出及高功率密度,但制造成本相对较高。因此,目前其使用范围仍然局限在某些特殊领域。

  径向磁通圆柱形电动机也发展出新电机技术,即将永磁、可变磁阻及永磁铁发电机集成至交流感应电动机之中。QMPower即是各种电机技术合并的优秀案例。新的QMPower平行磁路技术(PPMT)将VR和PM技术相融合。两种磁通共用同一电动机磁元件,其中一种磁通由两个永磁铁发电机产生,另一种磁通由永磁铁发电机-定子绕组结构产生。根据QM Power公司的说法,他们的磁力提升了三倍,使得功率密度增加30%,而且还提高了效率峰值。这一技术的突破使得从100瓦等级一跃晋升至百千瓦级别。


 
 
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