Структура
Синхронният двигател с постоянен магнит се състои основно от статор, ротор и краен капак. Статорът е ламиниран от ламинации, за да се намалят загубите на желязо, генерирани, когато двигателят работи. Има трифазни AC намотки, наречени арматури. Роторът може да бъде направен в твърда форма или може да бъде пресован от ламинации, върху които са монтирани материали с постоянен магнит. Според позицията на материала с постоянен магнит върху ротора на двигателя, синхронният двигател с постоянен магнит може да бъде разделен на две структурни форми: изпъкнал тип и вграден тип. Фигура 1 показва съответната схематична диаграма. Структурата на магнитната верига на изпъкналия ротор е проста и производствените разходи са ниски, но тъй като стартовата намотка не може да бъде монтирана на повърхността, не може да се реализира асинхронно стартиране.
Структурата на магнитната верига на вградения ротор включва главно три типа: радиална, тангенциална и хибридна. Разликата между тях се състои в съотношението между посоката на намагнитване на постоянния магнит и посоката на въртене на ротора. Фигура 2 показва структурата на магнитната верига на три различни типа вградени ротори. Тъй като постоянните магнити са поставени вътре в ротора, повърхността на ротора може да бъде направена в полюсни обувки. Полюсните обувки са вградени в медни пръти или лят алуминий, за да играят ролята на стартиране и затихване, а стабилното състояние и динамичното представяне са добри. В допълнение, тъй като вградената магнитна верига на ротора е асиметрична, по време на работа ще се генерира въртящ момент на нежелание, което спомага за подобряване на плътността на мощността и капацитета на претоварване на самия двигател, а тази структура е по-лесна за постигане на слабо магнитно разширяване на скоростта.
Принцип на работа
Когато трифазният ток протича в трифазната симетрична намотка на статора на синхронния двигател с постоянен магнит, магнитодвижещата сила, генерирана от тока, синтезира въртене с постоянна амплитуда Магнитодвижеща сила . Тъй като нейната амплитуда е постоянна, траекторията на тази въртяща се магнитодвижеща сила образува кръг, който се нарича кръгова въртяща се магнитодвижеща сила. Големината му е точно 1,5 пъти максималната амплитуда на еднофазната магнитодвижеща сила, т.е.
Във формулата F е кръговата въртяща се магнитодвижеща сила (T·m); Fφl е максималната амплитуда на еднофазна магнитодвижеща сила, (T·m); k е коефициентът на основната намотка; p е броят на двойките полюси на двигателя; N е броят на серийните навивки на всяка бобина; I е ефективната стойност на тока, протичащ в намотката, A. Тъй като скоростта на въртене на синхронния двигател с постоянен магнит е винаги синхронна, основното магнитно поле на ротора и въртящото се магнитно поле, генерирано от кръговата въртяща се магнитодвижеща сила на статорът остава относително статичен. Двете магнитни полета взаимодействат, за да образуват съставно магнитно поле във въздушната междина между статора и ротора. Той взаимодейства с основното магнитно поле на ротора, за да създаде електромагнитен въртящ момент Te, т.е.
Във формулата Te е електромагнитният въртящ момент (N·m); 0 е ъгълът на мощността, rad; BR е роторът Основното магнитно поле, T; Bnet е синтетичното магнитно поле на въздушната междина, T. Поради разликата в позиционната връзка между синтетичното магнитно поле на въздушната междина и основното магнитно поле на ротора, синхронният двигател с постоянен магнит може работи или в състояние на двигател, или в състояние на генератор. Трите работни състояния на синхронния двигател с постоянен магнит са показани на фигура 3. Когато композитното магнитно поле с въздушна междина изостава от основното магнитно поле на ротора, генерираният електромагнитен въртящ момент е противоположен на посоката на въртене на ротора и двигателят е в състояние на производство на електроенергия; напротив, когато композитното магнитно поле с въздушна междина води основното магнитно поле на ротора, генерираният електромагнитен въртящ момент е същият като този на ротора. Посоката на въртене на ротора е същата и двигателят в този момент е в електрическо състояние. Ъгълът между основното магнитно поле на ротора и съставното магнитно поле на въздушната междина се нарича ъгъл на мощността.
Синхронният двигател с постоянен магнит се състои от два ключови компонента, а именно многополяризиран ротор с постоянен магнит и статор с подходящо проектирани намотки. По време на работа въртящият се многополяризиран ротор с постоянен магнит образува променлив във времето магнитен поток във въздушната междина между ротора и статора. Този поток генерира променливо напрежение на клемите на намотката на статора, което формира основата за генериране на електроенергия. Обсъденият тук синхронен двигател с постоянен магнит използва пръстеновиден постоянен магнит, монтиран върху феромагнитна сърцевина. Вътрешните синхронни двигатели с постоянен магнит не се разглеждат тук. Тъй като е много трудно магнитите да бъдат вградени в галванично феромагнитно ядро, чрез използване на магнити с подходяща дебелина (500 μm) и високоефективни магнитни материали в ядрата на ротора и статора, въздушната междина може да бъде направена много голяма (300 ~ 500 μm ) Няма очевидна загуба на производителност, което кара статорната намотка да заема определено пространство във въздушната междина, което значително опростява производството на синхронния двигател с постоянен магнит.
Класификация
Класифициран според режима на захранване на възбуждащия ток
Синхронният двигател с постоянен магнит е синхронен двигател, който използва постоянни магнити за установяване на възбуждащо магнитно поле и неговият статор генерира въртящо се магнитно поле. Роторът е изработен от материал с постоянен магнит. Синхронните двигатели се нуждаят от постояннотоково магнитно поле, за да реализират преобразуване на енергия, а постоянният ток, който генерира това магнитно поле, се нарича ток на възбуждане на двигателя.
Мотор с отделно възбуждане: двигател, който получава възбуждащ ток от други източници на енергия.
Двигател със самовъзбуждане: Двигател, който получава тока на възбуждане от самия двигател.
Класифицирани по честота на захранване
Безчетковите двигатели с постоянен магнит включват безчеткови постояннотокови двигатели с постоянен магнит и безчеткови променливотокови двигатели с постоянен магнит. Всички двигатели се нуждаят от захранване с честотно преобразуване, когато работят. Първият изисква само инвертор с квадратна вълна за захранване, а вторият изисква инвертор със синусоида за захранване.
Класифициран по разпределение на магнитното поле на въздушната междина
Синхронен двигател с постоянен магнит със синусоида: Магнитните полюси са изработени от материали с постоянен магнит и когато се подава трифазен синусоидален ток , магнитното поле на въздушната междина Разпределено според синусоидалния закон, то се нарича накратко синхронен двигател с постоянен магнит.
Синхронен двигател с постоянен магнит с трапецовидна вълна: Магнитните полюси все още са материали с постоянен магнит, но се въвежда токът с правоъгълна вълна, магнитното поле на въздушната междина се разпределя в трапецовидна вълна и производителността е по-близо до това на DC мотор. Самоконтролиращ се синхронен двигател с променлива честота, съставен от синхронен двигател с постоянен магнит с трапецовидна вълна, се нарича още безчетков DC двигател.
Метод на управление
Метод за управление на съотношението постоянно напрежение/честота на синхронен двигател с постоянен магнит
Съотношение постоянно напрежение/честота на синхронен двигател с постоянен магнит Методът на управление е подобен на метода за управление на постоянното съотношение напрежение-честота на AC индукционни двигатели. Амплитудата и честотата на входното напрежение на двигателя се контролират да се променят едновременно, така че потокът на двигателя да е постоянен. Методът за управление на постоянното съотношение напрежение-честота може да се адаптира към изискванията на широк набор от системи за регулиране на скоростта.
При предпоставката да не подава физически сигнали като ток, напрежение или позиция, той все още може да постигне определена точност на управление. Това е най-голямото предимство на метода за управление на постоянното съотношение напрежение-честота. Методът за управление на постоянното съотношение напрежение-честота има прост алгоритъм за управление и ниска хардуерна цена и е широко използван в областта на инверторите с общо предназначение. Недостатъците на метода за управление на постоянното съотношение напрежение-честота също са очевидни. Тъй като няма обратна връзка за скорост, позиция или каквито и да е други сигнали по време на процеса на управление, е почти невъзможно да се получи информация за работния статус на двигателя и също така е невъзможно точно да се контролира скоростта или електромагнитния въртящ момент и работата на системата. Като цяло, динамичната реакция е лоша, особено когато дадената целева скорост се промени или натоварването се промени внезапно, има вероятност да възникнат проблеми като отклонение от стъпката и трептене. Очевидно този вид метод на управление не може да контролира отделно въртящия момент и тока на възбуждане и е лесно да има голям ток на възбуждане по време на процеса на управление, което се отразява на ефективността на двигателя. Поради това този метод на управление често се използва в инвертори с общо предназначение с ниски изисквания за производителност, като например климатици, управление на задвижване на конвейерна лента и енергоспестяваща работа на водни помпи и вентилатори.
Технология за директен контрол на въртящия момент на синхронен двигател с постоянен магнит
Директен контрол на въртящия момент (директен самоконтрол, DSC) конструира връзката на потока и електромагнитния модел на въртящия момент върху статичната координатна система на статора, електромагнитния въртящ момент и статорния поток връзката се контролира чрез прилагане на различни вектори на напрежение. Методът за директно управление на въртящия момент има предимствата на прост алгоритъм и добра реакция на въртящия момент. Поради това този метод е широко използван в случаи, които изискват висока преходна реакция на въртящия момент.
Поради присъщите недостатъци на управлението, методът за директно управление на въртящия момент има ниска честота на управление и голяма пулсация на въртящия момент, когато скоростта е ниска. Следователно намаляването на вълните на въртящия момент при ниска скорост също се превърна в изследователска гореща точка в метода за директно управление на въртящия момент. Sun Xiaohui и др. намаляване на пулсациите на въртящия момент при ниска скорост чрез оптимизиране на времето за действие на вектора на напрежението и ефектът е по-добър. D.casadei и др. приложи метода за директно управление на въртящия момент към управлението на асинхронен двигател с променлив ток, базиран на технологията за дискретна пространствена векторна модулация, което намали пулсациите на въртящия момент.
Технология за векторно управление на синхронен двигател с постоянен магнит
Технологията за векторно управление се ражда в началото на 70-те години. Трансформацията разлага събрания трифазен статорен ток и връзката на потока на двигателя на два компонента според посоката на връзката на потока на ротора, която е векторът на въртене. Единият е по посока на връзката на роторния поток, която се нарича ток на възбуждане на правата ос; другият е ортогонален В посоката на потока на ротора се нарича квадратурен моментен ток. Регулирайте тока на възбуждане и тока на въртящия момент според различните цели на управление и след това реализирайте прецизния контрол на скоростта и въртящия момент, така че системата за управление да може да получи добри стабилни и динамични характеристики на реакция.
Според различните цели на управление, векторният алгоритъм за управление на синхронен двигател с постоянен магнит може да бъде разделен на следните типове: id=0 управление, управление на максимален въртящ момент/ток, управление на отслабване на полето и др. Тези показатели за ефективност могат да бъдат постигнати чрез независимо управление на тока на възбуждане на правата ос и тока на въртящия момент на квадратурната ос.
Предимства
Синхронният двигател с постоянен магнит може да бъде интегрално монтиран на оста, за да образува интегрална система за директно задвижване, т.е. едната ос е задвижваща единица, елиминирайки необходимостта от скоростна кутия. Предимствата на синхронните двигатели с постоянен магнит са следните:
Синхронните двигатели с постоянен магнит имат висока енергийна ефективност и висок фактор на мощността;
Постоянен Магнитният синхронен двигател генерира малко топлина, така че системата за охлаждане на двигателя има проста структура, малък размер и нисък шум;
Системата приема напълно затворена структура, без износване на трансмисионната предавка, без шум от трансмисионната предавка и без шум от трансмисионната предавка. Смазочно масло, без поддръжка;
Допустимият ток на претоварване на синхронния двигател с постоянен магнит е голям и надеждността е значително подобрена;
Цялата трансмисионна система е лека на тегло, а нерессорното тегло е по-леко от това на традиционната осова трансмисия и мощността на единица тегло е по-голяма;
Тъй като няма скоростна кутия, системата на талигите може да бъде проектирана по желание: като гъвкавите талиги и едноосните талиги значително подобряват динамичното представяне на влаковете.
Поради използването на полюси от постоянен магнитен материал, особено използването на постоянни магнити от редкоземни метали (като неодимов желязо, бор и др.), неговият магнитен енергиен продукт е висок и по-висок въздух може да се получи празнина Плътност на магнитния поток, така че когато капацитетът е еднакъв, двигателят е с малък размер и леко тегло.
Роторът няма загуба на мед и желязо и няма загуба на триене на контактния пръстен и четките, а ефективността на работа е висока.
Инерционният момент е малък, допустимият импулсен въртящ момент е голям, може да се получи по-високо ускорение, динамичните характеристики са добри, структурата е компактна и работата е надеждна.
Изследователски горещи точки
Характеристики на въртящия момент на двигателя
За да се подобрят характеристиките на въртящия момент на двигателя, много учени и изследователски институции бяха направени смели опити и иновации направени в структурния дизайн на магнитния синхронен двигател и са направени много нови разработки. За да се разреши противоречието между ширината на процепа и ширината на зъба, беше разработена технология за машина с напречен поток. Бобината на котвата и зъбната структура са вертикални в пространството и основният магнитен поток циркулира по аксиалната посока на двигателя, което подобрява работата на двигателя. Плътност на мощността: Двуслойното разположение на постоянен магнит подобрява проводимостта на квадратурната ос на двигателя, като по този начин увеличава изходния въртящ момент и максималната мощност на двигателя; промяна на формата на зъбите на статора и формата на магнитния полюс за намаляване на пулсациите на въртящия момент на двигателя и др.
Възможност за разширяване на отслабването на полето
След използването на управление на отслабването на полето работните характеристики на синхронните двигатели с постоянен магнит са по-подходящи за изискванията за шофиране на електрически превозни средства. В случай на същото изискване за мощност, капацитетът на инвертора се намалява и ефективността на задвижващата система се подобрява. Следователно синхронните двигатели с постоянен магнит за задвижване на електрически превозни средства обикновено използват отслабване на полето за разширяване на скоростта. Поради тази причина местни и чуждестранни изследователски институции са предложили различни решения, като например използването на двойна статорна структура и различни намотки при различни скорости, за да се увеличи максимално използването на магнитното поле на постоянния магнит; използването на композитна роторна структура, където роторът добавя секция с магнитно съпротивление за контрол Параметрите на реактивното съпротивление на директния и квадратурния вал на двигателя увеличават способността за разширяване на скоростта на двигателя; статорът приема дълбоки канали за увеличаване на реактивното съпротивление на утечка на директния вал, за да разшири обхвата на скоростта на двигателя.
Теория за управление на двигателя
Поради характеристиките на нелинейните и многопроменливи синхронни двигатели с постоянен магнит, управлението му е трудно и алгоритъмът за управление е сложен, а традиционните методи за векторно управление често не могат да отговорят на изискванията. Поради тази причина в системата за управление на скоростта на синхронния двигател с постоянен магнит са приложени някои усъвършенствани методи за управление, включително адаптивен наблюдател, адаптивен референтен модел, метод за инжектиране на високочестотен сигнал, размит контрол, генетичен алгоритъм и други интелигентни методи за управление. Тези методи за управление не зависят от математическия модел на обекта за управление и имат добра адаптивност и устойчивост. Те имат уникални предимства за системи със силни нелинейности като синхронни двигатели с постоянен магнит.