电机分类与永磁电机

Posted 2022-10-03 Frey_Liu

电机分类与永磁电机

• 同步电机与异步电机
• 直流电机与交流电机
• 普通电机与变频电机
• 电机的相数
• • 电机的极数
• 伺服系统
• • 伺服电机和步进电机
• 永磁电机
• • 永磁材料磁性能的主要参数
  • 永磁电机的特点
  • 永磁电机与普通电机的区别
  • 永磁电机的分类
  • 永磁电机的缺点
• 参考

电机选型参考电机选型的依据重点和电机选型的基本要素；

同步电机与异步电机

• 异步电机，转子转速与磁场转速不相等，

  三相异步电动机定子绕组加对称电压后，产生一个旋转气隙磁场，转子绕组导体切割该磁场产生感应电势。由于转子绕组处于短路状态会产生一个转子电流。转子电流与气隙磁场相互作用就产生电磁转矩，从而驱动转子旋转。电动机的转速一定低于磁场同步转速，因为只有这样转子导体才可以感应电势从而产生转子电流和电磁转矩。所以该电机被称为异步机，也叫感应电机（InducTIonmotor）。

• 同步电机是转子转速与磁场转速相等。

直流电机与交流电机

• 直流电动机采用直流电源供电，常见的如有刷直流电机，电机内磁场固定不动，洛伦兹力驱动电机内转子旋转，其独特的结构是换向器和电刷，通过电刷和换向器把电流引入转子电枢中，随着线圈的转动转换电流的方向，使转子在定子磁场中受力而产生旋转。另外无刷直流电机（BLDC）由于其采用直流电通断产生的方波控制定子磁场旋转带动电机旋转，也被称为直流电机。

• 交流电动机采用交流电源供电，把交流电通入定子绕组，交流电的大小和方向呈周期性变化，在定转子气隙中产生旋转磁场，旋转磁场在转子绕组中产生感应电流，使转子在定子磁场中受力产生旋转（磁场带动转子转动）。

• 直流电机是磁场不动，导体在磁场中运动；交流电机是磁场旋转运动，而导体不动。交流电机不需要换向器和电刷转换电流方向，与直流电机相比它的结构更简单，功率更大，在工业领域被广泛应用。一般直流电机比交流电机功率要小，特别是无刷电机，克服有刷电机的很多缺点，但是自身也有缺点，比如共振等问题。

• 价格方面，功率相同的直流电机高于交流电机。
  包括控制速度的调速装置，也是直流高于交流的价格，当然结构和维护也有很大的差异。

• 性能方面，因直流电机的速度稳定，转速控制精准，是交流电机无法达到的，所以在转速的严格要求下不得不采用直流电机替代交流电机。
  交流电机调速相对复杂，但却由于化工厂使用交流电源而应用广泛。

普通电机与变频电机

• 普通电机是按恒频恒压来设计的，不可能完全适应变频器调速的要求，因此不能当做变频电机使用。

• 变频器对电机的影响主要在电动机的效率和温升。
  变频器在运行中能产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行，里面的高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜耗、铁耗及附加损耗增加。
  其中最为显著的是转子铜耗，这些损耗会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，比普通电动机温升一般要增加10%－20%。
  
  变频器载波频率从几千赫到十几千赫，使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严重的考验。

  普通电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。

  而变频电源中含有的各次谐波与电动机电磁部分固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力，从而加大噪声。

  由于电动机的工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各结构件的固有振动频率。

  当电源频率较低时，电源中的高次谐波所引起的损耗较大；其次变通电机转速降低时，冷却风量与转速的三次方成正比减小，致使电机热量散发不出去，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。

如何区分普通电机和变频电机

1. 绝缘等级要求更高
   一般变频电机的绝缘等级为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。

2. 变频电机的振动、噪声要求更高
   变频电机要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。

3. 变频电机冷却方式不同
   变频电机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。

4. 保护措施要求不同
   对容量超过160KW变频电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。

5. 散热系统不同
   变频电机散热风扇采用独立电源供电，保证持续的散热能力。

电机的相数

• 日常最多是三相电机，在家用电器里面，还有单相电机和二相电机。

  电机的每一相，其电势矢量在空间都占有一个位置。由于每一相都可以通上正电流和负电流，所以这个矢量的首尾两个方向都是这一相能形成的矢量，也就是相差180度电角度的两个矢量都是1相的。那么1相的电机，在矢量空间就可以用一根通过原点的直线来表示。同理，2相的电机，就可以用2根直线来表示。作为电机的每一相，他们之间应该是相互平等的，也就是说他们在空间的夹角应该相等。那么为了在空间均布这些直线，我们就可以这样来布置：用180度除以相数，就得到一个角度。所有的相直线按这个角度排完，就形成了这个电机的所有相能形成的矢量图。
  

• 二相：二相电机的形状就是个十字，它的一相是可以通过一个单相交流电源供电，另一相则可以通过一个电容来移相。这个就是我们在家用电器上常见的电容运转的两相电机。

电机的极数

三相异步电动机“极数”是指定子磁场磁极的个数。定子绕组的连接方式不同，可形成定子磁场的不同极数。选择电动机的极数是由负荷需要的转速来确定的，电动机的极数直接影响电动机的转速。

电动机转速=60f/p，也就是60乘以电动机频率除以电动机磁极对数。根据公式我们不难看出级数越多，转速越低，极数越少，转速越高。

三相交流电机每组线圈都会产生N、S磁极，每个电机每相含有的磁极个数就是极数。由于磁极是成对出现的，所以电机有2、4、6、8„„极之分。在中国，电源频率为50赫兹，2极同步转速是3000r/min，4极同步转速是1500r/min，6极同步转速是1000r/min，8极同步转速是750r/min。绕组的一来一去才能组成回路，也就是磁极对数，是成对出现的，极就是磁极的意思，这些绕组当通过电流时会产生磁场，相应的就会有磁极。电动机的电流只跟电动机的电压、功率有关系。

电动机极数划分:
两极称为高速电机，四极为中速，六级为低速，大于或等于八极称为超低速。
两级2800-3000转/分钟
四极1400-1500转/分钟
六级900-1000转/分钟
大于或等于八极就低于760转/分钟了。

伺服系统

伺服（Servo），指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，包括位置、速度、加速度和力矩。

伺服控制系统（Servo control system） 是所有机电一体设备的核心，基本设计要求是输出量能迅速而准确地响应输入指令的变化。从自动控制理论分析，伺服控制系统包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。通常分为开环伺服控制系统（open loop）、半闭环伺服控制系统（semi-closed loop）、闭环伺服控制系统（Full-closed loop）。

伺服电机和步进电机

步进电机和伺服电机无论是从工作原理、控制精度、过载能力、运行性能及成本方面来说都存在有较大的差异之处。但是两者各有优势，用户如果想要从中做出选择就需要结合自身的实际需求和应用场景。

• 结构差异（下图分别是步进电机及伺服电机结构图）
  
  

• 工作原理
  这两种电机在原理上有很大的不同，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，查看步进电机的工作原理。

  而伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，这样系统就会清楚发了多少脉冲和收了多少脉冲回来，从而能够精确的控制电机的转动，实现精确的定位。

• 控制精度
  步进电机的精度一般是通过步距角的精准控制来实现的，步距角有多种不同的细分档位，可以实现精准控制。

  而伺服电机的控制精度是由电机轴后端的旋转编码器保证的，一般伺服电机的控制精度要高于步进电机。

• 转速与过载能力
  步进电机在低速运转的时候容易出现低频振动，所以当步进电机在低速工作时候，通常还需采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器或驱动器上采用细分技术等，而伺服电机则没有这种现象的发生，其闭环控制的特性决定了其在高速运转时保持优秀的性能。两者的矩频特性不同，一般伺服电机的额定转速要大于步进电机。

  步进电机的输出力矩会随着转速的升高而下降，而伺服电机则是恒力矩输出的，所以步进电机一般没有过载能力，而交流伺服电机的过载能力却较强。

• 运行性能
  步进电机一般是开环控制，在启动频率过高或者负载过大的情况下会出现失步或堵转现象，所以使用时需要处理好速度问题或者增加编码器闭环控制，查看什么是闭环步进电机。而伺服电机采用的是闭环控制，更容易控制，不存在失步现象。

• 成本
  步进电机在性价比上是有优势的，要实现相同功能的情况下伺服电机的价格要大于同功率的步进电机，伺服电机的高响应、高速性及高精度的优点决定了产品的价格高昂，这是无可避免的。

永磁电机

永磁材料磁性能的主要参数

1. 退磁曲线
   磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，表示永磁体的磁感应强度随磁场强度改变的特性。
2. 回复线
   永磁电机运行时受到作用的退磁磁场强度反复变化的，多次反复变化后形成一个局部的小回线，称为局部磁滞回线。由于该曲线上升部分和下降部分曲线很接近，可以近似用一条直线来代替，陈伟回复线。大部分稀土永磁的退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线重合，可以使永磁电机的磁性能在电机中使用保持稳定，这是电机中使用最理想的退磁曲线。
3. 内禀退磁曲线
   磁性材料在外磁场作用下被磁化产生的内在磁感应强度，称为内禀磁感应强度，描述内禀磁感应强度与磁场强度关系的曲线是表征材料内在的磁性能的曲线，称为内禀退磁曲线。
4. 稳定性
   包括温度稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。

• 温度稳定性，是永磁体由所处环境温度改变而引起磁性能变化的程度。
• 磁稳定性，施加外磁场条件下永磁体磁性能发生变化的情况。一种永磁材料在工作温度时的内禀矫顽力越大，内禀退磁曲线的矩形越好，则这种永磁材料的磁稳定性越高，即抗外磁场干扰能力越强。
• 热稳定性，永磁材料在不同工作温度下施加退磁磁场引起的磁性能变化。
• 化学稳定性， 指受酸、碱、氧气、氢气等化学因素作用，永磁材料内部或表面化学结构发生变化的情况。
• 时间稳定性，通常一定尺寸形状样品的开路磁通时间损失的百分比来表示，也叫自然时效。与材料的内禀矫顽力和永磁体尺寸比有关。

30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85 kJ/m3，矫顽力偏低（36～160 kA/m）），和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积现可达40 kJ/m3，剩磁密度不高（0.2～0.44 T））。60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机。

永磁电机的特点

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。

• 组成上，永磁同步电机主要由定子、转子和壳体部件构成。与普通交流电机一样，定子铁芯为叠片结构，以减小电动机运行时因涡流和磁滞效应铁耗；绕组通常也为三相对称结构，只是参数选取有较大区别。转子部分则形式多样，有带启动鼠笼的永磁转子，也有内嵌式或表贴式纯永磁转子。转子铁芯可以制成实心结构，也可以叠片而成。转子上装有永磁体材料，大家习惯上称之为磁钢。

  当永磁电机的三相定子绕组（各相差120°电角度）通入频率为f的三相交流电后，将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下，主极磁场随着旋转磁场同步转动，因此转子转速亦是同步转速，定子旋转磁场恒与永磁体建立的主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转矩，驱动电机旋转并进行能量转换。

• 性能上，稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来替代传统电机的电励磁场，高效永磁变频电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠，还可做到体积小、重量轻。既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能（如特高效、特高速、特高响应速度），又可以制成能满足特定运行要求的特种电机，如电梯曳引电机、汽车专用电机等。
  高效永磁变频电动机在任何负载下始终保持高效率，相比普通电机节能38%以上，比感应式变频电机节能10%以上。

• 永磁电机正常工作下，转子与定子磁场处于同步状态，转子部分没有感应电流，无转子铜耗和磁滞、涡流损耗，不需要考虑转子损耗发热问题。一般永磁电机为专用变频器供电，天然具有软启动功能。另外，永磁电机属于同步电机，具有同步电机通过励磁强弱调节功率因数的特点，因而功率因数可以设计到规定数值。

• 起动角度，缘于永磁电机由变频电源或配套变频器起动的实际，永磁电机的起动过程实现很容易；与变频电机的起动相似，规避了普通笼型异步电机的起动缺陷。

  永磁同步电动机不能直接通三相交流的启动，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启动旋转。永磁同步电动机的电源采用变频调速器提供，启动时变频器输出频率从0开始连续上升到工作频率，电机转速则跟随变频器输出频率同步上升，改变变频器输出频率即可改变电机转速，是一种很好的变频调速电动机。

• 总之，永磁电机的效率和功率因数可以达到很高，结构非常简单，但是，失磁故障是永磁电机不可回避的问题，当电流过大或温度过高时，会导致电机绕组温度瞬间不断攀升、电流急剧增大，永磁体迅速失磁。在永磁电机控制中，设定了过电流保护装置，避免了电机定子绕组被烧毁的问题，但由此而导致的失磁和设备停运不可避免。

永磁电机与普通电机的区别

永磁电机又称永磁同步电机，多是永磁变频电机，由永磁体激磁，无励磁绕组，不存在励磁损耗。

永磁变频电机与普通电机（或者说普通三相异步电动机）相比，不存在电励磁和相应的损耗，永磁转子不发热，电负荷可以选得很高，因而体积小、功率密度高。
随着新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁电机性能得以进一步提升，优势如下：

• 高效节能
  因励磁磁场由永磁体提供，永磁转子不需要励磁，效率可高达90%以上。
  永磁电机与异步电机相比，高效率运行转速范围宽，节能显著。尤其在低转速运行时，优势更加明显。

• 温升低
  转子无电励磁意味着无损耗发热，因此，永磁电机一般温升很低。

• 起动性能好
  异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。

  由于永磁电机正常工作时转子绕组不起作用，因而在设计时可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如从1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。

• 功率因数高
  对电网运行的影响在于异步电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网输变电系统有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重输变电设备及发电设备的负荷。

  同时，无功电流在电网即输变电系统中均要消耗部分电能，造成电力电网运行效率低下，再与异步电机效率低、从电网多吸收电能的情况叠加，电能量损失加剧，电网负荷愈发加重了。

  永磁电机转子无电励磁、功率因数高的独特优势，有助于提高电网的品质因数或使电网中不再需安装补偿器。功率因数提高还可以增加变压器的利用率。

• 功率密度高
  由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电机的气隙磁场较普通电机大大增强，而永磁电机的体积和重量较普通电机则大大缩小，重量轻。电机可以按普通电机及小一到两个机座号尺寸设计及安装，在节能改造升级方面使用非常方便。

永磁电机的分类

永磁电机通常分为以下五类：永磁直流电动机、异步起动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机和永磁同步发电机。

1. 永磁直流电动机
   永磁直流电动机与普通直流电动机结构上的不同在于，前者取消了励磁绕组和磁极铁心，代之以永磁磁极。永磁直流电动机的特性与他励直流电动机类似，两者之间的区别在于主磁场产生的方式不同。前者磁场不可控，后者磁场可控。永磁直流电动机除了具有他励直流电动机的良好特性外，还具有结构简单、运行可靠、效率高、体积小、质量轻等特点。

2. 异步起动永磁同步电动机
   异步起动永磁同步电动机是具有自起动能力的永磁同步电动机，兼有感应电动机和电励磁同步电动机的特点。它依靠定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生的异步转矩实现起动。正常运行时，转子运行在同步速，笼型转子不再起作用，其工作原理与电励磁同步电动机基本相同。

   异步起动永磁同步电动机与感应电动机相比，有以下特点：

   1. 转速恒定，同步转速。
   2. 功率因数高， 甚至为超前功率因数，从而减少定子电流和定子电阻损耗，而且稳定运行时没有转子铜耗，进而可减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，效率比同规格感应电动机可提高 2%～8% 。
   3. 具有宽的经济运行范围。不仅额定负载时有较高的功率因数和效率，而且在25%～120%额定负载范围内都有较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电动机一般都在转子上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力。
   4. 永磁电机体积和质量较感应电机大大缩小。如11kW的异步电动机质量为220kg，而永磁电动机仅为92kg，相当于异步电动机质量的45.8% 。
   5. 对电网影响小。感应电动机的功率因数低，电动机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网的品质因数下降，加重电网变配电设备的负担和电能损耗。而永磁电动机转子中无感应电流励磁，电动机功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需要安装无功补偿装置。
   6. 由于通常采用钕铁硼永磁材料，因此价格高；当电机设计或使用不当时，可能出现不可逆退磁。加工工艺复杂，机械强度差。电机性能受环境温度、供电电压等因素影响较大。

3. 永磁无刷直流电动机
   永磁无刷直流电动机用电子换向装置代替直流电动机的换向器，保留了直流电动机的优良特性。它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电动机起动转矩大、调速性能好的优点。由于取消了电刷换向器，因此可靠性高；损耗主要由定子产生，散热条件好；体积小、质量轻。

4. 调速永磁同步电动机
   调速永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机结构上基本相同，定子上为多相绕组，转子上有永磁体，两者优点相似。它们的主要区别在于永磁无刷直流电动机根据转子位置信息实现同步，而调速永磁同步电动机需一套电子控制系统实现同步和调速。

5. 永磁同步发电机
   永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，与普通同步发电机不同的是，它采用永磁体建立磁场，取消了励磁绕组、励磁电源、集电环和电刷等，结构简单，运行可靠，效率高，免维护。采用稀土永磁时，气隙磁密高，功率密度高，体积小，质量轻。但由于采用了永磁体建立磁场，因此难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率。另外，永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化， 导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。

永磁电机的缺点

永磁电机（PMM）通过定子电流与转子上或转子内的永磁体的相互作用产生转矩。小型低功耗电机用于IT设备，商用机器和汽车辅助设备中的表面转子磁体是常见的。内部磁体（IPM）在电动车辆和工业电机等大型机器中很常见。

在永磁电机中，如果不考虑转矩脉动，则定子可能使用集中（短节距）绕组，但在较大的永磁电机中分布绕组是常见的。
无磁化电流也意味着在“最佳点”负载下效率更高 - 即电机性能最佳的地方。

此外，尽管永磁体在低速时带来了性能优势，也是技术上的缺点。

• 随着永磁电机速度的增加，反电动势接近逆变器电源电压，从而无法控制绕组电流，这定义了通用永磁电机的基本速度，并且在表面磁体设计中通常代表给定电源电压的最大可能速度。

  最大速度受机械磁铁保持力的限制。如果永磁电机损坏，修理它通常需要返回到工厂，因为安全地提取和处理转子是困难的，报废时的回收也很麻烦，尽管当前稀土材料的高价值可能会使这种材料更具经济可行性。

  磁场弱化的需要是速度相关的，并且不管扭矩如何都会产生相关的损失。这会降低高速下的效率，特别是在轻负载下。

• 其他包括由于其固有的反电动势在故障条件下难以管理的事实。即使变频器断开，只要电机旋转，电流就会持续流过绕组故障，从而导致齿槽转矩和过热，并且都是危险的。

• 除了那些装有钐钴磁体的永磁电机外，操作温度是另一个重要的限制，由于逆变器故障而产生的高电动机电流会导致退磁。

参考

鼠笼式电机和绕线式电机的区别；
永磁同步电动机的原理与结构；
永磁电机的发展及在各个领域的应用；
永磁电机与普通电机的区别；
最全面的电机知识；
电机的种类划分（简单易懂）；
伺服、步进、变频三大控制要点详解；
步进电机和伺服电机的区别；
永磁电机的选型与参数计算；