三能电机：再谈永磁直驱电动机

近年来,永磁直驱电机得到了长足发展,主要应用于低速负载,例如皮带机,搅拌机,拉丝机,低速泵,替代高速电机和机械减速机构组成的机电系统。电机的转速范围一般在 500rpm 以下。永磁直驱电机主要可以分为外转子和内转子两种结构形式,外转子永磁直驱主要应用在皮带机上。

在永磁直驱电动机的设计和应用中,要注意永磁直驱不适宜特别低的输出转速。当大部分 100 r/min 以内的负载采用直驱电机时,如果功率不变,就会使得转矩很大,从而使得电机成本很高,并且效率降低。当功率和转速确定时,需要比较直驱电机,和,较高速电机及齿轮(或者其他增减速机械结构)组合两种方案的经济性。目前 15MW 以上,10rpm 以下的风力发电机逐步采用半直驱的方案,采用齿轮适当提高电机转速,降低电机成本,并最终降低系统成本。对于电动机来说,情况也是一样。因此,低于 100 r/min时应仔细考虑经济性的问题,可以选用半直驱的方案。永磁直驱电机一般使用表贴式永磁转子,以提高转矩密度,降低材料用量。由于转速较低,离心力较小,没有必要采用内置式永磁转子结构,一般采用压条,不锈钢套,玻璃纤维保护套固定和保护转子永磁体。但是,一些可靠性要求高,极数相对较小,或者振动较大的电机,也有采用内置式永磁转子结构。

低速直驱电机采用变频器驱动,当极数设计到达一个上限时,速度再降低会导致频率较低。变频器在频率较低时,PWM的占空比减小,波形较差,会导致波动和速度不稳定。所以特别低转速的直驱电机,控制也比较困难。目前超低转速的电机,有采用磁场调制电机方案的,以采用较高的驱动频率。低速永磁直驱电机主要可以采用风冷和液冷。风冷主要采用独立风机的IC416冷却方式,液冷可以是机壳油冷或水冷(IC71W或者IC71U7),可根据现场的条件确定。在液冷方式下,热负荷可以设计较高,结构更加紧凑,但要注意增加永磁体的厚度,防止过电流去磁。
对于有速度精度和位置精度控制要求的低速直驱电机系统,需要增加位置传感器,并采用有位置传感器的控制方式;另外启动时有大转矩要求时,也需要采用有位置传感器的控制方式。虽然采用永磁直驱电机可以取消原来减速机构,并降低维护成本,但设计不合理会导致永磁直驱电机成本过高,并且系统效率下降。一般来说,增加永磁直驱电机的直径可以降低单位转矩的成本,所以直驱电机可以做成一个大圆盘,直径较大,叠长较短。但直径的增大也存在限值,过大的直径会使得机壳和轴的成本增加,甚至结构材料会逐渐超过有效材料的成本。所以设计直驱电机需要优化选择长径比,使得电机总体成本较低。最后还是强调一下永磁直驱电机,还是属于变频器驱动的电机,其电机功率因数的高低影响的是变频器输出侧的电流,只要在变频器的容量范围内,功率因数的高低对性能影响较小,也不会影响到电网侧的功率因数。因此,电机的功率因数设计,因尽量使得直驱电机工作在MTPA方式,即用最小的电流产生最大的转矩。其重要原因是直驱电机的频率一般较低,铁耗远远小于铜耗,采用MTPA方式,可以最大限度地降低铜耗。技术人员不应该受传统并网异步电动机的影响,通过电机侧的电流大小来判断电机是否高效是没有根据的。