三类同步电机特色各异的性能与应用

电机品种繁多,普遍有两种分类方式:按照控制方式可以分为伺服电机步进电机和力矩电机等;按照驱动方式分为直流电机和交流电机,其中交流电机按照转子和定子转动是否同步可以分为同步电机和异步电机。

同步电机作为交流电机中重要的门类,在相当多领域都有其应用。在工业领域高精度应用里同步电机备受青睐,现在热门的电动汽车领域也有不少它的身影,如比亚迪电动汽车的电机系统就偏爱同步电机。同步电机具备哪些独特的优势又在如何发展呢?

小体积大功率的同步电机

同步电机最直接的特征就是同步,完全被不同于异步电机。即当处于稳态时,同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。这一特性需要通过恒定磁场和旋转磁场之间的相互作用来实现,转子通直流电产生极性恒定的静止磁场,定子通三相优交流电产生旋转磁场。

同步电机的同步转速仅仅和电频率以及电机极对数相关,极对数是确定的,在电频率不变的稳态下电机转速固定。这也是为什么高精度应用青睐同步电机,电机转速只需要通过改变电频率就可以精准控制。

在发电机应用上同步电机的功率因数优势独具一格。而作为电动机应用,在同重量和体积下,同步电机能给到更大的功率和扭矩。这一特点在永磁同步电机上表现的很明显。这也是一些车厂会选择永磁同步电机作为核心电机的原因,永磁同步电机的应用可以给动力电池留出足够的空间,整车质量也更容易减轻。

而且,同步电机运行起来也相对安静。但退磁这个问题一直让人困扰,没有特别好的解决办法。

三大同步电机

永磁同步电机自然是同步电机里最受关注的品类,但其实同步电机里还有磁阻同步电机和磁滞同步电机一直在发展更新。

永磁同步电机不用做过多介绍,是现在高能效电机的代表、高精度定速驱动的理想选择,非常适用于直接驱动大马力的负载。永磁同步电机高昂的成本和复杂的加工工艺带来的转矩密度、效率、功率因数也遥遥领先于其他同步电机。

永磁同步电机性能虽好但成本并不友好,磁阻同步电机的诞生正源于对低成本高性能电机的需求。随着电子器件和磁场定向控制技术的进步,同步磁阻电机在相当多应用场合得到了应用。目前已经有厂商产品能做到不使用稀土磁体但能替代永磁同步电机的性能指标。

磁阻同步电机利用转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成磁阻转矩来进行运动。在控制技术的进步下,同步磁阻电机现在有着成本低、效率稳定、转矩脉动小、可靠性高的特点,在永磁同步电机的性能和异步电机的简单易用特点上做了结合,很契合对成本控制严格,又对性能有一定要求的场景。

现在磁阻同步电机的性能在材料、器件、控制技术的发展下性能越来越好,在电动汽车里的应用也在不断探索中。

而磁滞同步电机,则是同步电机家族中功率最小的那一类。磁滞同步电机利用转子上产生的磁滞转矩启动和运行。磁滞效应是普遍存在于磁材料中,实现起来并不复杂,磁滞特性好的材料即可用于磁滞同步电机。

它最大的特点是结构简单启动方便,除此之外不论是效率还是瞬态稳定性都比较差,会在一些要求转速恒定的场合有特定的应用。

小结

三大类同步电机正好对应了同步电机的高中低端应用,永磁同步电机成本高对永磁材料要求严苛,其性能也是远超其他同步电机,磁滞同步电机在小功率恒定转速的应用里也有着其优势。而磁阻同步电机在不断的优化发展下,在可控的成本里实现了越来越高的性能,未来应用前景很广阔。

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