新電機的新應用

　　對于電動(dòng)機，可根據特定用途來(lái)選擇對哪些參數進(jìn)行優(yōu)化。幾乎所有電動(dòng)機都是恒速、調速或啟停式運轉。對更高電能使用效率的日益重視，使得通過(guò)調速電子驅動(dòng)設備來(lái)獲得更高使用效率，比恒速應用獲得了更廣泛的使用。在進(jìn)行實(shí)現精確定位性能的運動(dòng)系統的開(kāi)發(fā)時(shí)，通常要求電動(dòng)機具備較高的峰值轉矩及降至零速率時(shí)平穩的速率和轉矩運動(dòng)。功率及控制電子器件為包含電動(dòng)機、驅動(dòng)及控制元件在內的整個(gè)運動(dòng)控制或機電一體化系統提供了關(guān)鍵部件。

　　五種常用的電動(dòng)機類(lèi)型包括通用有刷直流電動(dòng)機、可調或開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機、交流感應電動(dòng)機、電子控制無(wú)刷同步或永磁(PM)同步電動(dòng)機。成熟的通用電動(dòng)機是一種繞線(xiàn)磁極式電動(dòng)機，可由交流或直流輸入電壓驅動(dòng)。但它的功率較低。具有繞線(xiàn)磁極及PM結構的有刷直流電動(dòng)機，會(huì )因其機械換向系統而使工作壽命受到限制。

　　新技術(shù)的發(fā)展主要限于磁阻、感應及無(wú)刷永磁同步電動(dòng)機系統。最近，這三種電機技術(shù)的結合也出現了。

　　永磁電動(dòng)機

　　永磁電動(dòng)機天生具有最高的效率，并在范圍寬廣的候選新技術(shù)領(lǐng)域，領(lǐng)先于其他電機技術(shù)。無(wú)刷永磁同步電動(dòng)機（PMSM）有多種名稱(chēng)，例如無(wú)刷直流電動(dòng)機、無(wú)刷PMAC電動(dòng)機及電子控制電動(dòng)機（ECM）。

　　現今廣泛應用的PMSM電動(dòng)機，其磁體位于圓筒轉子的表面。伺服定位領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，正在向圓筒輪輻中嵌入磁體及內部永磁構造發(fā)展。這些具有嵌入式磁體的產(chǎn)品，在多種精確定位運動(dòng)系統中，能極大地增大轉矩或減小尺寸及重量。這種伺服電機多用于機械工具、機器人及半導體設備。

　　軸向磁通電動(dòng)機

　　交通運輸業(yè)（電動(dòng)自行車(chē)、摩托車(chē)、汽車(chē)）是新PMSM技術(shù)的目標。對于磁體位置，兩個(gè)極好的例子是位于軸向磁通及橫向磁通PMSM電動(dòng)機內部。

　　軸向磁通PMSM具有獨特的圓盤(pán)形狀，比之常規的圓柱形徑向磁通PASM電動(dòng)機，它能產(chǎn)生更大的轉矩。它獨特的構造，能與多種車(chē)輛驅動(dòng)輪的中心相匹配。

　　軸向磁通電動(dòng)機提供高轉矩及低電機軸速，在很多應用中免除了使用昂貴變速箱的需要?；旌向寗?dòng)或電力驅動(dòng)車(chē)輛的重新出現，促進(jìn)了對用于牽引應用的軸向磁通電動(dòng)機重新進(jìn)行技術(shù)評估。

　　主要的軸向磁通結構有兩種：內部PM轉子置于兩個(gè)定子繞組之間，及兩個(gè)轉子圍繞定子的圓環(huán)型。內置PM轉子是最常用的結構。運輸公司引導著(zhù)這方面的研究，同時(shí)世界各地的對這些類(lèi)型電動(dòng)機進(jìn)行評估、設計及使用的大學(xué)教授也寫(xiě)作了很多論文。中國電機公司制造了大量的電動(dòng)自行車(chē)用的輪觳軸向磁通電機。

　　當今的經(jīng)濟衰退，使公司對輪觳軸向磁通電動(dòng)機的使用大大減少，但澳大利亞的KLD Energy Technologies公司仍為小型摩托車(chē)制造商提供一種5KW型號的軸向磁通輪觳電機。英國阿賓頓的YASA Motors，為使用無(wú)槽或yokeless定子的大型車(chē)輛開(kāi)發(fā)了一種軸向磁通電機，能實(shí)現60Nm(44 磅-英尺) @ 3600 rpm (25 kw)及96%峰值效率。幾乎所有的軸向磁通電機都采用高能釹-鐵-硼磁體。

　　一種更獨特的軸向磁通PMSM結構是NovaTorque公司的PMSM。這種軸向磁通PMSM的軸向長(cháng)度大于其徑向直徑。NovaTorque的轉子，將一對由鐵酸鹽磁體構成的圓錐輪觳組件嵌入在IPM結構的軟磁材料中。這種結構，使得低成本的鐵酸鹽磁極能實(shí)現與稀土（釹）磁體相媲美甚至更優(yōu)越的電機性能。

　　轉子輪觳組件位于轉子的每個(gè)末端，電動(dòng)機的磁通線(xiàn)直接（平行于軸）通過(guò)定子的軸向磁極。圓錐形轉子輪觳表面能產(chǎn)生一個(gè)大的間隙面積并因而改善了轉矩。Nova Torque的首個(gè)產(chǎn)品，以Premium Plus+為商標的3hpPMSM軸向磁通電機，能達到159 磅-英寸 (18 Nm) @ 1800 rpm。NovaTorque的行業(yè)目標是用于暖氣設備、通風(fēng)設備及空調制冷產(chǎn)品的風(fēng)扇、泵以及壓縮機。

　　橫向磁通電機

　　橫向磁通電機具有一個(gè)復雜的磁路。徑向磁通及軸向磁通電動(dòng)機可用二維FEA模型及更多直接的數學(xué)模型來(lái)模擬，但橫向磁通電機因其磁路為三維，則需三維FEA模型來(lái)模擬。它的U字形磁元件圍繞著(zhù)環(huán)狀的定子繞組。橫向磁通電機是1896年由W.M. Morday發(fā)明的。但因它復雜的結構和額外的成本，對其先進(jìn)性能的應用則發(fā)展緩慢。釹磁體及軟磁復合材料的發(fā)展，使瑞士Biilach的Landert Motoren公司開(kāi)發(fā)出了小型橫向磁通電機MDD1系列，其額定轉矩為3.3 Nm to 10 Nm @ 300 rpm (100-300 W)。它應用于旋轉臺及其他的工業(yè)機械。

　　韓國的Electric Research Institute (KERI) 具有十多年多種橫向磁通電動(dòng)機的生產(chǎn)史。它的機電一體化團隊開(kāi)發(fā)了旋轉及線(xiàn)性電動(dòng)機。材料運輸系統的發(fā)展已達到1120 lbs-force (5000 N)。橫向磁通電機能實(shí)現大轉矩及高功率密度，但制造成本也較高。目前其使用仍局限于某些特定的場(chǎng)合。

　　混合圓柱形電動(dòng)機

　　徑向磁通圓柱形電動(dòng)機也開(kāi)發(fā)出了新電機技術(shù)，這種技術(shù)將永磁、可變磁阻及PM集成到交流感應電動(dòng)機中。QMPower便是各種電機技術(shù)結合的最好例子。新的QMPower平行磁路技術(shù)(PPMT)將VR和PM技術(shù)相結合。兩種磁通共用相同的電動(dòng)機磁元件，一種由兩個(gè)PM產(chǎn)生，另一種由VR轉子-定子繞組結構產(chǎn)生。QM Power宣稱(chēng)，其磁力可增至三倍，使功率密度增長(cháng)30% 并同樣導致效率峰值的增長(cháng)。這是從100瓦到百千瓦級別的飛躍。

　　PPMT以包括牽引驅動(dòng)在內的恒速及變速應用為目標。PPTM能在更高的負載條件下保持高功效。即便采用鐵酸鹽磁體，也能實(shí)現卓越性能。

　　另一個(gè)混合電動(dòng)機的例子，是直接啟動(dòng)交流感應電動(dòng)機，它將鼠籠轉子與PM磁體籠（通常是鐵素體）相結合，極大地改進(jìn)了交流電動(dòng)機的功率效率。意大利威尼斯的Lafert Corp.制造出用于工業(yè)及商業(yè)的直接啟動(dòng)交流電動(dòng)機系列，可在1 kw 到15 kw之間變化，并具有峰值效率比為5%到8%的增長(cháng)。