關(guān)于單相異步電動機與永磁同步電動機比較的探析

【摘要】結(jié)合單相異步電動機與小功率永磁同步電動機進行比較分析。異步電動機和永磁同步電動機相比，永磁同步電動機具有體積小、功率因數(shù)高、溫升低、節(jié)電效果顯著、重量輕以及力能指標(biāo)好，且可以有效的提高電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)。基于此，本文闡述了同步電動機與異步電動機的工作原理及其主要特征，對單相異步電動機與永磁同步電動機結(jié)構(gòu)及其性能比較進行了探討分析。

【關(guān)鍵詞】單相異步電動機；永磁同步電動機；工作原理；特征；設(shè)計

單相異步電動機就是用單相交流電源供電的異步電動機，在家用電器、醫(yī)療器械以及工具中廣泛使用。小功率永磁同步電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠，過載能力及效率性能指標(biāo)高，電源可接單相或三相輸入，目前在動力系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。為了充分發(fā)揮電動機應(yīng)用的作用，對單相異步電動機與小功率永磁同步電動機進行分析具有重要意義。

一、異步電動機與同步電動機的工作原理及其主要特征

異步電動機與同步電動機的工作原理及其特征主要表現(xiàn)為：（1）工作原理。異步電動機的工作原理是通過定子的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場.因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的（沒有這個差值，即轉(zhuǎn)差率，就沒有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流），也因此叫做異步電動機。而同步電動機轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場拖著轉(zhuǎn)子磁場（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速，也因此叫做同步電動機.作為電動機時，大部分是用異步機；發(fā)電機都是同步機。（2）特征。單相異步電動機是功率一般小于2.2kW電動機。此類交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、壽命長、成本低，保養(yǎng)維護簡便，但調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。而小功率永磁同步電動機具有體積小、重量輕，電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變，且與負載無關(guān)，在較寬負載范圍內(nèi)效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)勢。目前永磁同步電動機現(xiàn)已廣泛使用到家庭、工業(yè)生產(chǎn)中，部分產(chǎn)品已代替單相異步電動機。

二、單相異步電動機與永磁同步電動機結(jié)構(gòu)的比較分析

單相異步電動機與永磁同步電動機的定子相關(guān)設(shè)計類似，它們的主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子方面的設(shè)計。其中永磁同步電動機設(shè)計主要是確定電動機的尺寸、磁路等方面的結(jié)構(gòu)，并選擇相關(guān)的永磁體的尺寸，從而設(shè)計定子、轉(zhuǎn)子、繞組數(shù)據(jù)，隨后通過應(yīng)用性能校核程序，并對初始方案進行有效核算，并調(diào)整電動機某些設(shè)計參數(shù)，直到符合電磁設(shè)計方案的相關(guān)指標(biāo)。一般采用的電磁設(shè)計方法：一是等效磁路法，二是電磁場數(shù)值解法；以下結(jié)合相關(guān)研究提出高效永磁同步電動機的工程設(shè)計方法。例如在單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機YYD-8042的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了永磁同步電動機TYC-71L，該設(shè)計減少一個機座號，定子沖片結(jié)構(gòu)相似，定子嵌線工藝與三相電動機相同，主要是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。單相異步電動機的鼠籠轉(zhuǎn)子需要鑄鋁。永磁同步電動機轉(zhuǎn)子不用鑄鋁，轉(zhuǎn)子可設(shè)計成四極、六極或八極，把轉(zhuǎn)子磁鋼直接嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面，為了給轉(zhuǎn)子磁鋼的設(shè)計騰出足夠的空間，確保有足夠的磁鋼激磁表面積從而提高磁鋼的利用率，同時左右用銅板把其固定，整個轉(zhuǎn)子基本上是一個實心，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸使用的冷壓工藝進行配合，加工簡單，結(jié)構(gòu)牢固。采用外配變頻器，由變頻器對電動機實行控制使轉(zhuǎn)子軟，轉(zhuǎn)速能實行精準的無級調(diào)速。

三、單相異步電動機和永磁同步電動機的性能比較分析

單相異步電動機和永磁同步電動機的性能比較主要表現(xiàn)為：（1）啟動轉(zhuǎn)矩比較分析。 在單相異步電動機啟動時，其原理都是定子繞組中通過勵磁電流產(chǎn)生氣隙磁場，進而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，形成感應(yīng)磁場，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，起動轉(zhuǎn)矩小。小功率永磁同步電動機起動采用配套的變頻器對電動機提供電壓及頻率由小至大不斷增大實行軟起動過程，起動轉(zhuǎn)矩大、平穩(wěn)。（2）效率與功率因數(shù)比較分析。異步電動機在運行時，轉(zhuǎn)子需要從電網(wǎng)吸收部分電能勵磁，從而消耗了電網(wǎng)的部分電能，而這部分電能最后以電流的形式在轉(zhuǎn)子中進行發(fā)熱并消耗掉，該損耗的大約是總電動機總損耗的21%～35%左右，最后導(dǎo)致電動機的效率下降。而將轉(zhuǎn)子勵磁電流折算到定子繞阻后就可以呈現(xiàn)感性電流，使其進入到定子繞阻中的電流落后以及電網(wǎng)電壓一個角度，使得電動機的功率因數(shù)下降。同時，從永磁同步電動機、異步電動機等功率與功率因數(shù)曲線上可以看出，異步電動機在負載率小于50%時，運行效率、運行功率等因數(shù)就會出現(xiàn)大幅度的降低，所以在經(jīng)濟運行區(qū)內(nèi)一般負載率保持在70%～100%左右。永磁同步電動機主要通過轉(zhuǎn)子上永磁體設(shè)立轉(zhuǎn)子磁場，在正常工作時使得轉(zhuǎn)子和定子磁場進行同步運轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子沒有感應(yīng)電流，就不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，這樣就可以提高電動機效率6%～10%。再者，由于永磁電動機轉(zhuǎn)子中沒有感應(yīng)的電流勵磁，定子繞組就會呈純阻性負載，使得電動機功率因數(shù)為1。（3）工作時的升溫比較分析。異步電動機工作時，轉(zhuǎn)子繞組有電流流動，其中電流主要通過熱能的方式進行消耗，因此，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的大量熱量，就會導(dǎo)致電動機的溫升明顯上升，最終影響電動機的壽命。而永磁電動機工作時，效率比較高，子繞組中也不存在電阻損耗的情況，定子繞組中幾乎沒有無功電流，這就使得電動機溫升低，延長了電動機的使用壽命。（4）電網(wǎng)運行的影響。由于異步電動機的功率因數(shù)比較低，電動機需要從電網(wǎng)中吸收大量的無功電流，使得電網(wǎng)設(shè)備、輸變電設(shè)備、發(fā)電設(shè)備等尚且存在著大量的無功電流，導(dǎo)致電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)明顯降低，最后加重電網(wǎng)設(shè)備、輸變電設(shè)備等的負荷。同時，無功電流在輸變電設(shè)備、電網(wǎng)設(shè)備、發(fā)電設(shè)備中都需要消耗掉一部分的電能，導(dǎo)致電力電網(wǎng)的效率逐漸下降，從而影響了電能的有效價值。由于異步電動機的效率下降，又要滿足輸出功率的需求，就要從電網(wǎng)中多吸收電能，彌補電網(wǎng)能量的損失，從而加重了電網(wǎng)負荷。而永磁電動機轉(zhuǎn)子中沒有感應(yīng)的電流勵磁，電動機的功率因數(shù)比較高，這就提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)，使得電網(wǎng)不需要安裝補償器，并且還能節(jié)約電能。

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