永磁同步電機結構特性與節(jié)能措施探析

張明杰

摘要：永磁同步電機作為一種新型節(jié)能電機，憑借其高效率、高功率因數(shù)、起動力矩大、溫升低、噪聲小等特性，以及節(jié)電、安全免維護、運轉率高等優(yōu)勢，在諸多行業(yè)有著廣泛的應用。永磁同步電機包括調速永磁同步電機、永磁無刷直流電機、異步啟動永磁同步電機。文中所述永磁同步電機僅指調速永磁同步電機，多用于大功率設備的驅動系統(tǒng)。筆者通過對比供水系統(tǒng)永磁同步電機與異步電機，總結出其他行業(yè)應用永磁同步電機設備的幾個使用工況，結合行業(yè)目前使用情況，對設備適用性進行了初步的分析。

關鍵詞：永磁同步電機；高效率；調速；適用性；節(jié)能措施

永磁同步電機損耗僅約為異步電機的50%，主要原因在于：第一，永磁同步電機定子銅損及鐵損明顯低于異步電機，且其獨有的定子鐵損（慣性運行時）也明顯低于異步電機獨有的轉子銅損；第二，異步電動機通常制成風冷式，而永磁同步電動機由于損耗少，可制成全封閉式，進而使得機械損耗（風損）大幅降低。本文對永磁同步電機與傳統(tǒng)異步電機從電機結構、特性、使用情況、成本等角度進行了對比分析；并結合永磁同步電機的設備使用工況特點及目前設備應用節(jié)能情況。

1永磁同步電機與異步電機的對比

永磁同步電機具有如下特點及優(yōu)點：永磁同步電機與異步電機相比，如異步電機為高效電機，在滿載時電機效率平均差2%（異步電機為普通電機時相差～5%），優(yōu)勢不明顯；在半載時，電機效率平均差10%，有優(yōu)勢；在輕載時，異步電機效率至少會差15%～20%，而永磁同步電機的效率和功率因數(shù)受負載率的影響很小，具有寬的經(jīng)濟運行范圍，相對異步電機而言，輕載時節(jié)電效果明顯。永磁同步電機功率因數(shù)平均高達0.95～0.99，比常規(guī)高效電機的0.86～0.94高出5%～10%；空載電流低，以315kW電機為例，空載電流為2.5A，普通電機為10～20A。永磁同步電機與異步電機相比，起動扭矩大，可達到額定值的2.2倍，而普通異步電動機只能達到55%左右，因此選擇時比傳統(tǒng)異步電動機的功率要小。如傳統(tǒng)需要90kW，而永磁直驅只需75kW或60kW，傳動效率高，可達到92%以上（普通在83%左右）。傳統(tǒng)傳動在減速箱中間環(huán)節(jié)效率損失大，而永磁直驅無中間環(huán)節(jié)，效率損失主要在永磁體和變頻器損耗上，同時也減少了傳動維護的工作量和材料量。

永磁同步電機+變頻器成本是異步電機+減速機（國產(chǎn)）的1.5～2倍；從節(jié)電效果與回收增加的成本來看，小電機節(jié)電數(shù)值大但占比很小，性價比不高；大電機節(jié)電數(shù)值小但占比較大，可以使用，節(jié)電效果及回收期取決于其使用工況（負載情況、變化周期、運行時間）。永磁同步電機的成本主要高在稀土永磁材料價格高和定子采用環(huán)氧樹脂整體密封澆灌技術上（一般大型電機采用此技術）。

2永磁同步電機適用工況

根據(jù)永磁同步電機的特點及突出的優(yōu)勢，比較適合于低速大轉矩、過載能力強、免維護運轉率要求高、負荷變化大或負荷率相對較低的場合。具體如下：（1）由于永磁同步電機每極的磁通值大，具有高過載能力及溫升低的特點，適合于設備安全性、可靠性要求較高的領域。（2）由于永磁同步電機直驅免維護的特點，采用后，齒輪箱取消，可靠性提高，無需加潤滑油，檢修維護成本大幅降低。（3）大功率的膠帶機需要重載啟動、經(jīng)常輕載運行，采用傳統(tǒng)驅動故障率高、能耗高時，適合改造為變頻永磁同步電機或直接采用變頻永磁同步電機，以提高設備可靠性及節(jié)能降耗。（4）由于永磁電機無定子繞組、無磁力切割、低轉速時磁場強度高，適合于設備長期低速運行的工況，如：球磨機和輥磨，使用后可以實現(xiàn)滿載啟動，永磁電機的多級數(shù)轉速低、起動轉矩大、噪音低、體積小、節(jié)電、免維護等優(yōu)勢也得以發(fā)揮。例如，某傳動永磁直驅系統(tǒng)，至今已運行半年多，相比使用永磁直驅系統(tǒng)前，傳動電耗降低～5%，傳動故障率降低，運轉率提高。

3 永磁電機節(jié)能分析

永磁電機可以方便對現(xiàn)有設備進行改造，不需要對現(xiàn)有減速設備和供電電源進行任何改動，維護工作量小，維護費用低，容忍較大的安裝對中誤差，大大簡化了安裝調試過程，從而減少運行和維護成本。可靠性高，設備故障率低，使用各種惡劣環(huán)境，如電網(wǎng)電壓波動大，諧波含量較高，使用壽命長。節(jié)能原理：異步電機是通過定子的旋轉磁場在轉子中產(chǎn)生感應電流，產(chǎn)生電磁轉矩，轉子中并不直接產(chǎn)生磁場，因此轉子的轉一定是小于同步速的（沒有這個差值，即轉差率，就沒有轉子感應電流）。而永磁電機轉子本身產(chǎn)生固定方向的磁場，定子旋轉磁場拖著轉子轉動，因此轉子的轉速等于同步速，也叫同步電機。由于不需要從電網(wǎng)吸收無功電流，轉子上沒有銅耗和鐵耗，所以同步電機在很寬的負載范偉內保持接近1的功率因素，機器效率比同容量的異步電機提高8%，力能指標提高18%左右。此外同步電機啟動時候，電流是逐漸增加的，不會超過額定電流，扭矩也能達到額定扭矩，沒有電流沖擊，延長使用壽命，電機處于合理負荷中工作。

4 結束語

異步電機的功率因數(shù)低，原因是它需要一部分功率來產(chǎn)生磁場，以維持電機運轉。這部分產(chǎn)生磁場的功率，不會被消耗，只存在與電機與電源之間，這就是無功功率。永磁電機的磁場是磁鐵產(chǎn)生的，不需要這個無功功率，所以只需要從電網(wǎng)中吸取有功功率對外做功即可，因此它的功率因數(shù)要高！兩者的驅動前置也不一樣，永磁同步電機要使用專門的驅動器，例如三晶S3000B伺服驅動器，交流異步電機大部分用變頻器驅動。設備高效節(jié)能、安全、免維護是工業(yè)企業(yè)進行設備升級改造追求的目標之一。隨著永磁電機標準的推出、永磁材料的革新、成本的下降和電機設計制造技術的提升，其應用將會更廣泛。

參考文獻：

[1]內置式永磁同步電機結構與電磁耦合分析[J].楊立超，王赫，于海蒂.內燃機與配件.2018（20）

[2]透析永磁同步電機的應用技術[J].陸剛.電源世界.2018（04）

[3]內置式交替極永磁同步電機性能及機理研究[J].樊英，譚超. 電工技術學報.2018（11）

[4]永磁同步電機控制策略研究[J].閆榮妮，王瑞男，張偉.防爆電機.2018（04）