孫水英 于國(guó)安 夏泉 盧常興

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 山東濟(jì)南 250013)

1 工程概況

南水北調(diào)東線一期工程山東段韓莊運(yùn)河段工程是南水北調(diào)東線一期工程的重要組成部分，工程的主要任務(wù)是建設(shè)駱馬湖至南四湖段山東省境內(nèi)的輸水泵站及水資源控制工程，滿足南水北調(diào)東線一期工程韓莊運(yùn)河段由駱馬湖向南四湖下級(jí)湖調(diào)水的需要，并改善韓莊運(yùn)河的航運(yùn)條件。

韓莊泵站是韓莊運(yùn)河段的最后一級(jí)泵站，位于山東省棗莊市嶧城區(qū)古邵鎮(zhèn)八里溝村西，泵站的主要任務(wù)是通過(guò)韓莊運(yùn)河提水入南四湖下級(jí)湖，以實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)東線第一期工程的調(diào)水目標(biāo)，泵站共安裝5臺(tái)套燈泡貫流式水泵機(jī)組，其中備用1臺(tái)，驅(qū)動(dòng)方式為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。泵站的設(shè)計(jì)流量為125m3/s。電動(dòng)機(jī)水平安裝于燈泡貫流式水泵機(jī)組體內(nèi)，額定輸出功率1800kW，額定電壓6kV，額定轉(zhuǎn)速125r/min，采用高壓變頻調(diào)速裝置。

2 永磁電機(jī)的工作原理

同步電動(dòng)機(jī)是以定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的獲得可以有兩種方法。一種是采用直流勵(lì)磁裝置，給同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子施加勵(lì)磁電流，在電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，這就是現(xiàn)在常用的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)；另一種是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁材料制造，由永磁鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)電勵(lì)磁能量的損耗，這就是永磁電機(jī)。山東省南水北調(diào)韓莊泵站即采用此類(lèi)型同步永磁電動(dòng)機(jī)。

3 永磁電機(jī)的發(fā)展概況

稀土永磁電機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)大致可以分成三個(gè)階段。

第一階段：20世紀(jì)60年代后期和70年代，由于稀土鈷永磁價(jià)格昂貴，研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是航空、航天用電機(jī)和要求高性能而價(jià)格不是主要因素的高科技領(lǐng)域。

第二階段：20世紀(jì) 80年代，特別是 1983年出現(xiàn)價(jià)格相對(duì)較低的釹鐵硼永磁后，國(guó)內(nèi)外的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用電機(jī)上。稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)紛紛用稀土永磁電機(jī)來(lái)替代，而且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)所難以達(dá)到的高性能。

第三階段：進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，除了大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)方面獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用外，稀土永磁電機(jī)的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段。一方面，正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩)、高功能化和微型化方向發(fā)展；另一方面，促使永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面的研究工作出現(xiàn)嶄新的局面，有關(guān)的學(xué)術(shù)論文和科研成果大量涌現(xiàn)，形成了以電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。

我國(guó)的稀土資源豐富，稀土不稀，號(hào)稱“稀土王國(guó)”。稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。因此，充分發(fā)揮我國(guó)稀土資源豐富的優(yōu)勢(shì)，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

韓莊泵站永磁體采用：稀土類(lèi)釹鐵硼，牌號(hào)為 33UH。

2007年9月，我國(guó)首臺(tái)2MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)問(wèn)世。

4 永磁同步電動(dòng)機(jī)與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的比較

（1)技術(shù)比較

與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)到1，甚至容性)，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可以減小風(fēng)扇（小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇)和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，效率比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可提高2～8個(gè)百分點(diǎn)。而且，永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。這類(lèi)電機(jī)一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動(dòng)繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)的能力。

水泵電機(jī)是耗能大戶，而目前所用電機(jī)的效率和功率因數(shù)較低，改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)約能源，且為無(wú)刷結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)行的可靠性。

韓莊泵站永磁同步電機(jī)與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的主要性能比較詳見(jiàn)表1。

從表1可看出，永磁同步電機(jī)的主要性能優(yōu)于電勵(lì)磁電機(jī)。

表1 韓莊泵站永磁同步電機(jī)與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的主要性能比較

（2)經(jīng)濟(jì)比較

采用永磁同步電機(jī)，最大的優(yōu)點(diǎn)是，可省略勵(lì)磁裝置及減少站用變壓器容量，1800KW永磁同步電機(jī)與電勵(lì)磁同步電機(jī)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表2。

通過(guò)表2可知永磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)相比每臺(tái)機(jī)組減少投資 421.99-395.7=26.29萬(wàn)元，5臺(tái)機(jī)組減少投資26.29*5=131.45萬(wàn)元。

（3)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)

每臺(tái)機(jī)組按年運(yùn)行 4136小時(shí)計(jì)，每臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁容量為75KW。每度電按0.5元計(jì)。每年運(yùn)行費(fèi)為： 75*4136*0.5=15.51萬(wàn)元，5臺(tái)機(jī)組節(jié)約運(yùn)行費(fèi)15.51*5=77.55萬(wàn)

表2 韓莊泵站永磁同步電機(jī)與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)比較

5 要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

（1)減少漏磁

轉(zhuǎn)子采用嵌入式結(jié)構(gòu)，磁鋼裝入由硅鋼片制成的盒中，由固定塊將磁鋼及硅鋼片固定在轉(zhuǎn)子支架上。磁通主要由硅鋼片形成閉合回路，漏磁很小，滿足使用要求。

（2)避免溫升

由于貫流泵燈泡體完全置于水中，電機(jī)定子外殼直接采用燈泡體的一部分，電機(jī)定子鐵芯與水泵燈泡體采用熱裝，導(dǎo)熱非常好，電機(jī)運(yùn)行時(shí)流道里的水量很大，30m3/s，對(duì)電機(jī)的散熱起到很好的作用。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁鐵，無(wú)勵(lì)磁損耗發(fā)熱。電機(jī)內(nèi)部有2.445m3/s循環(huán)風(fēng)，將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量傳到機(jī)殼表面，使電機(jī)整體溫度較低。在電機(jī)定子繞組每相安裝了PT100測(cè)溫電阻，監(jiān)測(cè)電機(jī)繞組溫度，當(dāng)溫度超過(guò) 110℃時(shí)報(bào)警，確保電機(jī)內(nèi)部溫升不超過(guò)磁鋼最高工作溫度（120℃)。

（3)避免轉(zhuǎn)子永磁鐵退磁

釹鐵硼這種永磁材料的磁性能十分優(yōu)異，剩磁和矯頑力都非常高，且退磁曲線為直線，回復(fù)線與退磁曲線基本重合。用于電機(jī)后，可提高磁負(fù)荷，減少電機(jī)的體積與重量。這種永磁材料的原料非常豐富，最高使用溫度可達(dá)120℃，完全滿足水泵電機(jī)的要求。

為了避免磁鋼被氧化后退磁，在制造過(guò)程中采用如下措施：磁鋼本體作防氧化涂層處理；磁鋼裝入由硅鋼片制成的盒中，并作進(jìn)一步涂封；轉(zhuǎn)子裝配完整后整體進(jìn)行樹(shù)脂浸漆。

（4)充磁周期

永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子第一次充磁周期不小于30年，電機(jī)運(yùn)行 30年基本達(dá)到更新?lián)Q代的年限。在正常情況下不會(huì)失磁。一旦失磁，由于設(shè)計(jì)上采用分體磁極，可方便地進(jìn)行拆卸充磁再組裝。

（5)消除轉(zhuǎn)距波動(dòng)

永磁體的安裝形式采用鑲嵌式結(jié)構(gòu)，可減小反電動(dòng)勢(shì)波形和波形的畸變率，從而使電機(jī)減少

齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，消除電機(jī)轉(zhuǎn)距的波動(dòng)。

（6)消除過(guò)電流去磁

永磁材料都具有退磁拐點(diǎn)，如釹鐵硼退磁拐點(diǎn)為0.2，在電機(jī)制造時(shí)應(yīng)考慮有可能出現(xiàn)的過(guò)電流對(duì)永磁材料退磁的影響。本工程考慮在過(guò)電流時(shí)釹鐵硼退磁拐點(diǎn)為0.32，大于0.2，完全滿足要求。

6 結(jié)論

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并請(qǐng)國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程研究中心的中國(guó)工程學(xué)院院士、湘潭電機(jī)廠及荷蘭水泵行業(yè)的資深專家進(jìn)行技術(shù)咨詢和論證，在南水北調(diào)東線一期工程山東段韓莊運(yùn)河韓莊泵站5臺(tái)燈泡貫流式水泵機(jī)組選用了永磁高壓同步電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)試運(yùn)行驗(yàn)收，運(yùn)行狀況良好。該工程的實(shí)施，填補(bǔ)了我國(guó)水利工程大型泵站配套電機(jī)選擇的一個(gè)空白，為今后工程的建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)，奠定了基礎(chǔ)，為提升水利工程質(zhì)量做出了貢獻(xiàn)。