陳明斌

摘 要：單相異步電動機就是用單相交流電源供電的異步電動機，其電源使用方便，在家用電器、醫(yī)療器械以及工具中廣泛使用，過載能力及效率低。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。本文主要通過對小功率單相異步電動機、高效永磁同步電動機進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)等分析，有效的探討小功率永磁同步電動機的相關(guān)設(shè)計要點，為永磁同步電機的發(fā)展提供有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單相異步電動機；永磁同步電機；設(shè)計

中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

單相異步電動機是功率一般小于2.2kW電動機。如YC系列電容起動異步電動機、YY系列電容運轉(zhuǎn)異步電動機、YU系列電阻起動異步電動機。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(hù)簡便，但調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。小功率永磁同步電機具有體積小、重量輕，電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無關(guān)，在較寬負(fù)載范圍內(nèi)效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)勢。在能源問題嚴(yán)重的今天，該設(shè)計符合我國的“節(jié)能降耗”的方向，并且具有良好的發(fā)展前景，目前永磁同步電機現(xiàn)已廣泛使用到家庭、工業(yè)生產(chǎn)中，同時獲得了良好的節(jié)能效果，部分產(chǎn)品已代替單相異步電動機。本文主要通過對異步電機與永磁同步電機的方案績效分析，并提出了相關(guān)提高永磁同步電機效率的設(shè)計，現(xiàn)報告如下。

一、永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

單相異步電動機、小功率永磁同步電動機這二種電動機的定子部份的相關(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(jìn)行有效的核算，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；本文主要結(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。

例子：

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，如圖1。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(jìn)行配合，加工簡單，結(jié)構(gòu)牢固，如圖2所示。采用外配變頻器，由變頻器對電機實行控制使轉(zhuǎn)子軟，轉(zhuǎn)速能實行精準(zhǔn)的無級調(diào)速。一對極距內(nèi)定、轉(zhuǎn)子橫截面如圖3所示。

二、異步電機和永磁電機的性能比較

異步電機和永磁同步電機相比，永磁同步電機具有明顯的優(yōu)點：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)，并能解決用電設(shè)備中“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

（一）效率與功率因數(shù)比較

異步電機在運行時，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(jìn)行發(fā)熱并消耗掉，該損耗的大約是總電機總損耗的21%～35%左右，最后導(dǎo)致電機的效率下降。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(jìn)入到定子繞阻中的電流落后以及電網(wǎng)電壓一個角度，使得電機的功率因數(shù)下降。同時，從永磁同步電機、異步電機等功率與功率因數(shù)曲線上可以看出，異步電動機在負(fù)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(jì)運行區(qū)內(nèi)一般負(fù)載率保持在70%～100%左右。永磁同步電機主要通過轉(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(jìn)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，這樣就可以提高電機效率6%～10%。再者，由于永磁電機轉(zhuǎn)子中沒有感應(yīng)的電流勵磁，定子繞組就會呈純阻性負(fù)載，使得電機功率因數(shù)為1。

（二）啟動轉(zhuǎn)矩

在單相異步電機啟動時，其原理都是定子繞組中通過勵磁電流產(chǎn)生氣隙磁場，進(jìn)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)。

（三）工作時的升溫比較

在異步電機工作時，轉(zhuǎn)子繞組有電流流動，其中電流主要通過熱能的方式進(jìn)行消耗，因此，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的大量熱量，就會導(dǎo)致電機的溫升明顯上升，最終影響電機的壽命。而永磁電機工作時，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，這就使得電機溫升低，延長了電機的使用壽命。

（四）電網(wǎng)運行的影響

由于異步電機的功率因數(shù)比較低，電機需要從電網(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(fù)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(fù)荷。而永磁電機轉(zhuǎn)子中沒有感應(yīng)的電流勵磁，電機的功率因數(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。

三、實例對比及效益分析

用輸出1.1kW 2極的電機分析：YYD-8042 220V 50Hz Pout=1.1kW 2850r/min單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機正常運轉(zhuǎn)時效率75%，即輸入功率Pin=1.1/0.75=1.47kW按電機配套的產(chǎn)品每年運行4500h，每度電的價格為0.90元計算，可以得出結(jié)果：每年耗電功率為：1.47×4500=6615kW，年度耗電費用為：6615×0.9=5954元。改用TYC-71L 220V 50Hz Pout=1.1kW2850r/min永磁同步電動機后，運轉(zhuǎn)時功率因數(shù)0.99，效率86%（此效率大于GB18613-2012中小型電動機能效等級2級，接近1級），即輸入功率Pin=1.1/0.86=1.28kW，相同的時間及用電單價，則每年耗電功率為：1.28×4500=5760kW，年度耗電費用為：5760×0.9=5174元。實際較少的耗電費用為780元。由此可見，永磁同步電動機較單相異步電動機發(fā)揮的節(jié)能作用極其重大。需然永磁同步電動機較單相異步電動成本高，按1.1kW2極對比，多約500元，但不足一年時間即可平衡成本。

中國的以電為動力的機械中，約有90%左右為異步電動機，其中小型異步電動機約占70%以上。如果其中四分一異步電動機改用永磁同步電動機，則節(jié)能減排效果非常顯著。

結(jié)語

伴隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，價格的逐步下降，加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的日趨成熟，永磁電機應(yīng)用前景非常的樂觀。在國家大力提倡節(jié)能減排的環(huán)境下，開發(fā)改進(jìn)更多的小功率永磁同步電機代替原單相異步電動機，會大幅節(jié)省電機成本，提高性價比，促進(jìn)電機學(xué)科和行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

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