【摘要】結(jié)合單相異步電動(dòng)機(jī)與小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較分析。異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)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)?；诖?，本文闡述了同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的工作原理及其主要特征，對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)與永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其性能比較進(jìn)行了探討分析。

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

單相異步電動(dòng)機(jī)就是用單相交流電源供電的異步電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠，過(guò)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(dòng)力系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。為了充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的作用，對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)與小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析具有重要意義。

一、異步電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)的工作原理及其主要特征

異步電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)的工作原理及其特征主要表現(xiàn)為：（1）工作原理。異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是通過(guò)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng).因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的（沒(méi)有這個(gè)差值，即轉(zhuǎn)差率，就沒(méi)有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流），也因此叫做異步電動(dòng)機(jī)。而同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拖著轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)機(jī).作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，大部分是用異步機(jī)；發(fā)電機(jī)都是同步機(jī)。（2）特征。單相異步電動(dòng)機(jī)是功率一般小于2.2kW電動(dòng)機(jī)。此類(lèi)交流異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠、壽命長(zhǎng)、成本低，保養(yǎng)維護(hù)簡(jiǎn)便，但調(diào)速性能差，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，過(guò)載能力和效率低。而小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕，電源頻率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無(wú)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(shì)。目前永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。

二、單相異步電動(dòng)機(jī)與永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的比較分析

單相異步電動(dòng)機(jī)與永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子相關(guān)設(shè)計(jì)類(lèi)似，它們的主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子方面的設(shè)計(jì)。其中永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)主要是確定電動(dòng)機(jī)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(jì)定子、轉(zhuǎn)子、繞組數(shù)據(jù)，隨后通過(guò)應(yīng)用性能校核程序，并對(duì)初始方案進(jìn)行有效核算，并調(diào)整電動(dòng)機(jī)某些設(shè)計(jì)參數(shù)，直到符合電磁設(shè)計(jì)方案的相關(guān)指標(biāo)。一般采用的電磁設(shè)計(jì)方法：一是等效磁路法，二是電磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)的工程設(shè)計(jì)方法。例如在單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)YYD-8042的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了永磁同步電動(dòng)機(jī)TYC-71L，該設(shè)計(jì)減少一個(gè)機(jī)座號(hào)，定子沖片結(jié)構(gòu)相似，定子嵌線工藝與三相電動(dòng)機(jī)相同，主要是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。單相異步電動(dòng)機(jī)的鼠籠轉(zhuǎn)子需要鑄鋁。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不用鑄鋁，轉(zhuǎn)子可設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)左右用銅板把其固定，整個(gè)轉(zhuǎn)子基本上是一個(gè)實(shí)心，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸使用的冷壓工藝進(jìn)行配合，加工簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)牢固。采用外配變頻器，由變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)行控制使轉(zhuǎn)子軟，轉(zhuǎn)速能實(shí)行精準(zhǔn)的無(wú)級(jí)調(diào)速。

三、單相異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能比較分析

單相異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能比較主要表現(xiàn)為：（1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較分析。 在單相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其原理都是定子繞組中通過(guò)勵(lì)磁電流產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，進(jìn)而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，形成感應(yīng)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)采用配套的變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)提供電壓及頻率由小至大不斷增大實(shí)行軟起動(dòng)過(guò)程，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、平穩(wěn)。（2）效率與功率因數(shù)比較分析。異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子需要從電網(wǎng)吸收部分電能勵(lì)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動(dòng)機(jī)總損耗的21%～35%左右，最后導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的效率下降。而將轉(zhuǎn)子勵(lì)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(gè)角度，使得電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)下降。同時(shí)，從永磁同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)等功率與功率因數(shù)曲線上可以看出，異步電動(dòng)機(jī)在負(fù)載率小于50%時(shí)，運(yùn)行效率、運(yùn)行功率等因數(shù)就會(huì)出現(xiàn)大幅度的降低，所以在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)內(nèi)一般負(fù)載率保持在70%～100%左右。永磁同步電動(dòng)機(jī)主要通過(guò)轉(zhuǎn)子上永磁體設(shè)立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，在正常工作時(shí)使得轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)進(jìn)行同步運(yùn)轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子沒(méi)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(dòng)機(jī)效率6%～10%。再者，由于永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中沒(méi)有感應(yīng)的電流勵(lì)磁，定子繞組就會(huì)呈純阻性負(fù)載，使得電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)為1。（3）工作時(shí)的升溫比較分析。異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組有電流流動(dòng)，其中電流主要通過(guò)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(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的溫升明顯上升，最終影響電動(dòng)機(jī)的壽命。而永磁電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(méi)有無(wú)功電流，這就使得電動(dòng)機(jī)溫升低，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。（4）電網(wǎng)運(yùn)行的影響。由于異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)比較低，電動(dòng)機(jī)需要從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)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(wú)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(shí)，無(wú)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(jià)值。由于異步電動(dòng)機(jī)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(bǔ)電網(wǎng)能量的損失，從而加重了電網(wǎng)負(fù)荷。而永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中沒(méi)有感應(yīng)的電流勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)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(bǔ)償器，并且還能節(jié)約電能。

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