張明杰

摘要：永磁同步電機(jī)作為一種新型節(jié)能電機(jī)，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(hù)、運(yùn)轉(zhuǎn)率高等優(yōu)勢，在諸多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)包括調(diào)速永磁同步電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)、異步啟動永磁同步電機(jī)。文中所述永磁同步電機(jī)僅指調(diào)速永磁同步電機(jī)，多用于大功率設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)。筆者通過對比供水系統(tǒng)永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)，總結(jié)出其他行業(yè)應(yīng)用永磁同步電機(jī)設(shè)備的幾個使用工況，結(jié)合行業(yè)目前使用情況，對設(shè)備適用性進(jìn)行了初步的分析。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；高效率；調(diào)速；適用性；節(jié)能措施

永磁同步電機(jī)損耗僅約為異步電機(jī)的50%，主要原因在于：第一，永磁同步電機(jī)定子銅損及鐵損明顯低于異步電機(jī)，且其獨(dú)有的定子鐵損（慣性運(yùn)行時(shí)）也明顯低于異步電機(jī)獨(dú)有的轉(zhuǎn)子銅損；第二，異步電動機(jī)通常制成風(fēng)冷式，而永磁同步電動機(jī)由于損耗少，可制成全封閉式，進(jìn)而使得機(jī)械損耗（風(fēng)損）大幅降低。本文對永磁同步電機(jī)與傳統(tǒng)異步電機(jī)從電機(jī)結(jié)構(gòu)、特性、使用情況、成本等角度進(jìn)行了對比分析；并結(jié)合永磁同步電機(jī)的設(shè)備使用工況特點(diǎn)及目前設(shè)備應(yīng)用節(jié)能情況。

1永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)的對比

永磁同步電機(jī)具有如下特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)：永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)相比，如異步電機(jī)為高效電機(jī)，在滿載時(shí)電機(jī)效率平均差2%（異步電機(jī)為普通電機(jī)時(shí)相差～5%），優(yōu)勢不明顯；在半載時(shí)，電機(jī)效率平均差10%，有優(yōu)勢；在輕載時(shí)，異步電機(jī)效率至少會差15%～20%，而永磁同步電機(jī)的效率和功率因數(shù)受負(fù)載率的影響很小，具有寬的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，相對異步電機(jī)而言，輕載時(shí)節(jié)電效果明顯。永磁同步電機(jī)功率因數(shù)平均高達(dá)0.95～0.99，比常規(guī)高效電機(jī)的0.86～0.94高出5%～10%；空載電流低，以315kW電機(jī)為例，空載電流為2.5A，普通電機(jī)為10～20A。永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)相比，起動扭矩大，可達(dá)到額定值的2.2倍，而普通異步電動機(jī)只能達(dá)到55%左右，因此選擇時(shí)比傳統(tǒng)異步電動機(jī)的功率要小。如傳統(tǒng)需要90kW，而永磁直驅(qū)只需75kW或60kW，傳動效率高，可達(dá)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(qū)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(shí)也減少了傳動維護(hù)的工作量和材料量。

永磁同步電機(jī)+變頻器成本是異步電機(jī)+減速機(jī)（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(jī)節(jié)電數(shù)值大但占比很小，性價(jià)比不高；大電機(jī)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(fù)載情況、變化周期、運(yùn)行時(shí)間）。永磁同步電機(jī)的成本主要高在稀土永磁材料價(jià)格高和定子采用環(huán)氧樹脂整體密封澆灌技術(shù)上（一般大型電機(jī)采用此技術(shù)）。

2永磁同步電機(jī)適用工況

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

3 永磁電機(jī)節(jié)能分析

永磁電機(jī)可以方便對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，不需要對現(xiàn)有減速設(shè)備和供電電源進(jìn)行任何改動，維護(hù)工作量小，維護(hù)費(fèi)用低，容忍較大的安裝對中誤差，大大簡化了安裝調(diào)試過程，從而減少運(yùn)行和維護(hù)成本?？煽啃愿撸O(shè)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(jī)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)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）。而永磁電機(jī)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)子轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于同步速，也叫同步電機(jī)。由于不需要從電網(wǎng)吸收無功電流，轉(zhuǎn)子上沒有銅耗和鐵耗，所以同步電機(jī)在很寬的負(fù)載范偉內(nèi)保持接近1的功率因素，機(jī)器效率比同容量的異步電機(jī)提高8%，力能指標(biāo)提高18%左右。此外同步電機(jī)啟動時(shí)候，電流是逐漸增加的，不會超過額定電流，扭矩也能達(dá)到額定扭矩，沒有電流沖擊，延長使用壽命，電機(jī)處于合理負(fù)荷中工作。

4 結(jié)束語

異步電機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這部分產(chǎn)生磁場的功率，不會被消耗，只存在與電機(jī)與電源之間，這就是無功功率。永磁電機(jī)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(qū)動前置也不一樣，永磁同步電機(jī)要使用專門的驅(qū)動器，例如三晶S3000B伺服驅(qū)動器，交流異步電機(jī)大部分用變頻器驅(qū)動。設(shè)備高效節(jié)能、安全、免維護(hù)是工業(yè)企業(yè)進(jìn)行設(shè)備升級改造追求的目標(biāo)之一。隨著永磁電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的推出、永磁材料的革新、成本的下降和電機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的提升，其應(yīng)用將會更廣泛。

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