小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)與單相異步電動(dòng)機(jī)的比較

陳明斌

摘 要：?jiǎn)蜗喈惒诫妱?dòng)機(jī)就是用單相交流電源供電的異步電動(dòng)機(jī)，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(guò)載能力及效率低。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。本文主要通過(guò)對(duì)小功率單相異步電動(dòng)機(jī)、高效永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為永磁同步電機(jī)的發(fā)展提供有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗喈惒诫妱?dòng)機(jī)；永磁同步電機(jī)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

單相異步電動(dòng)機(jī)是功率一般小于2.2kW電動(dòng)機(jī)。如YC系列電容起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、YY系列電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)、YU系列電阻起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)。此類交流異步電動(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。小功率永磁同步電機(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)。在能源問(wèn)題嚴(yán)重的今天，該設(shè)計(jì)符合我國(guó)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(jī)現(xiàn)已廣泛使用到家庭、工業(yè)生產(chǎn)中，同時(shí)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(dòng)機(jī)。本文主要通過(guò)對(duì)異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)的方案績(jī)效分析，并提出了相關(guān)提高永磁同步電機(jī)效率的設(shè)計(jì)，現(xiàn)報(bào)告如下。

一、永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單相異步電動(dòng)機(jī)、小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)這二種電動(dòng)機(jī)的定子部份的相關(guān)設(shè)計(jì)類似，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)行有效的核算，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；本文主要結(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。

例子：

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，如圖1。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，如圖2所示。采用外配變頻器，由變頻器對(duì)電機(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。一對(duì)極距內(nèi)定、轉(zhuǎn)子橫截面如圖3所示。

二、異步電機(jī)和永磁電機(jī)的性能比較

異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：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(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機(jī)總損耗的21%～35%左右，最后導(dǎo)致電機(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，使得電機(jī)的功率因數(shù)下降。同時(shí)，從永磁同步電機(jī)、異步電機(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，這樣就可以提高電機(jī)效率6%～10%。再者，由于永磁電機(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，使得電機(jī)功率因數(shù)為1。

（二）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

在單相異步電機(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)。

（三）工作時(shí)的升溫比較

在異步電機(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)致電機(jī)的溫升明顯上升，最終影響電機(jī)的壽命。而永磁電機(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，這就使得電機(jī)溫升低，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

（四）電網(wǎng)運(yùn)行的影響

由于異步電機(jī)的功率因數(shù)比較低，電機(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。而永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子中沒(méi)有感應(yīng)的電流勵(lì)磁，電機(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。

三、實(shí)例對(duì)比及效益分析

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

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

結(jié)語(yǔ)

伴隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，價(jià)格的逐步下降，加上永磁電機(jī)研究開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的日趨成熟，永磁電機(jī)應(yīng)用前景非常的樂(lè)觀。在國(guó)家大力提倡節(jié)能減排的環(huán)境下，開(kāi)發(fā)改進(jìn)更多的小功率永磁同步電機(jī)代替原單相異步電動(dòng)機(jī)，會(huì)大幅節(jié)省電機(jī)成本，提高性價(jià)比，促進(jìn)電機(jī)學(xué)科和行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]馬淑梅，柯于林，李愛(ài)平，劉雪梅.基于ANSYS的高效永磁同步電機(jī)主軸靜動(dòng)態(tài)特性有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013（02）：82-86.

[2]盧偉甫，劉明基，羅應(yīng)立，張健.自起動(dòng)永磁同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程退磁磁場(chǎng)的計(jì)算與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011（15）：53-60.

[3]賈永峰，谷立臣.永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012（03）：286-290.