永磁同步電動機發(fā)展及在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的前景

王慶文

（國家電投集團貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司務(wù)川氧化鋁分公司 貴州 遵義 564300）

摘 要：永磁同步電動機采用永磁體生成磁場，無需勵磁線圈，也無需勵磁電流，與常規(guī)的異步電動機相比，具有效率高，結(jié)構(gòu)簡單的特點。隨著高性能永磁材料的問世和控制技術(shù)的發(fā)展，以及低碳經(jīng)濟的到來和國家節(jié)能減排政策的實施，永磁同步電動機的應(yīng)用將會在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。

一、超高效永磁同步電動機簡介

1.概述

電動機從勵磁的來源可以分為兩大類：永磁電動機、電勵磁電動機。永磁電動機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的電動機。

現(xiàn)階段工業(yè)和民用最廣泛應(yīng)用的三相異步電動機，如Y系列、Y2系列、YX3系列、YR系列、YB系列、YB2系列等皆屬于電勵磁電動機。

2.歷史

19世紀20年代世界上第一臺電動機就是永磁電動機。但受制于天然永磁材料磁性的限制，不久被電勵磁電動機所取代。

隨著80年代第三代稀土永磁材料——釹鐵硼的發(fā)明，特別是90年代以來釹鐵硼熱穩(wěn)定性改善、價格逐步降低，永磁同步電動機成本顯著下降，在工業(yè)和民用電動機上獲得越來越廣泛的運用。

3.在我國發(fā)展現(xiàn)狀

如今，經(jīng)濟發(fā)展的環(huán)境和資源壓力巨大，節(jié)能減排勢在必行。永磁同步電動機可以達到常規(guī)電勵磁電動機難以企及的超高效率，且我國是“稀土王國”，因此永磁節(jié)能技術(shù)非常適合我國高效節(jié)能電機發(fā)展趨勢。

二、超高效永磁同步電動機的特點

1.結(jié)構(gòu)特點

永磁同步電動機的外形和安裝尺寸符合相關(guān)國標(biāo)、IEC標(biāo)準(zhǔn)，與同規(guī)格三相異步電動機完全相同。

永磁同步電動機與三相異步電動機的區(qū)別在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，

最顯著的結(jié)構(gòu)特點就是：轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌高性能永磁材料。

2.性能特點

額定效率高，高效運行的負載范圍寬

可達最新國標(biāo)的I級效率（最高標(biāo)準(zhǔn)），比三相異步電動機提高3%～5%以上，低負載時效率提高更顯著。

功率因數(shù)高

功率因數(shù)0.96以上，甚至呈容性負載，不需無功補償。

電流小

較三相異步電動機，電流降低10%以上。

溫升低

較三相異步電動機溫升降低20K，設(shè)計溫升相同時可以做成更小的體積、更大的功率。

高啟動轉(zhuǎn)矩、高過載能力

根據(jù)需要，可以設(shè)計成高啟動轉(zhuǎn)矩（3-5倍）、高過載能力。

控制性能優(yōu)良

永磁同步電動機控制方便，動態(tài)響應(yīng)性能好。

節(jié)能回報高

一般工業(yè)領(lǐng)域，替代低壓（380/660/1140V）高效異步電動機，系統(tǒng)節(jié)能5%～10%；替代高壓（6kV/10kV）高效異步電動機，系統(tǒng)節(jié)能3%～5%。

三、永磁同步電動機節(jié)能原理

永磁同步電動機節(jié)能根源在于使用了高性能的磁性材料，原理如下圖所示。

1.內(nèi)嵌高性能磁材

永磁同步電動機內(nèi)嵌磁材為第三代稀土永磁材料——釹鐵硼，

具有超高的磁性和抗去磁能力。且耐高溫、抗腐蝕（鍍鋅或鎳+環(huán)氧）。

結(jié)構(gòu)的設(shè)計對發(fā)揮材料性能至關(guān)重要，右圖是一種典型的磁鋼布置形式。

2.永磁體勵磁

轉(zhuǎn)子內(nèi)的高性能永磁材料，會在電動機內(nèi)部形成高強度磁場。當(dāng)電動機穩(wěn)態(tài)運行時，該勵磁磁場與定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，電動機被牽入同步，轉(zhuǎn)子外圈籠條基本無電流。

三相異步電動機不同，三相異步電動機有轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)子外圈籠條有電流，依靠氣隙磁場切割籠條內(nèi)電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

3.穩(wěn)態(tài)損耗分析

永磁同步電動機比三相異步電動機損耗小。下表比較了永磁同步電動機和三相異步電動機損耗的大小，從損耗構(gòu)成上分析了永磁電機損耗小的原理。

永磁同步電動機與三相異步電動機損耗對比

損耗項目：定子繞組銅耗Pcu1，損耗來源：電阻發(fā)熱損耗，永磁電動機特點：功率因數(shù)高、電流顯著減小，損耗比較：顯著減?。?/p>

損耗項目：定子鐵耗Pfe1，損耗來源：渦流損耗、磁滯損耗，永磁電動機特點：合理設(shè)計，可控，損耗比較：并不增大，或有減小；

損耗項目：轉(zhuǎn)子繞組銅耗Pcu2，損耗來源：電阻發(fā)熱損耗，永磁電動機特點：運行時轉(zhuǎn)子繞組幾乎沒有電流，損耗比較：損耗約等于0，顯著減?。?/p>

損耗項目：轉(zhuǎn)子鐵耗Pfe2，損耗來源：渦流損耗、磁滯損耗，永磁電動機特點：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和勵磁磁場同步，損耗比較：損耗幾乎為0，顯著減?。?/p>

損耗項目：機械損耗Pm，損耗來源：風(fēng)阻損耗、軸承損耗，永磁電動機特點：發(fā)熱小，冷卻風(fēng)扇減小，損耗比較：風(fēng)阻損耗減小，損耗有所減??；

損耗項目：雜散損耗Ps，損耗來源：諧波等的附加損耗，永磁電動機特點：合理設(shè)計，可控，損耗比較：并不增大，或有減小。

備注：電動機運行時，從電源輸入電功率P1，轉(zhuǎn)軸上輸出機械功率P2，中間發(fā)生了上述中6大部分損耗，下圖說明了功率和損耗的分配關(guān)系。

4.提高效率

由上述損耗分析可見，永磁電動機各損耗均減小，總損耗減小，效率提高。

四、永磁同步電動機在工廠的應(yīng)用情況

永磁電動機在有色金屬、冶金、煤炭、機械裝備、石油化工、電力、橡膠、紡織等行業(yè)都有大量的使用業(yè)績，并且節(jié)能效果明顯。下面是國內(nèi)一家永磁電動機產(chǎn)品在某公司各工序使用技術(shù)參數(shù)及節(jié)能效果。

永磁同步電機在某公司使用技術(shù)指標(biāo)

從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，功率因數(shù)達到0.97左右，在不投無功補償裝置的情況下，滿足電網(wǎng)要求功率因數(shù)不低于0.95的要求。

五、國家對永磁同步電動機的相關(guān)政策

1、2013年6月10日，工業(yè)和信息化部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于組織實施電機能效提升計劃（2013-2015年）的通知》，其中重點對Y1、Y2系列電機淘汰做出了明確的時間要求，國家將重點支持和推廣永磁同步電機在內(nèi)的高效電機。

2、2013年9月12日，國家發(fā)展與改革委員會、財政部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于組織推薦節(jié)能產(chǎn)品惠民工程、高效電機推廣目錄的通知》，對入選該目錄中的永磁同步電機生產(chǎn)企業(yè)，購買其永磁電機，國家給予使用單位按100元/千瓦給予補貼，這是目前國家對高效電機最高的補貼政策。

六、永磁電動機投資收益分析

1、永磁電動機屬于國家一級能效指標(biāo)的產(chǎn)品，國家對各級能效指標(biāo)產(chǎn)品、節(jié)電率規(guī)定如下：

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2012規(guī)定，可以證明永磁電動機比YX3電機綜合能效提高4%。從永磁電動機的市場價格看，永磁電機比YX3系列電機價格高約25%左右，采用永磁電動機增加的投資可在2年左右的時間收回。

七、超高效永磁同步電動機在新項目選用的優(yōu)勢

永磁電動機相對異步電動機具有發(fā)熱量低、運行電流小、無功損耗低、運行效率高等優(yōu)點。超高效永磁同步電動機對比國內(nèi)中小電機廠家生產(chǎn)的YX3系列電機來說，價格稍微偏高，但是如果與上電、湘電、ABB、西門子等大型電機品牌而言，價格相差并不大。如果在新項目上選用永磁同步電動機，具有以下幾方面優(yōu)點：

1、電機節(jié)電效果明顯，相比YX3異步電機而言，平均節(jié)電率不低于4%。

2、功率因素較高，由于永磁電機屬于同步電機，而同步電機本身具有無功補償?shù)膬?yōu)點，如果在一定規(guī)模上使用永磁同步電動機，可以對企業(yè)的無功有很大的補償，因此可以節(jié)約另外購買無功補償裝置的費用。

3、降低變壓器的容量，永磁同步電機功率因素高，無功較少或沒有，電流小的優(yōu)點，因此規(guī)模使用永磁電動機，可以在變壓器選型上進行優(yōu)化。

4、電纜可以選小，由于永磁同步電動機具有電流小的特點，因此電纜的線載電流小，如果規(guī)模使用永磁電機，可以優(yōu)化電纜選型。

八、超高效永磁同步電機在實際應(yīng)用中面臨的問題

1、永磁同步電動機的價格較異步電動機價格貴25%左右，會比較明顯的增加工程建設(shè)的一次投資。國內(nèi)各個企業(yè)由于控制投資，采用永磁同步電動機的積極性不高。

2、如果永磁電動機設(shè)計或使用不當(dāng)，在高溫、化學(xué)腐蝕、機械振動以及沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)等因素作用下，電機內(nèi)永磁體容易產(chǎn)生不可逆失磁，使電機的性能急劇下降，甚至可能導(dǎo)致電機停轉(zhuǎn)或燒毀。

3、永磁同步電動機損壞或失磁后，對檢修和維護要求較高，使工業(yè)用戶存在顧慮。

九、結(jié)論

永磁同步電動機具有效率高，結(jié)構(gòu)簡單的特點，在同等用電負荷下，變壓器容量、供電電纜等電氣設(shè)備較采用常規(guī)異步電動機顯著減小，同時可省去無功補償裝置，在新建工業(yè)項目中，綜合投資增加并不多。隨著永磁同步電動機新材料的研發(fā)和設(shè)備廠家技術(shù)制造水平的提高，國家節(jié)能減排惠民工程政策的實施，永磁同步電動機將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

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