王慶文

（國(guó)家電投集團(tuán)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(dòng)機(jī)采用永磁體生成磁場(chǎng)，無需勵(lì)磁線圈，也無需勵(lì)磁電流，與常規(guī)的異步電動(dòng)機(jī)相比，具有效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。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(jì)的到來和國(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)施，永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用將會(huì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。

一、超高效永磁同步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

1.概述

電動(dòng)機(jī)從勵(lì)磁的來源可以分為兩大類：永磁電動(dòng)機(jī)、電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)。永磁電動(dòng)機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)。

現(xiàn)階段工業(yè)和民用最廣泛應(yīng)用的三相異步電動(dòng)機(jī)，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(lì)磁電動(dòng)機(jī)。

2.歷史

19世紀(jì)20年代世界上第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)就是永磁電動(dòng)機(jī)。但受制于天然永磁材料磁性的限制，不久被電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)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(jià)格逐步降低，永磁同步電動(dòng)機(jī)成本顯著下降，在工業(yè)和民用電動(dòng)機(jī)上獲得越來越廣泛的運(yùn)用。

3.在我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀

如今，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)境和資源壓力巨大，節(jié)能減排勢(shì)在必行。永磁同步電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到常規(guī)電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)難以企及的超高效率，且我國(guó)是“稀土王國(guó)”，因此永磁節(jié)能技術(shù)非常適合我國(guó)高效節(jié)能電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)。

二、超高效永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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

永磁同步電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，

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

2.性能特點(diǎn)

額定效率高，高效運(yùn)行的負(fù)載范圍寬

可達(dá)最新國(guó)標(biāo)的I級(jí)效率（最高標(biāo)準(zhǔn)），比三相異步電動(dòng)機(jī)提高3%～5%以上，低負(fù)載時(shí)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(fù)載，不需無功補(bǔ)償。

電流小

較三相異步電動(dòng)機(jī)，電流降低10%以上。

溫升低

較三相異步電動(dòng)機(jī)溫升降低20K，設(shè)計(jì)溫升相同時(shí)可以做成更小的體積、更大的功率。

高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高過載能力

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

控制性能優(yōu)良

永磁同步電動(dòng)機(jī)控制方便，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好。

節(jié)能回報(bào)高

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

三、永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理

永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jì)對(duì)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(lì)磁

轉(zhuǎn)子內(nèi)的高性能永磁材料，會(huì)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部形成高強(qiáng)度磁場(chǎng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，該勵(lì)磁磁場(chǎng)與定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，電動(dòng)機(jī)被牽入同步，轉(zhuǎn)子外圈籠條基本無電流。

三相異步電動(dòng)機(jī)不同，三相異步電動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)子外圈籠條有電流，依靠氣隙磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)比三相異步電動(dòng)機(jī)損耗小。下表比較了永磁同步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)損耗的大小，從損耗構(gòu)成上分析了永磁電機(jī)損耗小的原理。

永磁同步電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)損耗對(duì)比

損耗項(xiàng)目：定子繞組銅耗Pcu1，損耗來源：電阻發(fā)熱損耗，永磁電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：功率因數(shù)高、電流顯著減小，損耗比較：顯著減??；

損耗項(xiàng)目：定子鐵耗Pfe1，損耗來源：渦流損耗、磁滯損耗，永磁電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：合理設(shè)計(jì)，可控，損耗比較：并不增大，或有減小；

損耗項(xiàng)目：轉(zhuǎn)子繞組銅耗Pcu2，損耗來源：電阻發(fā)熱損耗，永磁電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組幾乎沒有電流，損耗比較：損耗約等于0，顯著減小；

損耗項(xiàng)目：轉(zhuǎn)子鐵耗Pfe2，損耗來源：渦流損耗、磁滯損耗，永磁電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁磁場(chǎng)同步，損耗比較：損耗幾乎為0，顯著減??；

損耗項(xiàng)目：機(jī)械損耗Pm，損耗來源：風(fēng)阻損耗、軸承損耗，永磁電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：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(xiàng)目：雜散損耗Ps，損耗來源：諧波等的附加損耗，永磁電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：合理設(shè)計(jì)，可控，損耗比較：并不增大，或有減小。

備注：電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，從電源輸入電功率P1，轉(zhuǎn)軸上輸出機(jī)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(dòng)機(jī)各損耗均減小，總損耗減小，效率提高。

四、永磁同步電動(dòng)機(jī)在工廠的應(yīng)用情況

永磁電動(dòng)機(jī)在有色金屬、冶金、煤炭、機(jī)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(jī)，并且節(jié)能效果明顯。下面是國(guó)內(nèi)一家永磁電動(dòng)機(jī)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(jī)在某公司使用技術(shù)指標(biāo)

從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，功率因數(shù)達(dá)到0.97左右，在不投無功補(bǔ)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(guó)家對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的相關(guān)政策

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

2、2013年9月12日，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)、財(cái)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(jī)推廣目錄的通知》，對(duì)入選該目錄中的永磁同步電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，購(gòu)買其永磁電機(jī)，國(guó)家給予使用單位按100元/千瓦給予補(bǔ)貼，這是目前國(guó)家對(duì)高效電機(jī)最高的補(bǔ)貼政策。

六、永磁電動(dòng)機(jī)投資收益分析

1、永磁電動(dòng)機(jī)屬于國(guó)家一級(jí)能效指標(biāo)的產(chǎn)品，國(guó)家對(duì)各級(jí)能效指標(biāo)產(chǎn)品、節(jié)電率規(guī)定如下：

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2012規(guī)定，可以證明永磁電動(dòng)機(jī)比YX3電機(jī)綜合能效提高4%。從永磁電動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)價(jià)格看，永磁電機(jī)比YX3系列電機(jī)價(jià)格高約25%左右，采用永磁電動(dòng)機(jī)增加的投資可在2年左右的時(shí)間收回。

七、超高效永磁同步電動(dòng)機(jī)在新項(xiàng)目選用的優(yōu)勢(shì)

永磁電動(dòng)機(jī)相對(duì)異步電動(dòng)機(jī)具有發(fā)熱量低、運(yùn)行電流小、無功損耗低、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。超高效永磁同步電動(dòng)機(jī)對(duì)比國(guó)內(nèi)中小電機(jī)廠家生產(chǎn)的YX3系列電機(jī)來說，價(jià)格稍微偏高，但是如果與上電、湘電、ABB、西門子等大型電機(jī)品牌而言，價(jià)格相差并不大。如果在新項(xiàng)目上選用永磁同步電動(dòng)機(jī)，具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：

1、電機(jī)節(jié)電效果明顯，相比YX3異步電機(jī)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(jī)屬于同步電機(jī)，而同步電機(jī)本身具有無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，如果在一定規(guī)模上使用永磁同步電動(dòng)機(jī)，可以對(duì)企業(yè)的無功有很大的補(bǔ)償，因此可以節(jié)約另外購(gòu)買無功補(bǔ)償裝置的費(fèi)用。

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

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

八、超高效永磁同步電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題

1、永磁同步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較異步電動(dòng)機(jī)價(jià)格貴25%左右，會(huì)比較明顯的增加工程建設(shè)的一次投資。國(guó)內(nèi)各個(gè)企業(yè)由于控制投資，采用永磁同步電動(dòng)機(jī)的積極性不高。

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

3、永磁同步電動(dòng)機(jī)損壞或失磁后，對(duì)檢修和維護(hù)要求較高，使工業(yè)用戶存在顧慮。

九、結(jié)論

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在同等用電負(fù)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(dòng)機(jī)顯著減小，同時(shí)可省去無功補(bǔ)償裝置，在新建工業(yè)項(xiàng)目中，綜合投資增加并不多。隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)新材料的研發(fā)和設(shè)備廠家技術(shù)制造水平的提高，國(guó)家節(jié)能減排惠民工程政策的實(shí)施，永磁同步電動(dòng)機(jī)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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