大型永磁電動機在南水北調東線一期工程山東段韓莊泵站中的應用

孫水英 于國安 夏泉 盧常興

(山東省水利勘測設計院 山東濟南 250013)

1 工程概況

南水北調東線一期工程山東段韓莊運河段工程是南水北調東線一期工程的重要組成部分，工程的主要任務是建設駱馬湖至南四湖段山東省境內的輸水泵站及水資源控制工程，滿足南水北調東線一期工程韓莊運河段由駱馬湖向南四湖下級湖調水的需要，并改善韓莊運河的航運條件。

韓莊泵站是韓莊運河段的最后一級泵站，位于山東省棗莊市嶧城區古邵鎮八里溝村西，泵站的主要任務是通過韓莊運河提水入南四湖下級湖，以實現南水北調東線第一期工程的調水目標，泵站共安裝5臺套燈泡貫流式水泵機組，其中備用1臺，驅動方式為電動機驅動。泵站的設計流量為125m3/s。電動機水平安裝于燈泡貫流式水泵機組體內，額定輸出功率1800kW，額定電壓6kV，額定轉速125r/min，采用高壓變頻調速裝置。

2 永磁電機的工作原理

同步電動機是以定子磁場和轉子磁場相互作用，將電能轉換為機械能。同步電動機轉子磁場的獲得可以有兩種方法。一種是采用直流勵磁裝置，給同步電動機轉子施加勵磁電流，在電機轉子繞組產生磁場，這就是現在常用的電勵磁同步電動機；另一種是電動機轉子采用永磁材料制造，由永磁鐵產生轉子磁場，結構簡單，無電勵磁能量的損耗，這就是永磁電機。山東省南水北調韓莊泵站即采用此類型同步永磁電動機。

3 永磁電機的發展概況

稀土永磁電機的研究和開發大致可以分成三個階段。

第一階段：20世紀60年代后期和70年代，由于稀土鈷永磁價格昂貴，研究開發重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。

第二階段：20世紀 80年代，特別是 1983年出現價格相對較低的釹鐵硼永磁后，國內外的研究開發重點轉移到工業和民用電機上。稀土永磁的優異磁性能，加上電力電子器件和微機技術的迅猛發展，不僅使許多傳統的電勵磁電機紛紛用稀土永磁電機來替代，而且可以實現傳統的電勵磁電機所難以達到的高性能。

第三階段：進入20世紀90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發展，加上永磁電機研究開發經驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業生產和日常生活等各個方面獲得越來越廣泛的應用外，稀土永磁電機的研究開發進入一個新階段。一方面，正向大功率化（高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方向發展；另一方面，促使永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面的研究工作出現嶄新的局面，有關的學術論文和科研成果大量涌現，形成了以電磁場數值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究方法和計算機輔助設計軟件。

我國的稀土資源豐富，稀土不稀，號稱“稀土王國”。稀土礦石和稀土永磁的產量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平。因此，充分發揮我國稀土資源豐富的優勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現我國社會主義現代化具有重要的理論意義和實用價值。

韓莊泵站永磁體采用：稀土類釹鐵硼，牌號為 33UH。

2007年9月，我國首臺2MW永磁風力發電機問世。

4 永磁同步電動機與電勵磁同步電動機的比較

（1)技術比較

與傳統的電勵磁電機相比，永磁電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點。

永磁同步電動機與感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數（可達到1，甚至容性)，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，進而可以減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇)和相應的風摩損耗，效率比同規格感應電動機可提高2～8個百分點。而且，永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。這類電機一般都在轉子上設置起動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。

水泵電機是耗能大戶，而目前所用電機的效率和功率因數較低，改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數，節約能源，且為無刷結構，提高了運行的可靠性。

韓莊泵站永磁同步電機與電勵磁同步電動機的主要性能比較詳見表1。

從表1可看出，永磁同步電機的主要性能優于電勵磁電機。

表1 韓莊泵站永磁同步電機與電勵磁同步電動機的主要性能比較

（2)經濟比較

采用永磁同步電機，最大的優點是，可省略勵磁裝置及減少站用變壓器容量，1800KW永磁同步電機與電勵磁同步電機經濟比較見表2。

通過表2可知永磁電機與電勵磁電機相比每臺機組減少投資 421.99-395.7=26.29萬元，5臺機組減少投資26.29*5=131.45萬元。

（3)節省運行費

每臺機組按年運行 4136小時計，每臺機組勵磁容量為75KW。每度電按0.5元計。每年運行費為： 75*4136*0.5=15.51萬元，5臺機組節約運行費15.51*5=77.55萬

表2 韓莊泵站永磁同步電機與電勵磁同步電動機的經濟比較

5 要解決的關鍵問題

（1)減少漏磁

轉子采用嵌入式結構，磁鋼裝入由硅鋼片制成的盒中，由固定塊將磁鋼及硅鋼片固定在轉子支架上。磁通主要由硅鋼片形成閉合回路，漏磁很小，滿足使用要求。

（2)避免溫升

由于貫流泵燈泡體完全置于水中，電機定子外殼直接采用燈泡體的一部分，電機定子鐵芯與水泵燈泡體采用熱裝，導熱非常好，電機運行時流道里的水量很大，30m3/s，對電機的散熱起到很好的作用。電機轉子采用永磁鐵，無勵磁損耗發熱。電機內部有2.445m3/s循環風，將轉子產生的熱量傳到機殼表面，使電機整體溫度較低。在電機定子繞組每相安裝了PT100測溫電阻，監測電機繞組溫度，當溫度超過 110℃時報警，確保電機內部溫升不超過磁鋼最高工作溫度（120℃)。

（3)避免轉子永磁鐵退磁

釹鐵硼這種永磁材料的磁性能十分優異，剩磁和矯頑力都非常高，且退磁曲線為直線，回復線與退磁曲線基本重合。用于電機后，可提高磁負荷，減少電機的體積與重量。這種永磁材料的原料非常豐富，最高使用溫度可達120℃，完全滿足水泵電機的要求。

為了避免磁鋼被氧化后退磁，在制造過程中采用如下措施：磁鋼本體作防氧化涂層處理；磁鋼裝入由硅鋼片制成的盒中，并作進一步涂封；轉子裝配完整后整體進行樹脂浸漆。

（4)充磁周期

永磁電機轉子第一次充磁周期不小于30年，電機運行 30年基本達到更新換代的年限。在正常情況下不會失磁。一旦失磁，由于設計上采用分體磁極，可方便地進行拆卸充磁再組裝。

（5)消除轉距波動

永磁體的安裝形式采用鑲嵌式結構，可減小反電動勢波形和波形的畸變率，從而使電機減少

齒槽轉矩，降低電機的振動和噪聲，消除電機轉距的波動。

（6)消除過電流去磁

永磁材料都具有退磁拐點，如釹鐵硼退磁拐點為0.2，在電機制造時應考慮有可能出現的過電流對永磁材料退磁的影響。本工程考慮在過電流時釹鐵硼退磁拐點為0.32，大于0.2，完全滿足要求。

6 結論

通過技術經濟分析，并請國家稀土永磁電機工程研究中心的中國工程學院院士、湘潭電機廠及荷蘭水泵行業的資深專家進行技術咨詢和論證，在南水北調東線一期工程山東段韓莊運河韓莊泵站5臺燈泡貫流式水泵機組選用了永磁高壓同步電動機，并通過試運行驗收，運行狀況良好。該工程的實施，填補了我國水利工程大型泵站配套電機選擇的一個空白，為今后工程的建設積累了經驗，奠定了基礎，為提升水利工程質量做出了貢獻。