小功率永磁同步電動機與單相異步電動機的比較

陳明斌

摘 要：單相異步電動機就是用單相交流電源供電的異步電動機，其電源使用方便，在家用電器、醫療器械以及工具中廣泛使用，過載能力及效率低。小功率永磁同步電動機結構簡單、運行安全可靠，過載能力及效率性能指標高，電源可接單相或三相輸入，目前在動力系統中得到了廣泛的使用。本文主要通過對小功率單相異步電動機、高效永磁同步電動機進行經濟技術等分析，有效的探討小功率永磁同步電動機的相關設計要點，為永磁同步電機的發展提供有效的參考依據。

關鍵詞：單相異步電動機；永磁同步電機；設計

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A

單相異步電動機是功率一般小于2.2kW電動機。如YC系列電容起動異步電動機、YY系列電容運轉異步電動機、YU系列電阻起動異步電動機。此類交流異步電動機具有結構簡單，工作可靠、壽命長、成本低，保養維護簡便，但調速性能差，起動轉矩小，過載能力和效率低。小功率永磁同步電機具有體積小、重量輕，電源頻率一定時，轉速不變，且與負載無關，在較寬負載范圍內效率高、功率因數高等優勢。在能源問題嚴重的今天，該設計符合我國的“節能降耗”的方向，并且具有良好的發展前景，目前永磁同步電機現已廣泛使用到家庭、工業生產中，同時獲得了良好的節能效果，部分產品已代替單相異步電動機。本文主要通過對異步電機與永磁同步電機的方案績效分析，并提出了相關提高永磁同步電機效率的設計，現報告如下。

一、永磁同步電動機的結構設計

單相異步電動機、小功率永磁同步電動機這二種電動機的定子部份的相關設計類似，它們的主要區別在于轉子方面的設計。其中永磁同步電動機設計主要是確定電機的尺寸、磁路等方面的結構，并選擇相關的永磁體的尺寸，從而設計定子、轉子、繞組數據，隨后通過應用性能校核程序，并對初始方案進行有效的核算，并調整電動機某些設計參數，直到符合電磁設計方案的相關指標。一般采用的電磁設計方法：一是等效磁路法，二是電磁場數值解法；本文主要結合相關研究提出高效永磁同步電動機的工程設計方法。

例子：

在單相電容運轉異步電動機YYD-8042的基礎上，設計出了永磁同步電動機TYC-71L，該設計減少一個機座號，定子沖片結構相似，定子嵌線工藝與三相電機相同，主要是轉子結構不同。單相異步電動機的鼠籠轉子需要鑄鋁，如圖1。永磁同步電動機轉子不用鑄鋁，轉子可設計成四極、六極或八極，把轉子磁鋼直接嵌在轉子鐵芯的外表面，為了給轉子磁鋼的設計騰出足夠的空間，確保有足夠的磁鋼激磁表面積從而提高磁鋼的利用率，同時左右用銅板把其固定，整個轉子基本上是一個實心，轉子與轉軸使用的冷壓工藝進行配合，加工簡單，結構牢固，如圖2所示。采用外配變頻器，由變頻器對電機實行控制使轉子軟，轉速能實行精準的無級調速。一對極距內定、轉子橫截面如圖3所示。

二、異步電機和永磁電機的性能比較

異步電機和永磁同步電機相比，永磁同步電機具有明顯的優點：體積小、功率因數高、溫升低、節電效果顯著、重量輕以及力能指標好，且可以有效的提高電網的品質因數，并能解決用電設備中“大馬拉小車”的現象。

（一）效率與功率因數比較

異步電機在運行時，轉子需要從電網吸收部分電能勵磁，從而消耗了電網的部分電能，而這部分電能最后以電流的形式在轉子中進行發熱并消耗掉，該損耗的大約是總電機總損耗的21%～35%左右，最后導致電機的效率下降。而將轉子勵磁電流折算到定子繞阻后就可以呈現感性電流，使其進入到定子繞阻中的電流落后以及電網電壓一個角度，使得電機的功率因數下降。同時，從永磁同步電機、異步電機等功率與功率因數曲線上可以看出，異步電動機在負載率小于50%時，運行效率、運行功率等因數就會出現大幅度的降低，所以在經濟運行區內一般負載率保持在70%～100%左右。永磁同步電機主要通過轉子上永磁體設立轉子磁場，在正常工作時使得轉子和定子磁場進行同步運轉，因此轉子沒有感應電流，就不存在轉子電阻損耗，這樣就可以提高電機效率6%～10%。再者，由于永磁電機轉子中沒有感應的電流勵磁，定子繞組就會呈純阻性負載，使得電機功率因數為1。

（二）啟動轉矩

在單相異步電機啟動時，其原理都是定子繞組中通過勵磁電流產生氣隙磁場，進而在轉子繞組中產生感應電動勢和感應電流，形成感應磁場，從而產生電磁轉矩使轉子旋轉，起動轉矩小。小功率永磁同步電動機起動采用配套的變頻器對電機提供電壓及頻率由小至大不斷增大實行軟起動過程，起動轉矩大、平穩。

（三）工作時的升溫比較

在異步電機工作時，轉子繞組有電流流動，其中電流主要通過熱能的方式進行消耗，因此，在轉子繞組中產生的大量熱量，就會導致電機的溫升明顯上升，最終影響電機的壽命。而永磁電機工作時，效率比較高，子繞組中也不存在電阻損耗的情況，定子繞組中幾乎沒有無功電流，這就使得電機溫升低，延長了電機的使用壽命。

（四）電網運行的影響

由于異步電機的功率因數比較低，電機需要從電網中吸收大量的無功電流，使得電網設備、輸變電設備、發電設備等尚且存在著大量的無功電流，導致電網的品質因數明顯降低，最后加重電網設備、輸變電設備等的負荷。同時，無功電流在輸變電設備、電網設備、發電設備中都需要消耗掉一部分的電能，導致電力電網的效率逐漸下降，從而影響了電能的有效價值。由于異步電機的效率下降，又要滿足輸出功率的需求，就要從電網中多吸收電能，彌補電網能量的損失，從而加重了電網負荷。而永磁電機轉子中沒有感應的電流勵磁，電機的功率因數比較高，這就提高了電網的品質因數，使得電網不需要安裝補償器，并且還能節約電能。

三、實例對比及效益分析

用輸出1.1kW 2極的電機分析：YYD-8042 220V 50Hz Pout=1.1kW 2850r/min單相電容運轉異步電動機正常運轉時效率75%，即輸入功率Pin=1.1/0.75=1.47kW按電機配套的產品每年運行4500h，每度電的價格為0.90元計算，可以得出結果：每年耗電功率為：1.47×4500=6615kW，年度耗電費用為：6615×0.9=5954元。改用TYC-71L 220V 50Hz Pout=1.1kW2850r/min永磁同步電動機后，運轉時功率因數0.99，效率86%（此效率大于GB18613-2012中小型電動機能效等級2級，接近1級），即輸入功率Pin=1.1/0.86=1.28kW，相同的時間及用電單價，則每年耗電功率為：1.28×4500=5760kW，年度耗電費用為：5760×0.9=5174元。實際較少的耗電費用為780元。由此可見，永磁同步電動機較單相異步電動機發揮的節能作用極其重大。需然永磁同步電動機較單相異步電動成本高，按1.1kW2極對比，多約500元，但不足一年時間即可平衡成本。

中國的以電為動力的機械中，約有90%左右為異步電動機，其中小型異步電動機約占70%以上。如果其中四分一異步電動機改用永磁同步電動機，則節能減排效果非常顯著。

結語

伴隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，價格的逐步下降，加上永磁電機研究開發經驗的日趨成熟，永磁電機應用前景非常的樂觀。在國家大力提倡節能減排的環境下，開發改進更多的小功率永磁同步電機代替原單相異步電動機，會大幅節省電機成本，提高性價比，促進電機學科和行業進一步發展。

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