關于單相異步電動機與永磁同步電動機比較的探析

【摘要】結合單相異步電動機與小功率永磁同步電動機進行比較分析。異步電動機和永磁同步電動機相比，永磁同步電動機具有體積小、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。基于此，本文闡述了同步電動機與異步電動機的工作原理及其主要特征，對單相異步電動機與永磁同步電動機結構及其性能比較進行了探討分析。

【關鍵詞】單相異步電動機；永磁同步電動機；工作原理；特征；設計

單相異步電動機就是用單相交流電源供電的異步電動機，在家用電器、醫療器械以及工具中廣泛使用。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。為了充分發揮電動機應用的作用，對單相異步電動機與小功率永磁同步電動機進行分析具有重要意義。

一、異步電動機與同步電動機的工作原理及其主要特征

異步電動機與同步電動機的工作原理及其特征主要表現為：（1）工作原理。異步電動機的工作原理是通過定子的旋轉磁場在轉子中產生感應電流，產生電磁轉矩，轉子中并不直接產生磁場.因此，轉子的轉速一定是小于同步速的（沒有這個差值，即轉差率，就沒有轉子感應電流），也因此叫做異步電動機。而同步電動機轉子本身產生固定方向的磁場，定子旋轉磁場拖著轉子磁場（轉子）轉動，因此轉子的轉速一定等于同步速，也因此叫做同步電動機.作為電動機時，大部分是用異步機；發電機都是同步機。（2）特征。單相異步電動機是功率一般小于2.2kW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。而小功率永磁同步電動機具有體積小、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。目前永磁同步電動機現已廣泛使用到家庭、工業生產中，部分產品已代替單相異步電動機。

二、單相異步電動機與永磁同步電動機結構的比較分析

單相異步電動機與永磁同步電動機的定子相關設計類似，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動機的尺寸、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；以下結合相關研究提出高效永磁同步電動機的工程設計方法。例如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動機相同，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。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。采用外配變頻器，由變頻器對電動機實行控制使轉子軟，轉速能實行精準的無級調速。

三、單相異步電動機和永磁同步電動機的性能比較分析

單相異步電動機和永磁同步電動機的性能比較主要表現為：（1）啟動轉矩比較分析。 在單相異步電動機啟動時，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動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。（2）效率與功率因數比較分析。異步電動機在運行時，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動機總損耗的21%～35%左右，最后導致電動機的效率下降。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，使得電動機的功率因數下降。同時，從永磁同步電動機、異步電動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。永磁同步電動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，這樣就可以提高電動機效率6%～10%。再者，由于永磁電動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，使得電動機功率因數為1。（3）工作時的升溫比較分析。異步電動機工作時，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，就會導致電動機的溫升明顯上升，最終影響電動機的壽命。而永磁電動機工作時，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，這就使得電動機溫升低，延長了電動機的使用壽命。（4）電網運行的影響。由于異步電動機的功率因數比較低，電動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。由于異步電動機的效率下降，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。而永磁電動機轉子中沒有感應的電流勵磁，電動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。

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