永磁同步電機結構特性與節能措施探析

張明杰

摘要：永磁同步電機作為一種新型節能電機，憑借其高效率、高功率因數、起動力矩大、溫升低、噪聲小等特性，以及節電、安全免維護、運轉率高等優勢，在諸多行業有著廣泛的應用。永磁同步電機包括調速永磁同步電機、永磁無刷直流電機、異步啟動永磁同步電機。文中所述永磁同步電機僅指調速永磁同步電機，多用于大功率設備的驅動系統。筆者通過對比供水系統永磁同步電機與異步電機，總結出其他行業應用永磁同步電機設備的幾個使用工況，結合行業目前使用情況，對設備適用性進行了初步的分析。

關鍵詞：永磁同步電機；高效率；調速；適用性；節能措施

永磁同步電機損耗僅約為異步電機的50%，主要原因在于：第一，永磁同步電機定子銅損及鐵損明顯低于異步電機，且其獨有的定子鐵損（慣性運行時）也明顯低于異步電機獨有的轉子銅損；第二，異步電動機通常制成風冷式，而永磁同步電動機由于損耗少，可制成全封閉式，進而使得機械損耗（風損）大幅降低。本文對永磁同步電機與傳統異步電機從電機結構、特性、使用情況、成本等角度進行了對比分析；并結合永磁同步電機的設備使用工況特點及目前設備應用節能情況。

1永磁同步電機與異步電機的對比

永磁同步電機具有如下特點及優點：永磁同步電機與異步電機相比，如異步電機為高效電機，在滿載時電機效率平均差2%（異步電機為普通電機時相差～5%），優勢不明顯；在半載時，電機效率平均差10%，有優勢；在輕載時，異步電機效率至少會差15%～20%，而永磁同步電機的效率和功率因數受負載率的影響很小，具有寬的經濟運行范圍，相對異步電機而言，輕載時節電效果明顯。永磁同步電機功率因數平均高達0.95～0.99，比常規高效電機的0.86～0.94高出5%～10%；空載電流低，以315kW電機為例，空載電流為2.5A，普通電機為10～20A。永磁同步電機與異步電機相比，起動扭矩大，可達到額定值的2.2倍，而普通異步電動機只能達到55%左右，因此選擇時比傳統異步電動機的功率要小。如傳統需要90kW，而永磁直驅只需75kW或60kW，傳動效率高，可達到92%以上（普通在83%左右）。傳統傳動在減速箱中間環節效率損失大，而永磁直驅無中間環節，效率損失主要在永磁體和變頻器損耗上，同時也減少了傳動維護的工作量和材料量。

永磁同步電機+變頻器成本是異步電機+減速機（國產）的1.5～2倍；從節電效果與回收增加的成本來看，小電機節電數值大但占比很小，性價比不高；大電機節電數值小但占比較大，可以使用，節電效果及回收期取決于其使用工況（負載情況、變化周期、運行時間）。永磁同步電機的成本主要高在稀土永磁材料價格高和定子采用環氧樹脂整體密封澆灌技術上（一般大型電機采用此技術）。

2永磁同步電機適用工況

根據永磁同步電機的特點及突出的優勢，比較適合于低速大轉矩、過載能力強、免維護運轉率要求高、負荷變化大或負荷率相對較低的場合。具體如下：（1）由于永磁同步電機每極的磁通值大，具有高過載能力及溫升低的特點，適合于設備安全性、可靠性要求較高的領域。（2）由于永磁同步電機直驅免維護的特點，采用后，齒輪箱取消，可靠性提高，無需加潤滑油，檢修維護成本大幅降低。（3）大功率的膠帶機需要重載啟動、經常輕載運行，采用傳統驅動故障率高、能耗高時，適合改造為變頻永磁同步電機或直接采用變頻永磁同步電機，以提高設備可靠性及節能降耗。（4）由于永磁電機無定子繞組、無磁力切割、低轉速時磁場強度高，適合于設備長期低速運行的工況，如：球磨機和輥磨，使用后可以實現滿載啟動，永磁電機的多級數轉速低、起動轉矩大、噪音低、體積小、節電、免維護等優勢也得以發揮。例如，某傳動永磁直驅系統，至今已運行半年多，相比使用永磁直驅系統前，傳動電耗降低～5%，傳動故障率降低，運轉率提高。

3 永磁電機節能分析

永磁電機可以方便對現有設備進行改造，不需要對現有減速設備和供電電源進行任何改動，維護工作量小，維護費用低，容忍較大的安裝對中誤差，大大簡化了安裝調試過程，從而減少運行和維護成本。可靠性高，設備故障率低，使用各種惡劣環境，如電網電壓波動大，諧波含量較高，使用壽命長。節能原理：異步電機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）。而永磁電機轉子本身產生固定方向的磁場，定子旋轉磁場拖著轉子轉動，因此轉子的轉速等于同步速，也叫同步電機。由于不需要從電網吸收無功電流，轉子上沒有銅耗和鐵耗，所以同步電機在很寬的負載范偉內保持接近1的功率因素，機器效率比同容量的異步電機提高8%，力能指標提高18%左右。此外同步電機啟動時候，電流是逐漸增加的，不會超過額定電流，扭矩也能達到額定扭矩，沒有電流沖擊，延長使用壽命，電機處于合理負荷中工作。

4 結束語

異步電機的功率因數低，原因是它需要一部分功率來產生磁場，以維持電機運轉。這部分產生磁場的功率，不會被消耗，只存在與電機與電源之間，這就是無功功率。永磁電機的磁場是磁鐵產生的，不需要這個無功功率，所以只需要從電網中吸取有功功率對外做功即可，因此它的功率因數要高！兩者的驅動前置也不一樣，永磁同步電機要使用專門的驅動器，例如三晶S3000B伺服驅動器，交流異步電機大部分用變頻器驅動。設備高效節能、安全、免維護是工業企業進行設備升級改造追求的目標之一。隨著永磁電機標準的推出、永磁材料的革新、成本的下降和電機設計制造技術的提升，其應用將會更廣泛。

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