永磁調速技術應用探討

董立城

[摘? ? 要]永磁式調速是目前廣泛應用于各種風機、水泵進行負載調速的新型技術。其既具有可靠、節省能源、又無剛度聯接傳輸扭矩、極大地減小系統的振動、延長設備的使用壽命等特殊功能。文章主要介紹了永磁調速的工作原理，闡述了永磁調速工作在實際應用中存在的關鍵問題，分析了永磁調速和變頻調速兩種電力系統的技術特征，據此提出了大功率電力永磁調速技術在工業上的應用建議。

[關鍵詞]變頻器;永磁調速;探討

[中圖分類號]TM621.3 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–0–02

[Abstract]Permanent magnet speed regulation is a new technology that is widely used in various fans and pumps for load speed regulation. They have special functions such as reliability， energy saving， torque transmission without rigid connection， greatly reducing system vibration， and shortening the service life of equipment. Mainly introduces the working principle of permanent magnet speed control， and expounds the key problems existing in the practical application of permanent magnet speed control. The technical characteristics of the two power systems， permanent magnet speed regulation and variable frequency speed regulation， are analyzed， and the application suggestions of high-power electric permanent magnet speed regulation technology in industry are put forward accordingly.

[Keywords]frequency converter; permanent magnet speed regulation; discussion

1 永磁調速原理及組成

1.1 永磁調速原理

根據楞次定律，當一個極性磁鐵將電棒N極垂直地移動接近指向導體板時，在這個指向導體板上就通常會自動產生1個指向N極的導電磁場，它用來自動抵御磁棒指向N極的強烈接近，該具有阻擋性的磁場抵抗二極磁場通常是由指向逆時針旋轉方向的一個旋轉勵磁電流驅動產生。同理，如圖1（b）所示，當一個電性磁鐵桿在棒N極沿著平行于方向導體的模板上方方向移動時，在這個方向導體板上就可能會同時產生2個方向抵抗磁性鋼鐵棒通過N極上與前進方向不同的S極方向磁場相反的2個方向磁場，在一個抵抗磁鐵棒通過N極的前方就會產生一個N極方向磁場、后方則可能會同時產生一個S極方向磁場，以利于抵抗一個新的磁鐵棒沿著N極方向前進。并且在每當一塊磁場和鐵棒越近的靠近一個導體板，其正向阻力和相對應的能量所承受的磁場和鐵棒的反向運動力就越大。如圖1所示。

永磁技術即是由楞次定律引申而來，如圖2所示。

（1）當磁力線穿透到銅導體上時，在靜止情況下就不會產生任何電動效應。

（2）磁力鐵棒與銅導體板之間曲線具有相對的橫向運動時，磁力曲線沿著在導體板其中的轉軸方向進行移動將可以產生相對一定量的縱向感應性旋渦電流，進而可以使得磁鐵銅導體上的縱向磁場運動產生一定的橫向感應扭距。

（3）當二者相鄰點越接近時，磁力線的密度就越為緊湊，扭距也就越大。

（4）當二者的相對運動速度越快時，二者的感應電子發射的同極性磁場就越強，所以產生的扭距也就越大。

1.2 永磁調速器的基本組件結構

永磁電機調速器主要由永磁電機轉子、銅主發電動機專用轉子和永磁控制器三大部分部件共同組成，其中永磁電機轉子一般都是固定在主發電動機的永磁負載驅動轉軸上，導體式銅電動機永磁轉子一般都是固定安裝在可以驅動主發電機的永磁負載驅動轉軸上。永磁合金轉子和其他導體的傳動轉子都一樣能夠直接實現一種可自由獨立的相對旋轉，當一個傳動導體的永磁轉子能夠發生相對旋轉時，導體的傳動轉子與永磁合金傳動導體轉子之間也就會直接產生相對運動，交變后的磁場經過一個空氣隙縫之后會在這個導體的永磁轉子上直接產生交變渦流，同時產生交互相變渦場的流會運動使能夠產生交變感應力的磁場與產生永磁場相互作用，從而可以使得永磁合金傳動導體轉子沿著與普通的純銅合金傳動永磁轉子相同的旋轉方向進行相對旋轉，結果就是在純銅傳動永磁負載側的永磁輸出扭矩軸上突然產生了反向扭矩，從而由其帶動的永磁負載則能夠進行反向旋轉式相對運動。

當傳感器在檢測一個負載裝置的出口壓力、流量或其他控制信號發生了變化之后，輸入數據送到PLC現場控制器或DCS系統，經過計算和處理后，輸出調整信號至自動調速器上的氣隙調整機構，執行器通過控制永磁藕合器的空氣和轉隙從而調整負載的轉速，改變了負載的出口和流量，傳感器在檢測時得到了反饋信號后再次在PLC或DCS中輸入一個控制信號，進行相應的計算，輸出一個控制信號，直到負載輸出口的真正測量信號能夠達到所需的控制值。

2 變頻調速與永磁調速比較

2.1 對振動噪聲的影響

（1）變頻調速。需要對電動機、水泵進行精密的軸校準，減小電機與負載間的振動傳遞。電機、水泵兩個軸承的中心速度軸向傳動誤差至少應該不得大于幾個微米，角度軸向誤差也至少應該不得大于幾秒，否則電機調速傳動系統在內部安裝好后，會由于兩個軸不相同的中心，而且有可能直接引起劇烈的機械振動和聲音噪聲，并且還會有可能直接造成電機軸承、油封等重要零部件的較大加速度和磨損，增加后期維護保養和日常維護的必要費用。

（2）永磁式調速。磁力耦合器已經替代了一種常規剛性的聯軸器，使得電機與驅動負載之間無機械連接，兩側振蕩不會發生相互傳導。工程證明，采用永磁調速裝置后，可降低振動80%左右。

2.2 對電力諧波和功率因數的影響

（1）諧波的主要危害。諧波可直接引起較大電流信號波形發生畸變、引發繼電保護和自動化裝置的誤動、增大功率的損耗、影響通信控制系統正常工作運行、損壞各種重要用電設備和危害人體健康。

（2）變頻調速。目前工程應用技術最多的多電平變頻器輸出諧波較小，這些沒有被吸收掉的諧波會造成附近設備受干擾、電氣設備的誤動，同時因軸電壓升高，增大了機械設備故障的可能性。

（3）永磁調速。電動機與負載間通過氣隙傳遞能量，無剛性連接，因此在現場運行中不會產生諧波。

2.3 輸出電壓要求

（1）變頻調速。變頻調速裝置的輸出電壓是直接加在電機負載上的，因此對輸出電壓不平衡度、輸出電壓變化率等均有相關限制條件，對變頻調速的設計以及產品質量等諸多方面提出了更多要求，從而降低了變頻調速設備的可靠性。

（2）永磁調速。永磁調速驅動裝置技術是一種以采用高性能、低成本設計為技術基礎的純機械設備，它主要是一種采用輸出負載滑差式永磁電機調速裝置技術，透過電機空氣隙控制來自動傳遞電機旋轉轉矩，不過還需要考慮存在永磁電機調速時該裝置所需要產生的相對輸出負載電壓和輸入負載的滑差影響。

2.4 對電機啟動要求

（1）變頻調速。變頻器是在整個電機的啟動時間中處于較高的轉速，此時過程中負載始終被加載，電動機易發熱，縮短使用壽命。

（2）永磁調速。在電動機啟動時，將氣隙的調節幅度控制到最小，實現了空載的啟動，降低了啟動的電流與運行時間，當電動機能夠達到額定轉速時，通過氣隙的調整來讓負載平滑地啟動。

2.5 對環境要求

（1）變頻調速。目前國內變頻調速應用較多的屬電壓源型，此類變頻器內部應用較多的電力電子裝置，對環境的要求非常嚴格。一般要求如下：①環境溫度：-10 ～40 ℃;②環境濕度：20%～90%，不結露;③海拔：1000 m以下;④使用場所：室內、無塵埃、無爆炸性或腐蝕性氣體、不受日光直曬。

在實際工程中，需將高壓變頻調速裝置安裝于密閉的獨立房間內，根據變頻裝置的發熱量考慮加裝空調來保證其可靠運行的環境，對于周圍灰塵多環境惡劣的情況，變頻裝置房間內還需考慮正壓因素，以減小灰塵對裝置內部電氣元器件的損壞。

（2）永磁調速。一般可以在-40 ～100 ℃的溫度及0～100%相對濕度的環境中工作，能適應高溫、低溫、高粉塵、濕度大、空間狹小等惡劣環境。

2.6 使用壽命

（1）變頻調速。高壓變頻調速裝置由IGBT及復雜的控制單元組成，電子元件數量多，可靠性相對較低，平均無故障的工作時間一般為8a。電廠維護人員在設備發生故障時的快速診斷較為困難。

（2）永磁調速。產品結構簡單、組裝容易、性能可靠，并且能夠同時承受各種惡劣環境，平均無故障的工作壽命可以長達25～30 a。因結構簡單，在故障查找時相對容易。

2.7 投資

永磁調速目前初投資大約是變頻調速的1.5～2倍，如果按電廠的全生命周期30 a進行技術經濟比較，由于永磁調速的生命周期基本與電廠生命周期相同，而變頻調速的生命周期最多為10 a，因此，采用永磁調速經濟上是合適的。

3 結束語

永磁調速技術是一種適合大功率高壓電機的技術，從其理論、技術、效益等各個方面考慮實際上都是可行的，設備安全可靠性高，使用壽命長，對環境要求低，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 永磁調速器—通用技術規范：GB/T38774—2020[S].

[2] 永磁聯軸器通用技術規范：GB/T38763—2020[S].