大型永磁电动机在南水北调东线一期工程山东段韩庄泵站中的应用

孙水英 于国安 夏泉 卢常兴

(山东省水利勘测设计院 山东济南 250013)

1 工程概况

南水北调东线一期工程山东段韩庄运河段工程是南水北调东线一期工程的重要组成部分，工程的主要任务是建设骆马湖至南四湖段山东省境内的输水泵站及水资源控制工程，满足南水北调东线一期工程韩庄运河段由骆马湖向南四湖下级湖调水的需要，并改善韩庄运河的航运条件。

韩庄泵站是韩庄运河段的最后一级泵站，位于山东省枣庄市峄城区古邵镇八里沟村西，泵站的主要任务是通过韩庄运河提水入南四湖下级湖，以实现南水北调东线第一期工程的调水目标，泵站共安装5台套灯泡贯流式水泵机组，其中备用1台，驱动方式为电动机驱动。泵站的设计流量为125m3/s。电动机水平安装于灯泡贯流式水泵机组体内，额定输出功率1800kW，额定电压6kV，额定转速125r/min，采用高压变频调速装置。

2 永磁电机的工作原理

同步电动机是以定子磁场和转子磁场相互作用，将电能转换为机械能。同步电动机转子磁场的获得可以有两种方法。一种是采用直流励磁装置，给同步电动机转子施加励磁电流，在电机转子绕组产生磁场，这就是现在常用的电励磁同步电动机；另一种是电动机转子采用永磁材料制造，由永磁铁产生转子磁场，结构简单，无电励磁能量的损耗，这就是永磁电机。山东省南水北调韩庄泵站即采用此类型同步永磁电动机。

3 永磁电机的发展概况

稀土永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段。

第一阶段：20世纪60年代后期和70年代，由于稀土钴永磁价格昂贵，研究开发重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。

第二阶段：20世纪 80年代，特别是 1983年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来替代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。

第三阶段：进入20世纪90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等各个方面获得越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开发进入一个新阶段。一方面，正向大功率化（高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展；另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件。

我国的稀土资源丰富，稀土不稀，号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。

韩庄泵站永磁体采用：稀土类钕铁硼，牌号为 33UH。

2007年9月，我国首台2MW永磁风力发电机问世。

4 永磁同步电动机与电励磁同步电动机的比较

（1)技术比较

与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。

永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可达到1，甚至容性)，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩损耗，效率比同规格感应电动机可提高2～8个百分点。而且，永磁同步电动机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电机一般都在转子上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力。

水泵电机是耗能大户，而目前所用电机的效率和功率因数较低，改用钕铁硼永磁后不仅提高了效率和功率因数，节约能源，且为无刷结构，提高了运行的可靠性。

韩庄泵站永磁同步电机与电励磁同步电动机的主要性能比较详见表1。

从表1可看出，永磁同步电机的主要性能优于电励磁电机。

表1 韩庄泵站永磁同步电机与电励磁同步电动机的主要性能比较

（2)经济比较

采用永磁同步电机，最大的优点是，可省略励磁装置及减少站用变压器容量，1800KW永磁同步电机与电励磁同步电机经济比较见表2。

通过表2可知永磁电机与电励磁电机相比每台机组减少投资 421.99-395.7=26.29万元，5台机组减少投资26.29*5=131.45万元。

（3)节省运行费

每台机组按年运行 4136小时计，每台机组励磁容量为75KW。每度电按0.5元计。每年运行费为： 75*4136*0.5=15.51万元，5台机组节约运行费15.51*5=77.55万

表2 韩庄泵站永磁同步电机与电励磁同步电动机的经济比较

5 要解决的关键问题

（1)减少漏磁

转子采用嵌入式结构，磁钢装入由硅钢片制成的盒中，由固定块将磁钢及硅钢片固定在转子支架上。磁通主要由硅钢片形成闭合回路，漏磁很小，满足使用要求。

（2)避免温升

由于贯流泵灯泡体完全置于水中，电机定子外壳直接采用灯泡体的一部分，电机定子铁芯与水泵灯泡体采用热装，导热非常好，电机运行时流道里的水量很大，30m3/s，对电机的散热起到很好的作用。电机转子采用永磁铁，无励磁损耗发热。电机内部有2.445m3/s循环风，将转子产生的热量传到机壳表面，使电机整体温度较低。在电机定子绕组每相安装了PT100测温电阻，监测电机绕组温度，当温度超过 110℃时报警，确保电机内部温升不超过磁钢最高工作温度（120℃)。

（3)避免转子永磁铁退磁

钕铁硼这种永磁材料的磁性能十分优异，剩磁和矫顽力都非常高，且退磁曲线为直线，回复线与退磁曲线基本重合。用于电机后，可提高磁负荷，减少电机的体积与重量。这种永磁材料的原料非常丰富，最高使用温度可达120℃，完全满足水泵电机的要求。

为了避免磁钢被氧化后退磁，在制造过程中采用如下措施：磁钢本体作防氧化涂层处理；磁钢装入由硅钢片制成的盒中，并作进一步涂封；转子装配完整后整体进行树脂浸漆。

（4)充磁周期

永磁电机转子第一次充磁周期不小于30年，电机运行 30年基本达到更新换代的年限。在正常情况下不会失磁。一旦失磁，由于设计上采用分体磁极，可方便地进行拆卸充磁再组装。

（5)消除转距波动

永磁体的安装形式采用镶嵌式结构，可减小反电动势波形和波形的畸变率，从而使电机减少

齿槽转矩，降低电机的振动和噪声，消除电机转距的波动。

（6)消除过电流去磁

永磁材料都具有退磁拐点，如钕铁硼退磁拐点为0.2，在电机制造时应考虑有可能出现的过电流对永磁材料退磁的影响。本工程考虑在过电流时钕铁硼退磁拐点为0.32，大于0.2，完全满足要求。

6 结论

通过技术经济分析，并请国家稀土永磁电机工程研究中心的中国工程学院院士、湘潭电机厂及荷兰水泵行业的资深专家进行技术咨询和论证，在南水北调东线一期工程山东段韩庄运河韩庄泵站5台灯泡贯流式水泵机组选用了永磁高压同步电动机，并通过试运行验收，运行状况良好。该工程的实施，填补了我国水利工程大型泵站配套电机选择的一个空白，为今后工程的建设积累了经验，奠定了基础，为提升水利工程质量做出了贡献。