永磁同步电动机发展及在工业生产应用的前景

王庆文

（国家电投集团贵州遵义产业发展有限公司务川氧化铝分公司 贵州 遵义 564300）

摘 要：永磁同步电动机采用永磁体生成磁场，无需励磁线圈，也无需励磁电流，与常规的异步电动机相比，具有效率高，结构简单的特点。随着高性能永磁材料的问世和控制技术的发展，以及低碳经济的到来和国家节能减排政策的实施，永磁同步电动机的应用将会在国民经济的各个领域得到极其广泛的应用。

一、超高效永磁同步电动机简介

1.概述

电动机从励磁的来源可以分为两大类：永磁电动机、电励磁电动机。永磁电动机就是由永磁体产生励磁磁场的电动机。

现阶段工业和民用最广泛应用的三相异步电动机，如Y系列、Y2系列、YX3系列、YR系列、YB系列、YB2系列等皆属于电励磁电动机。

2.历史

19世纪20年代世界上第一台电动机就是永磁电动机。但受制于天然永磁材料磁性的限制，不久被电励磁电动机所取代。

随着80年代第三代稀土永磁材料——钕铁硼的发明，特别是90年代以来钕铁硼热稳定性改善、价格逐步降低，永磁同步电动机成本显著下降，在工业和民用电动机上获得越来越广泛的运用。

3.在我国发展现状

如今，经济发展的环境和资源压力巨大，节能减排势在必行。永磁同步电动机可以达到常规电励磁电动机难以企及的超高效率，且我国是“稀土王国”，因此永磁节能技术非常适合我国高效节能电机发展趋势。

二、超高效永磁同步电动机的特点

1.结构特点

永磁同步电动机的外形和安装尺寸符合相关国标、IEC标准，与同规格三相异步电动机完全相同。

永磁同步电动机与三相异步电动机的区别在内部结构，

最显著的结构特点就是：转子内嵌高性能永磁材料。

2.性能特点

额定效率高，高效运行的负载范围宽

可达最新国标的I级效率（最高标准），比三相异步电动机提高3%～5%以上，低负载时效率提高更显著。

功率因数高

功率因数0.96以上，甚至呈容性负载，不需无功补偿。

电流小

较三相异步电动机，电流降低10%以上。

温升低

较三相异步电动机温升降低20K，设计温升相同时可以做成更小的体积、更大的功率。

高启动转矩、高过载能力

根据需要，可以设计成高启动转矩（3-5倍）、高过载能力。

控制性能优良

永磁同步电动机控制方便，动态响应性能好。

节能回报高

一般工业领域，替代低压（380/660/1140V）高效异步电动机，系统节能5%～10%；替代高压（6kV/10kV）高效异步电动机，系统节能3%～5%。

三、永磁同步电动机节能原理

永磁同步电动机节能根源在于使用了高性能的磁性材料，原理如下图所示。

1.内嵌高性能磁材

永磁同步电动机内嵌磁材为第三代稀土永磁材料——钕铁硼，

具有超高的磁性和抗去磁能力。且耐高温、抗腐蚀（镀锌或镍+环氧）。

结构的设计对发挥材料性能至关重要，右圖是一种典型的磁钢布置形式。

2.永磁体励磁

转子内的高性能永磁材料，会在电动机内部形成高强度磁场。当电动机稳态运行时，该励磁磁场与定子绕组的旋转磁场相互作用，电动机被牵入同步，转子外圈笼条基本无电流。

三相异步电动机不同，三相异步电动机有转差，转子外圈笼条有电流，依靠气隙磁场切割笼条内电流产生转矩。

3.稳态损耗分析

永磁同步电动机比三相异步电动机损耗小。下表比较了永磁同步电动机和三相异步电动机损耗的大小，从损耗构成上分析了永磁电机损耗小的原理。

永磁同步电动机与三相异步电动机损耗对比

损耗项目：定子绕组铜耗Pcu1，损耗来源：电阻发热损耗，永磁电动机特点：功率因数高、电流显著减小，损耗比较：显著减小；

损耗项目：定子铁耗Pfe1，损耗来源：涡流损耗、磁滞损耗，永磁电动机特点：合理设计，可控，损耗比较：并不增大，或有减小；

损耗项目：转子绕组铜耗Pcu2，损耗来源：电阻发热损耗，永磁电动机特点：运行时转子绕组几乎没有电流，损耗比较：损耗约等于0，显著减小；

损耗项目：转子铁耗Pfe2，损耗来源：涡流损耗、磁滞损耗，永磁电动机特点：转子转速和励磁磁场同步，损耗比较：损耗几乎为0，显著减小；

损耗项目：机械损耗Pm，损耗来源：风阻损耗、轴承损耗，永磁电动机特点：发热小，冷却风扇减小，损耗比较：风阻损耗减小，损耗有所减小；

损耗项目：杂散损耗Ps，损耗来源：谐波等的附加损耗，永磁电动机特点：合理设计，可控，损耗比较：并不增大，或有减小。

备注：电动机运行时，从电源输入电功率P1，转轴上输出机械功率P2，中间发生了上述中6大部分损耗，下图说明了功率和损耗的分配关系。

4.提高效率

由上述损耗分析可见，永磁电动机各损耗均减小，总损耗减小，效率提高。

四、永磁同步电动机在工厂的应用情况

永磁电动机在有色金属、冶金、煤炭、机械装备、石油化工、电力、橡胶、纺织等行业都有大量的使用业绩，并且节能效果明显。下面是国内一家永磁电动机产品在某公司各工序使用技术参数及节能效果。

永磁同步电机在某公司使用技术指标

从统计的数据来看，功率因数达到0.97左右，在不投无功补偿装置的情况下，满足电网要求功率因数不低于0.95的要求。

五、国家对永磁同步电动机的相关政策

1、2013年6月10日，工业和信息化部、国家质量监督检验检疫总局联合下发了《关于组织实施电机能效提升计划（2013-2015年）的通知》，其中重点对Y1、Y2系列电机淘汰做出了明确的时间要求，国家将重点支持和推广永磁同步电机在内的高效电机。

2、2013年9月12日，国家发展与改革委员会、财政部联合下发了《关于组织推荐节能产品惠民工程、高效电机推广目录的通知》，对入选该目录中的永磁同步电机生产企业，购买其永磁电机，国家给予使用单位按100元/千瓦给予补贴，这是目前国家对高效电机最高的补贴政策。

六、永磁电动机投资收益分析

1、永磁电动机属于国家一级能效指标的产品，国家对各级能效指标产品、节电率规定如下：

根据国家标准GB18613-2012规定，可以证明永磁电动机比YX3电机综合能效提高4%。从永磁电动机的市场价格看，永磁电机比YX3系列电机价格高约25%左右，采用永磁电动机增加的投资可在2年左右的时间收回。

七、超高效永磁同步电动机在新项目选用的优势

永磁电动机相对异步电动机具有发热量低、运行电流小、无功损耗低、运行效率高等优点。超高效永磁同步电动机对比国内中小电机厂家生产的YX3系列电机来说，价格稍微偏高，但是如果与上电、湘电、ABB、西门子等大型电机品牌而言，价格相差并不大。如果在新项目上选用永磁同步电动机，具有以下几方面优点：

1、电机节电效果明显，相比YX3异步电机而言，平均节电率不低于4%。

2、功率因素较高，由于永磁电机属于同步电机，而同步电机本身具有无功补偿的优点，如果在一定规模上使用永磁同步电动机，可以对企业的无功有很大的补偿，因此可以节约另外购买无功补偿装置的费用。

3、降低变压器的容量，永磁同步电机功率因素高，无功较少或没有，电流小的优点，因此规模使用永磁电动机，可以在变压器选型上进行优化。

4、电缆可以选小，由于永磁同步电动机具有电流小的特点，因此电缆的线载电流小，如果规模使用永磁电机，可以优化电缆选型。

八、超高效永磁同步电机在实际应用中面临的问题

1、永磁同步电动机的价格较异步电动机价格贵25%左右，会比较明显的增加工程建设的一次投资。国内各个企业由于控制投资，采用永磁同步电动机的积极性不高。

2、如果永磁电动机设计或使用不当，在高温、化学腐蚀、机械振动以及冲击电流产生的电枢反应等因素作用下，电机内永磁体容易产生不可逆失磁，使电机的性能急剧下降，甚至可能导致电机停转或烧毁。

3、永磁同步電动机损坏或失磁后，对检修和维护要求较高，使工业用户存在顾虑。

九、结论

永磁同步电动机具有效率高，结构简单的特点，在同等用电负荷下，变压器容量、供电电缆等电气设备较采用常规异步电动机显著减小，同时可省去无功补偿装置，在新建工业项目中，综合投资增加并不多。随着永磁同步电动机新材料的研发和设备厂家技术制造水平的提高，国家节能减排惠民工程政策的实施，永磁同步电动机将会得到越来越广泛的应用。

参考文献

[1]超高效永磁同步电动机研究开发.安忠良-沈阳工业大学-2006-被引量：28.

[2]中型高效永磁同步电动机设计关键技术研究.赵清-《沈阳工业大学》-2006-被引量：23.

[3]钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究.林岩-《沈阳工业大学》-2006-被引量：20.