永磁同步电机结构特性与节能措施探析

张明杰

摘要：永磁同步电机作为一种新型节能电机，凭借其高效率、高功率因数、起动力矩大、温升低、噪声小等特性，以及节电、安全免维护、运转率高等优势，在诸多行业有着广泛的应用。永磁同步电机包括调速永磁同步电机、永磁无刷直流电机、异步启动永磁同步电机。文中所述永磁同步电机仅指调速永磁同步电机，多用于大功率设备的驱动系统。笔者通过对比供水系统永磁同步电机与异步电机，总结出其他行业应用永磁同步电机设备的几个使用工况，结合行业目前使用情况，对设备适用性进行了初步的分析。

关键词：永磁同步电机；高效率；调速；適用性；节能措施

永磁同步电机损耗仅约为异步电机的50%，主要原因在于：第一，永磁同步电机定子铜损及铁损明显低于异步电机，且其独有的定子铁损（惯性运行时）也明显低于异步电机独有的转子铜损；第二，异步电动机通常制成风冷式，而永磁同步电动机由于损耗少，可制成全封闭式，进而使得机械损耗（风损）大幅降低。本文对永磁同步电机与传统异步电机从电机结构、特性、使用情况、成本等角度进行了对比分析；并结合永磁同步电机的设备使用工况特点及目前设备应用节能情况。

1永磁同步电机与异步电机的对比

永磁同步电机具有如下特点及优点：永磁同步电机与异步电机相比，如异步电机为高效电机，在满载时电机效率平均差2%（异步电机为普通电机时相差～5%），优势不明显；在半载时，电机效率平均差10%，有优势；在轻载时，异步电机效率至少会差15%～20%，而永磁同步电机的效率和功率因数受负载率的影响很小，具有宽的经济运行范围，相对异步电机而言，轻载时节电效果明显。永磁同步电机功率因数平均高达0.95～0.99，比常规高效电机的0.86～0.94高出5%～10%；空载电流低，以315kW电机为例，空载电流为2.5A，普通电机为10～20A。永磁同步电机与异步电机相比，起动扭矩大，可达到额定值的2.2倍，而普通异步电动机只能达到55%左右，因此选择时比传统异步电动机的功率要小。如传统需要90kW，而永磁直驱只需75kW或60kW，传动效率高，可达到92%以上（普通在83%左右）。传统传动在减速箱中间环节效率损失大，而永磁直驱无中间环节，效率损失主要在永磁体和变频器损耗上，同时也减少了传动维护的工作量和材料量。

永磁同步电机+变频器成本是异步电机+减速机（国产）的1.5～2倍；从节电效果与回收增加的成本来看，小电机节电数值大但占比很小，性价比不高；大电机节电数值小但占比较大，可以使用，节电效果及回收期取决于其使用工况（负载情况、变化周期、运行时间）。永磁同步电机的成本主要高在稀土永磁材料价格高和定子采用环氧树脂整体密封浇灌技术上（一般大型电机采用此技术）。

2永磁同步电机适用工况

根据永磁同步电机的特点及突出的优势，比较适合于低速大转矩、过载能力强、免维护运转率要求高、负荷变化大或负荷率相对较低的场合。具体如下：（1）由于永磁同步电机每极的磁通值大，具有高过载能力及温升低的特点，适合于设备安全性、可靠性要求较高的领域。（2）由于永磁同步电机直驱免维护的特点，采用后，齿轮箱取消，可靠性提高，无需加润滑油，检修维护成本大幅降低。（3）大功率的胶带机需要重载启动、经常轻载运行，采用传统驱动故障率高、能耗高时，适合改造为变频永磁同步电机或直接采用变频永磁同步电机，以提高设备可靠性及节能降耗。（4）由于永磁电机无定子绕组、无磁力切割、低转速时磁场强度高，适合于设备长期低速运行的工况，如：球磨机和辊磨，使用后可以实现满载启动，永磁电机的多级数转速低、起动转矩大、噪音低、体积小、节电、免维护等优势也得以发挥。例如，某传动永磁直驱系统，至今已运行半年多，相比使用永磁直驱系统前，传动电耗降低～5%，传动故障率降低，运转率提高。

3 永磁电机节能分析

永磁电机可以方便对现有设备进行改造，不需要对现有减速设备和供电电源进行任何改动，维护工作量小，维护费用低，容忍较大的安装对中误差，大大简化了安装调试过程，从而减少运行和维护成本。可靠性高，设备故障率低，使用各种恶劣环境，如电网电压波动大，谐波含量较高，使用寿命长。节能原理：异步电机是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，产生电磁转矩，转子中并不直接产生磁场，因此转子的转一定是小于同步速的（没有这个差值，即转差率，就没有转子感应电流）。而永磁电机转子本身产生固定方向的磁场，定子旋转磁场拖着转子转动，因此转子的转速等于同步速，也叫同步电机。由于不需要从电网吸收无功电流，转子上没有铜耗和铁耗，所以同步电机在很宽的负载范伟内保持接近1的功率因素，机器效率比同容量的异步电机提高8%，力能指标提高18%左右。此外同步电机启动时候，电流是逐渐增加的，不会超过额定电流，扭矩也能达到额定扭矩，没有电流冲击，延长使用寿命，电机处于合理负荷中工作。

4 结束语

异步电机的功率因数低，原因是它需要一部分功率来产生磁场，以维持电机运转。这部分产生磁场的功率，不会被消耗，只存在与电机与电源之间，这就是无功功率。永磁电机的磁场是磁铁产生的，不需要这个无功功率，所以只需要从电网中吸取有功功率对外做功即可，因此它的功率因数要高！两者的驱动前置也不一样，永磁同步电机要使用专门的驱动器，例如三晶S3000B伺服驱动器，交流异步电机大部分用变频器驱动。设备高效节能、安全、免维护是工业企业进行设备升级改造追求的目标之一。随着永磁电机标准的推出、永磁材料的革新、成本的下降和电机设计制造技术的提升，其应用将会更广泛。

参考文献：

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