永磁同步電機原理及其應(yīng)用

1、一、發(fā)展永磁同步電機意義；二、永磁同步電機基本原理；三、永磁同步電機相比異步電機的優(yōu)勢；四、永磁同步電機應(yīng)用案例。l我國電動機保有量大，消耗電能大，設(shè)備老化，效率較低。l永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、起動力矩大、力能指標好、溫升低等特點。41 1 國際新標準：國際新標準：根據(jù)國內(nèi)外調(diào)查，工業(yè)領(lǐng)域電動機年平均運行時間約在根據(jù)國內(nèi)外調(diào)查，工業(yè)領(lǐng)域電動機年平均運行時間約在3000h左右，左右，但在石油、化工、造紙、冶金、電力等行業(yè)，電動機年運行時間但在石油、化工、造紙、冶金、電力等行業(yè)，電動機年運行時間往往超過往往超過6000h，對于這些運行時間長的場合，如采用永磁電動，

2、對于這些運行時間長的場合，如采用永磁電動機將會對能源節(jié)約帶來更顯著的效果。機將會對能源節(jié)約帶來更顯著的效果。據(jù)統(tǒng)計，據(jù)統(tǒng)計，2006和和2007年全國共生產(chǎn)各種電動機年全國共生產(chǎn)各種電動機25億億kW，其中中，其中中小型電動機年產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的小型電動機年產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的7080。中小型電動機耗電。中小型電動機耗電量占總發(fā)電量的量占總發(fā)電量的50，加上大型電動機和微電機，耗電量達，加上大型電動機和微電機，耗電量達60，是電力生產(chǎn)部門最大的用戶。如果效率平均提高一個百分點，則是電力生產(chǎn)部門最大的用戶。如果效率平均提高一個百分點，則將會節(jié)約電能將會節(jié)約電能1833萬萬kw，按工業(yè)用電，按工業(yè)用電0

3、6元元k/wh計算，則計算，則可節(jié)約電費可節(jié)約電費1100萬元左右，同時還可以減少萬元左右，同時還可以減少663萬萬kg炭排量。根炭排量。根據(jù)據(jù)京都議定書京都議定書，每噸炭排量可以銷售到，每噸炭排量可以銷售到1518美元，中國和美元，中國和聯(lián)合國正在北京籌建炭交易中心，預(yù)計聯(lián)合國正在北京籌建炭交易中心，預(yù)計2012年，中國炭排量定額年，中國炭排量定額占占41，也就是說超過，也就是說超過41，要花錢買炭排量，低于，要花錢買炭排量，低于41，可，可以賣出。因此高效永磁同步電動機從國家政策導(dǎo)向和市場需求方以賣出。因此高效永磁同步電動機從國家政策導(dǎo)向和市場需求方面都有其他電機不可替代的優(yōu)勢，市場前景非

4、常廣闊。面都有其他電機不可替代的優(yōu)勢，市場前景非常廣闊。 l電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。l為在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場，可有兩種方法：一種是在電機繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場，如普通的直流電機，同步電機和異步電機等；另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場，即永磁同步電機。l從基本原理來講：永磁同步電機與傳統(tǒng)電勵磁同步電機是一樣的，其唯一區(qū)別為傳統(tǒng)的電勵磁同步電機是通過在勵磁繞組中通入電流來產(chǎn)生磁場的，而永磁同步電機是通過永磁體來建立磁場的，并由此引起兩者分析方法存在差異。1、效率高、更加省電：a、由于永磁同步電機的磁場是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過勵磁電流來產(chǎn)生磁場

5、而導(dǎo)致的勵磁損耗（銅耗）；b、永磁同步電機的外特性效率曲線相比異步電機，其在輕載時效率值要高很多，這是永磁同步電機在節(jié)能方面，相比異步電機最大的一個優(yōu)勢。因為通常電機在驅(qū)動負載時，很少情況是在滿功率運行，這是因為：一方面用戶在電機選型時，一般是依據(jù)負載的極限工況來確定電機功率，而極限工況出現(xiàn)的機會是很少的，同時，為防止在異常工況時燒損電機，用戶也會進一步給電機的功率留裕量；另一方面，設(shè)計者在設(shè)計電機時，為保證電機的可靠性，通常會在用戶要求的功率基礎(chǔ)上，進一步留一定的功率裕量，這樣導(dǎo)致在實際運行的電機90%以上是工作在額定功率的70%以下，特別是在驅(qū)動風(fēng)機或泵類負載，這樣就導(dǎo)致電機通常工作在輕載

6、區(qū)。對異步電機來講，其在輕載時效率很低，而永磁同步電機在輕載區(qū)，仍能保持較高的效率，其效率要高于異步電機20%以上。c、由于永磁同步電機功率因數(shù)高，這樣相比異步電機其電機電流更小，相應(yīng)地電機的定子銅耗更小，效率也更高。d、系統(tǒng)效率高：永磁電機參數(shù)，特別是功率因數(shù)，不受電機極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計成多極電機（如可以100極以上），這樣對于傳統(tǒng)需要通過減速箱來驅(qū)動負載電機，可以做成直接用永磁同步電機驅(qū)動的直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動效率。2、功率因數(shù)高：由于永磁同步電機在設(shè)計時，其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，甚至可以設(shè)計成功率因數(shù)等于1，且與電機極數(shù)無關(guān)。而異步電機隨著極數(shù)的增加，由于異步電機本身

7、的勵磁特點，必然導(dǎo)致功率因數(shù)越來越低，如極數(shù)為8極電機，其功率因數(shù)通常為0.85左右，極數(shù)越多，相應(yīng)功率因數(shù)越低。即使是功率因數(shù)最高的2極電機，其功率因數(shù)也難以達到0.95。電機的功率因數(shù)高有以下幾個好處：a、功率因數(shù)高，電機電流小，電機定子銅耗降低，更節(jié)能；b、功率因數(shù)高，電機配套的電源，如逆變器，變壓器等，容量可以更低，同時其他輔助配套設(shè)施如開關(guān)，電纜等規(guī)格可以更小，相應(yīng)系統(tǒng)成本更低。c、由于永磁同步電機功率因數(shù)高低不受電機極數(shù)的限制，在電機配套系統(tǒng)允許的情況下，可以將電機的極數(shù)設(shè)計的更高，相應(yīng)電機的體積可以做得更小，電機的直接材料成本更低。上圖典型的效率曲線對比上圖典型的效率曲線對比左圖

8、典型的功率因數(shù)曲線對比左圖典型的功率因數(shù)曲線對比3、電機結(jié)構(gòu)簡單靈活：a、由于異步電機轉(zhuǎn)子上需要安裝導(dǎo)條、端環(huán)或轉(zhuǎn)子繞組，大大限制了異步電機結(jié)構(gòu)的靈活性，而永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計更為靈活，如對鐵路牽引電機，可以將電機轉(zhuǎn)子的磁鋼可直接安裝在機車輪對的轉(zhuǎn)軸上，從而省去了減速齒輪箱，結(jié)構(gòu)大為簡化；又如永磁風(fēng)力發(fā)電機，電機做成外轉(zhuǎn)子直驅(qū)結(jié)構(gòu)，電機的轉(zhuǎn)子與葉輪做成一個整體，隨葉輪一起轉(zhuǎn)動，而定子固定在支撐塔上。b、由于永磁同步變頻調(diào)速電機參數(shù)不受電機極數(shù)的限制，便于實現(xiàn)電機直接驅(qū)動負載，省去噪音大，故障率高的減速箱，增加了機械傳動系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。4、可靠性高：從電機本體來對比，永磁同步變頻調(diào)速電機與

9、異步電機的可靠性相當，但由于永磁同步電機結(jié)構(gòu)的靈活性，便于實現(xiàn)直接驅(qū)動負載，省去可靠性不高的減速箱；在某些負載條件下甚至可以將電機設(shè)計在其驅(qū)動裝置的內(nèi)部，如風(fēng)力發(fā)電直驅(qū)裝置，石油鉆機的絞車驅(qū)動裝置，從而可以省去傳統(tǒng)電機故障率高的軸承：大大提高了傳動系統(tǒng)的可靠性。5、體積小，功率密度大：永磁同步變頻調(diào)速電機體積小，功率密度大的優(yōu)勢，集中體現(xiàn)在驅(qū)動低速大扭矩的負載時，一個是電機的極數(shù)的增多，電機體積可以縮小。還有就是：電機效率的增高，相應(yīng)地損耗降低，電機溫升減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，電機的體積可以設(shè)計的更??；電機結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機內(nèi)許多無效部分，如繞組端部，轉(zhuǎn)子端環(huán)等，相應(yīng)體積可

10、以更小。6、起動力矩大、噪音小、溫升低 ：a、永磁同步電機在低頻的時候仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時的輸出力矩較異步電機大，運行時的噪音小；b、轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低，同體積、同重量的永磁電機功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機體積、重量、所用材料可減少30%?；谟来磐诫姍C上述眾多優(yōu)勢，特別在目前國家節(jié)能減排的大背景下，其應(yīng)用前景極為廣闊。隨著永磁體及永磁同步電機控制技術(shù)的日益成熟可靠，其應(yīng)用范圍基本上可以覆蓋目前應(yīng)用電機所有領(lǐng)域： 油田抽油機 目前，油田抽油機用感應(yīng)電動機普遍存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費嚴重。國內(nèi)針對油田抽油機負載特性，在減小

11、l2個機座號的情況下開發(fā)出高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機，該電機不僅在額定負載時效率和功率因數(shù)高，并且在輕載(14額定負載)時仍具有用較高的效率和功率因數(shù)，在不同油田運行時節(jié)電率達20以上。電動汽車伴隨汽車工業(yè)的急速發(fā)展，環(huán)保問題也越來越嚴重，為了解決上述問題，并且大幅改善燃油經(jīng)濟型，毫無疑問就是使用電動汽車。永磁同步電機以其高效率、高功率因數(shù)和高功率密度等優(yōu)點，正逐漸成為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流電機之一?；w紡織 化纖紡織用電機穩(wěn)定運行時負載并不很大，但是其負載的轉(zhuǎn)動慣量卻很大，這對電機的牽入同步能力提出了較高的要求。永磁同步電動機在起動過程中不但要求有足夠的起動轉(zhuǎn)矩，以克服負載轉(zhuǎn)矩使電機起動并運行到接近同步轉(zhuǎn)速，還要求電機有足夠高的牽入同步能力，使電機能夠順利牽入同步，這在設(shè)計上是相互制約的，而且永磁同步電機由于轉(zhuǎn)子上要安放永磁體，轉(zhuǎn)子槽不可能太深，使起動性能的改善更難。因此在相同負載情況下，化纖紡織用電機尺寸一般比普通電機大l2個功率等級，使得電機在運行時也存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，