永磁同步電機(jī)原理及其應(yīng)用

1、一、發(fā)展永磁同步電機(jī)意義；二、永磁同步電機(jī)基本原理；三、永磁同步電機(jī)相比異步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)；四、永磁同步電機(jī)應(yīng)用案例。l我國(guó)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)(PMSM)具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、起動(dòng)力矩大、力能指標(biāo)好、溫升低等特點(diǎn)。41 1 國(guó)際新標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)際新標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)查，工業(yè)領(lǐng)域電動(dòng)機(jī)年平均運(yùn)行時(shí)間約在根據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)查，工業(yè)領(lǐng)域電動(dòng)機(jī)年平均運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間但在石油、化工、造紙、冶金、電力等行業(yè)，電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間往往超過(guò)往往超過(guò)6000h，對(duì)于這些運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的場(chǎng)合，如采用永磁電動(dòng)，

2、對(duì)于這些運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的場(chǎng)合，如采用永磁電動(dòng)機(jī)將會(huì)對(duì)能源節(jié)約帶來(lái)更顯著的效果。機(jī)將會(huì)對(duì)能源節(jié)約帶來(lái)更顯著的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006和和2007年全國(guó)共生產(chǎn)各種電動(dòng)機(jī)年全國(guó)共生產(chǎn)各種電動(dòng)機(jī)25億億kW，其中中，其中中小型電動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的小型電動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的7080。中小型電動(dòng)機(jī)耗電。中小型電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和微電機(jī)，耗電量達(dá)，加上大型電動(dòng)機(jī)和微電機(jī)，耗電量達(dá)60，是電力生產(chǎn)部門(mén)最大的用戶。如果效率平均提高一個(gè)百分點(diǎn)，則是電力生產(chǎn)部門(mén)最大的用戶。如果效率平均提高一個(gè)百分點(diǎn)，則將會(huì)節(jié)約電能將會(huì)節(jié)約電能1833萬(wàn)萬(wàn)kw，按工業(yè)用電，按工業(yè)用電0

3、6元元k/wh計(jì)算，則計(jì)算，則可節(jié)約電費(fèi)可節(jié)約電費(fèi)1100萬(wàn)元左右，同時(shí)還可以減少萬(wàn)元左右，同時(shí)還可以減少663萬(wàn)萬(wàn)kg炭排量。根炭排量。根據(jù)據(jù)京都議定書(shū)京都議定書(shū)，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(guó)和美元，中國(guó)和聯(lián)合國(guó)正在北京籌建炭交易中心，預(yù)計(jì)聯(lián)合國(guó)正在北京籌建炭交易中心，預(yù)計(jì)2012年，中國(guó)炭排量定額年，中國(guó)炭排量定額占占41，也就是說(shuō)超過(guò)，也就是說(shuō)超過(guò)41，要花錢(qián)買(mǎi)炭排量，低于，要花錢(qián)買(mǎi)炭排量，低于41，可，可以賣(mài)出。因此高效永磁同步電動(dòng)機(jī)從國(guó)家政策導(dǎo)向和市場(chǎng)需求方以賣(mài)出。因此高效永磁同步電動(dòng)機(jī)從國(guó)家政策導(dǎo)向和市場(chǎng)需求方面都有其他電機(jī)不可替代的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)前景非

4、常廣闊。面都有其他電機(jī)不可替代的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)前景非常廣闊。 l電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。l為在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場(chǎng)，可有兩種方法：一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通以電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，如普通的直流電機(jī)，同步電機(jī)和異步電機(jī)等；另一種是由永磁體來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，即永磁同步電機(jī)。l從基本原理來(lái)講：永磁同步電機(jī)與傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)是一樣的，其唯一區(qū)別為傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)是通過(guò)在勵(lì)磁繞組中通入電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)的，而永磁同步電機(jī)是通過(guò)永磁體來(lái)建立磁場(chǎng)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(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過(guò)勵(lì)磁電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)

5、而導(dǎo)致的勵(lì)磁損耗（銅耗）；b、永磁同步電機(jī)的外特性效率曲線相比異步電機(jī)，其在輕載時(shí)效率值要高很多，這是永磁同步電機(jī)在節(jié)能方面，相比異步電機(jī)最大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橥ǔｋ姍C(jī)在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，很少情況是在滿功率運(yùn)行，這是因?yàn)椋阂环矫嬗脩粼陔姍C(jī)選型時(shí)，一般是依據(jù)負(fù)載的極限工況來(lái)確定電機(jī)功率，而極限工況出現(xiàn)的機(jī)會(huì)是很少的，同時(shí)，為防止在異常工況時(shí)燒損電機(jī)，用戶也會(huì)進(jìn)一步給電機(jī)的功率留裕量；另一方面，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，為保證電機(jī)的可靠性，通常會(huì)在用戶要求的功率基礎(chǔ)上，進(jìn)一步留一定的功率裕量，這樣導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行的電機(jī)90%以上是工作在額定功率的70%以下，特別是在驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)或泵類負(fù)載，這樣就導(dǎo)致電機(jī)通常工作在輕載

6、區(qū)。對(duì)異步電機(jī)來(lái)講，其在輕載時(shí)效率很低，而永磁同步電機(jī)在輕載區(qū)，仍能保持較高的效率，其效率要高于異步電機(jī)20%以上。c、由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高，這樣相比異步電機(jī)其電機(jī)電流更小，相應(yīng)地電機(jī)的定子銅耗更小，效率也更高。d、系統(tǒng)效率高：永磁電機(jī)參數(shù)，特別是功率因數(shù)，不受電機(jī)極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計(jì)成多極電機(jī)（如可以100極以上），這樣對(duì)于傳統(tǒng)需要通過(guò)減速箱來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)，可以做成直接用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動(dòng)效率。2、功率因數(shù)高：由于永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，甚至可以設(shè)計(jì)成功率因數(shù)等于1，且與電機(jī)極數(shù)無(wú)關(guān)。而異步電機(jī)隨著極數(shù)的增加，由于異步電機(jī)本身

7、的勵(lì)磁特點(diǎn)，必然導(dǎo)致功率因數(shù)越來(lái)越低，如極數(shù)為8極電機(jī)，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(jī)，其功率因數(shù)也難以達(dá)到0.95。電機(jī)的功率因數(shù)高有以下幾個(gè)好處：a、功率因數(shù)高，電機(jī)電流小，電機(jī)定子銅耗降低，更節(jié)能；b、功率因數(shù)高，電機(jī)配套的電源，如逆變器，變壓器等，容量可以更低，同時(shí)其他輔助配套設(shè)施如開(kāi)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(jī)功率因數(shù)高低不受電機(jī)極數(shù)的限制，在電機(jī)配套系統(tǒng)允許的情況下，可以將電機(jī)的極數(shù)設(shè)計(jì)的更高，相應(yīng)電機(jī)的體積可以做得更小，電機(jī)的直接材料成本更低。上圖典型的效率曲線對(duì)比上圖典型的效率曲線對(duì)比左圖

8、典型的功率因數(shù)曲線對(duì)比左圖典型的功率因數(shù)曲線對(duì)比3、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活：a、由于異步電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，而永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活，如對(duì)鐵路牽引電機(jī)，可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁鋼可直接安裝在機(jī)車(chē)輪對(duì)的轉(zhuǎn)軸上，從而省去了減速齒輪箱，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化；又如永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電機(jī)做成外轉(zhuǎn)子直驅(qū)結(jié)構(gòu)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與葉輪做成一個(gè)整體，隨葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而定子固定在支撐塔上。b、由于永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)不受電機(jī)極數(shù)的限制，便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，省去噪音大，故障率高的減速箱，增加了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。4、可靠性高：從電機(jī)本體來(lái)對(duì)比，永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)與

9、異步電機(jī)的可靠性相當(dāng)，但由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，便于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，省去可靠性不高的減速箱；在某些負(fù)載條件下甚至可以將電機(jī)設(shè)計(jì)在其驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)部，如風(fēng)力發(fā)電直驅(qū)裝置，石油鉆機(jī)的絞車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置，從而可以省去傳統(tǒng)電機(jī)故障率高的軸承：大大提高了傳動(dòng)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(jī)體積小，功率密度大的優(yōu)勢(shì)，集中體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)低速大扭矩的負(fù)載時(shí)，一個(gè)是電機(jī)的極數(shù)的增多，電機(jī)體積可以縮小。還有就是：電機(jī)效率的增高，相應(yīng)地?fù)p耗降低，電機(jī)溫升減小，則在采用相同絕緣等級(jí)的情況下，電機(jī)的體積可以設(shè)計(jì)的更??；電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機(jī)內(nèi)許多無(wú)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(dòng)力矩大、噪音小、溫升低 ：a、永磁同步電機(jī)在低頻的時(shí)候仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時(shí)的輸出力矩較異步電機(jī)大，運(yùn)行時(shí)的噪音?。籦、轉(zhuǎn)子無(wú)電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無(wú)功電流，因而電機(jī)溫升低，同體積、同重量的永磁電機(jī)功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機(jī)體積、重量、所用材料可減少30%?；谟来磐诫姍C(jī)上述眾多優(yōu)勢(shì)，特別在目前國(guó)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(jī)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(jī)所有領(lǐng)域： 油田抽油機(jī) 目前，油田抽油機(jī)用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)普遍存在“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)針對(duì)油田抽油機(jī)負(fù)載特性，在減小

11、l2個(gè)機(jī)座號(hào)的情況下開(kāi)發(fā)出高效高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)不僅在額定負(fù)載時(shí)效率和功率因數(shù)高，并且在輕載(14額定負(fù)載)時(shí)仍具有用較高的效率和功率因數(shù)，在不同油田運(yùn)行時(shí)節(jié)電率達(dá)20以上。電動(dòng)汽車(chē)伴隨汽車(chē)工業(yè)的急速發(fā)展，環(huán)保問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，為了解決上述問(wèn)題，并且大幅改善燃油經(jīng)濟(jì)型，毫無(wú)疑問(wèn)就是使用電動(dòng)汽車(chē)。永磁同步電機(jī)以其高效率、高功率因數(shù)和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流電機(jī)之一?；w紡織 化纖紡織用電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)負(fù)載并不很大，但是其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量卻很大，這對(duì)電機(jī)的牽入同步能力提出了較高的要求。永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中不但要求有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩使電機(jī)起動(dòng)并運(yùn)行到接近同步轉(zhuǎn)速，還要求電機(jī)有足夠高的牽入同步能力，使電機(jī)能夠順利牽入同步，這在設(shè)計(jì)上是相互制約的，而且永磁同步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子上要安放永磁體，轉(zhuǎn)子槽不可能太深，使起動(dòng)性能的改善更難。因此在相同負(fù)載情況下，化纖紡織用電機(jī)尺寸一般比普通電機(jī)大l2個(gè)功率等級(jí)，使得電機(jī)在運(yùn)行時(shí)也存在“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，