高效永磁电动机的现状与发展.docx
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高效永磁电动机的现状与发展
高效永磁电动机的现状与发展
唐任远安忠良赫荣富
（沈阳工业大学国家稀土水磁电机工程技术硏丸中心.沈ISH11017S）
摘要能源紧张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的问题。
而工业用电动机消耗了大部分的能源，因此提高工业用电动机的效率可以获得显著的节能效果。
根据IEC制定的超高效和超超高效电机效率标准，永磁电动机山于采用永磁体励磁，在提高效率方面具有很大的空间和优势。
针对永磁电动机自身特点，经过优化设计可以达到IEC规定的IE3和IE4的效率限值。
考虑到我国稀土资源率富和稀土永磁产量已列世界前茅的优势，研发起高效和超超高效永磁同步电动机是我国发展高效电机的重要速径。
关键词：
电动机；效率；瘩磁；节能
］弓I言
能源曜张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的阔题。
节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。
据国际电工委员会（IEC）统计，工业用电动机消耗全世界发电量的30%—40%,改善整个驱动系统（电动机和调速传动）和应用技术（或工艺技术）的效率对节能关系重大，系统优化总的节能潜力可达到30%〜60%。
据国际能源机构（IEA）2006年7月的工作报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约大约7%的电能，其中大致有1/4〜1/3是靠提高电动机效率来获得的，其余部分则来自系统的改进。
I」前，美、欧、日.澳大利亚、巴西等国都纷纷制订电动机效率限值，并强制执行。
为协调各国能效分级标准，2006年IEC制定一项新的能效标准IEC60034—30。
该标准将一般用途电动机效率水平分为IE1（InternationalEfficiency,简称IE）、IE2、IE3和IE4四级，其中IE1为标准效率，相当于我国LI前生产的普通系列感应电动枫的效率水平；IE2为高效率，比普通电机的效率平均提高2・75个百分点，损耗平均下降20%左右；IE3为超高效率，即效率再提高1.5--一2个百分点，损耗平均再降低15%左右，訂前只有美国预计2010年达到IE3能耗水平，強制执行;IE4为超超高效率，损耗预计再下降20%左右，需要进行全新的电机设计，建也新的体系结构（新的电机极数、速度范围），采用更高性能的材料。
山于IE4的技术目前尚不成熟，该标准仅在附录中给出供参考的指标。
IEC规定的各级效率指标如表I〜表4所示。
极数
/VkW
极数
2
4
6
2
4
6
0.75
72.1
721
70.0
22
89.9
89.9
89.2
14
75
75
72.9
30
90.7
r^—
905
90.2
1.5
77.2
77.2
75.2
37
9L2
91.2
90.8
22
79.7
79.7
77.7
45
9L7
91.7
914
3
81.5
81J
79.7
55
92」
92」
91.9
4
83」
83」
81.4
75
92.7
92.7
92.6
55
84.7
«4.7
83.1
90
93
93
92.9
7.5
86
86
84.7
110
93.3
93.3
933
1!
87.6
87.6
86.4
132
935
W.5
93.5
15
88.7
88.7
877
160
93.8
93.8
93.8
18.5
893
893
8&6
2200
94
94
94
表250Hz时IE2级效率值
P/AW
扱数
"W
极數
2
4
6
2
4
6
0.75
78.9
81」
75.9
22
91.4
91.7
90.9
1」
8O・8
82.7
78」
30
911
92.4
91.7
IS
82.3
83.9
79.8
37
92.5
92.8
92.2
2.2
84
85.3
81.8
45
92.9
93・1
92.7
3
85.3
8636
83.3
55
93.3
93.5
93.1
4
864
873
84.6
75
93.8
94
93.7
55
87.5
882
86
90
94.1
X.2
94
7.5
88.5
89」
87.2
110
94-3
94.5
94.3
11
89.6
90.1
88.7
132
94.6
94,7
94.6
15
90.5
90・9
^4
89.7
160
94.8
94.9
M8
18.5
91
94.4
90.4
M200
95.1
95.1
95
表350HzIE3级效率值表
P/AW
极数
极数
2
4
6
2
4
6
0.75
82」
84
80.6
22
92.7
93」
92.5
83.8
85.3
82.4
30
933
93,6
93.1
1.5
85
86.3
83.8
37
93.7
94
93.5
86.4
87.5
854
45
94
X3
亠'
93.9
3
87.5
88.4
86.6
55
94,3
94.5
942
4
88.4
R92
87.7
75
94.7
95
94.7
5.5
89.4
90
88.7
90
95
95.2
94.9
75
90.3
90.8
89.7
110
95.2
95.4
95.2
11
912
91.7
90.8
132
95.4
956
954
15
91.9
923
91.6
160
95.6
95.8
95.6
18.5
92.4
92.7
92.1
220（）
95.8
96
95.8
裘450血时IE4级效率值
PZ
极数
2
4
6
15
88
89,7
88」
2.2
89.7
90.8
88.7
3
90.2
91J
90
4
905
9L7
90.6
55
9L7
92.6
91」
7.5
92J
93
9X2
11
93
93.8
93.1
15
934
94.1
93.6
18.5
93.8
94.4
94
22
94.1
948
94A
30
94.5
95
94.7
37
94.8
953
95
众所周知，永磁电动机采用永磁体励磁，不需要无功励磁电流，所以显著提高功率因数，减小了定子电流和定子电阻损耗；而且在稳定运行时没有转子电阻损耗,进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机其至可以去掉风扇）和相应的风摩耗，从而使其效率和功率因数比同规格感应电动机高。
两且在轻载时仍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。
因此，永磁电动机较容易做到高效率，既达到1E2级的效率值。
如果迸一步优化设讣，采用高性硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可以达到超高效，既IE3级的效率值；在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格有可能达到超超高效，既IE4级的效率值。
考虑到我国稀土资源丰富和稀上永磁产量已列世界前茅的优势，研发超高效和超超高效永磁同步电动机是我国发展高效电机的重要途径。
2我国高效永磁同步电动机的研发现状
国内许多髙校、研究所和企业针对不同应用场合，先后开发出了多种高效、超高效超超高效异步起动永磁同步电动机和变频调速永磁同步电动机产品。
现简要介绍儿种典型产品，需要说明的是，这些产品是在IEC60034-30颁布之前研发的，与IE3和IE4的效率值稍有出入，只要调整设计和优华，有可能达到所规定的标准。
2・1油田抽油机用高效高起动转矩永磁同步电动机
H前，油田抽油机用感应电动机普遍存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。
国内针对油田抽油机负载特性，在减小1〜2个机座号的情况下开发出髙效
高起动转矩永磁同步电动机系列（图1）,该系列电机不仅在额定负载时效率和功率因数高，并且在轻载（1/4额定负载）时仍具有用较高的效率和功率因数，在不同油田运行时节电率达20%以上，表5为其中两种典型规格电机效率与感应电动机和IE3标准对比。
表5高效永磁电动机与感应电动机和IE2标准对比
电机规格
电机类型
效率/%
机座号/
铁心长
转子型式
37kW6极
丙效永磁
电动机
93.5
200L2-
6/220nun
铸铝转子
感应
电动机
90.8
250M-
6y225min
铸铝转子
IE3
93.5
55kW6极
高效永磁电动机
93.8
250M-
6/225mm
铸铝转子
电动机
92.0
280S-
6/215mn）
铸铝转子
IE3
94.2
2.2化纤纺织用高效高牵入转矩永磁同步电动机
化纤纺织用高效高牵入转矩永磁同步电动机属于异步起动永磁同步电动机。
化纤纺织用电机稳定运行时负载并不很大，但是其负载的转动惯量却很大，这对电机的牵入同步能力提出了较高的要求。
永磁同步电动机在起动过程中不但要求有足够的起动转矩，以克服负载转矩使电机起动并运行到接近同步转速，还要求电机有足够高的牵入同步能力，使电机能够顺利牵入同步，这在设计上是相互制约的，而且永磁同步电机山于转子上要安放永磁体，转子槽不可能太深，使起动性能的改善更难。
因此在相同负载情况下，化纤纺织用电机尺寸一般比普通电机大1〜2个功率等级，使得电机在运行时也存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。
国内经过多年研究，所开发的7・3kW4极、llkW4极、15k旳极和18.5kW4极在体积不增大的情况下能够达到超高效其至超超高效性能指标（见表6和表7）。
综合节电与普通感应电动机比高到23%左右，与纺织专用电机比也在10%〜13%左右，节电效果非常明显。
图2ISkW高效高牵入转矩永磁同步电动机在现场运彳:
表6超高效高牵入转矩永破同步电动机与IE3标准对t
电机规恪
电机类型
效率/%
机盹号/铁心长
转子型式
15kW4极
超高效永磁电动机
93.62
16OL-
4/l80nim
铸铝转了
高效水嚴
电动机
92.5
I60M-
4/155mm
铸铝转子
IE3
923
18.5RW4极
超髙效永磁电动机
942
160L-
4/180mm
铸铅转子
岛效永磁电动机
93,0
I60M-
4/165mm
铸铝转子
IE3
92.7
表7超超高效高牵入同步能力
永磁同步电动机与1E4标准对比
电机规格
电机类型
效率/%
机座号/
铁心长
转了型式
151W4极
超超髙效永磁电动机
94.48
160L-
4/l80mjn
铜条传子
超髙效水檢同步电动机
93.62
I60L-
4/180mm
铸铝转子
岛效水磁
电动机
9Z5
160M-
4/155mm
铸铝转子
IE4
94.1
7.5kW4极
超超高效永磁电功机
93.5
I32L-
4/180mm
铜条转子
超髙效永磁电动机
92.6
132S-
4/145mm
铜条转子
髙效水磁电动机
92.2
132M-
4/210fiwn
铸铝转子
1E4
930
2.3高效高过载能力永磁同步电动机
高效高过载能力永磁同步电动机主要是应用于风机、泵类负载。
据电力部门估算,煤炭行业的风机、水泵在20世纪五、六十年代的老设备约占1/3,其本身运行效率只有30%—40%,系统运行效率大约为20%。
由此造成的能源浪费是巨大的。
因此针对风机、泵类负载特点，国内在十五期间，通过对该类电机的共性关键技术研究，解决了制约该类电视的技术难题，所开发的llkW2极电机和18・泳旳极电机（见图3）都达到了IE4标准规定的效率值（见表8）。
图3超超高效永磁同步电动机（llkW2极）
图4屏蔽泵用永磁同步电动机（55KW4极）
M8超超髙效高过载能力永磁同步电动机与IE4指标对比
电机规格
电机类型
效率
脱号/
铁心长
转子型式
183kW4tg
超超髙敛永磁电动机
94.7
160L-
4/165mm
铜条转子
超高效永磁
电动机
94.2
160L-
4/180mm
铸铝转子
高效永磁电动机
93.0
160M-
4/165mm
铸铝转子
IE4
944
llkW2极
超超高效永磁电动机
94.2
132S-
2/t45mm
铜条转子
IE4
93.8）
另一类特殊用途的高效高过载能力永磁同步电动机为屏蔽泵用永磁同步电动机，该类电机主要用于石油、化工、制冷、制药、核工业及许多新兴工业部门运送易燃、易爆、有毒、贵重、腐蚀燃、放射性的各种介质。
为保护电机的誉受腐蚀，必须在定转子外面加密闭的屏蔽套，这就需要加大定转子之间的气隙。
降低了电机的效率和功率因数，因此造成电能浪费严重。
这种电机若改为永磁电机主要制约因素为：
转子细长、转子空间有限；永磁体高温退磁问题。
国家稀土永磁电机丄程技术研究中心通过技术攻关，解决了关键技术问题,研制出5.5RW4极和370W2板两种规格样机（见图4）,该电机与同规格感应电动机相比数据如图9所示。
表9屏蔽泵用永磁同步电动机与感应电动机性能比较
电机类型
功率/kW
效率/%
功率因数
机座号
感应电动机
5.5
70.0
0.76
132
永磁电功机
55
89.3
0.994
112
2.4中型异步起动高效稀土永磁同步电动机
□前，中小异步起动高效永磁同步电动机主要用作驱动“三机一泵”（风机、压缩机、冷冻机和水泵），这类负载要求高效率、高功率因数和高过载能力，同时要求运行稳定可靠。
中大型永磁同步电动机在效率掇舞技术上可以采用小型高效高过载能力永磁同步电动机的技术措施，但制约中型高效稀土永磁同步电动机研发的主要因素是工艺结构问题。
因为中小型电机转子空间有限，在有限空间内既要放置足够的永磁体来满足所需的磁通，乂要放置起动笼来满足异步起动能力，同时还要开一定面积的轴向通风孔，保证电机的温升满足标准，因此会造成每个细节尺寸非常紧张，机械强度接近极限（如图5所示）。
LI前该类电机主要是在原有电机上进行改造，通过技术攻关，国家稀土永磁电机工程技术研究中心研发出112kW4极、300kW4极、260kw4极和310kW6极几种典型规格祥机,图6为1120kW4极样机照片。
两种电机性能指标与原感成电动机相比如表10所示。
节能效果明髭,以300kW为例，经北京首钢现场实测节电率为7。
2%,—年可节电16.6万kW.h,如果是全新设计，效率还能提高。
表10中型永磁同步电动机与感应电动机性能比较
电机类型
功率/kW
效率/%
功率因数
感应电动机
1120
94.4
0.88
水磁电动机
1120
96.4
0.94
感应电动机
300
91.5
0.89
永磁电动机
300
94.81
0.966
2.5中型变频调速高效永磁同步电动机
在风机、泵类负载,还可以通过变频调速永磁电机来提高节电率和降低起动电流。
国家工程技术研究中心在十五期间，通过对变频调速电机关键技术研究，开发出135kW.200kW和300kW三种规格变频调速高效永磁同步电动机，在现场运行实测节电率都在40%以上。
图7为300kW电机照片。
3永磁同步电动机提高效率的关键技术
在总结国内许多高校、研究所和企业已经开发出多种高效、超高效和超超高效异步起动永磁电动机和变频调速永磁电动机的经验教训的基础上，经过研究分析认为，只要进一步优化设计,釆用高性能材料和先进工艺，可以开发出符合IEC60034—30能效分级标准的两个系列的高效永磁同步电动机。
一是在比感应电动机降低一个机座号或机座号不变而缩短铁心的情况下，使永磁同步电动机的效率指标达到超高效，BIJIE3的效率标准，二是机座号不变或者适当加长铁心，使永磁同步电动机的效率指标达到超超高效，即IE4的效率标准。
两者的功率因数都达到0.93以上。
同时要在满足起动性能和保证高温不失磁的前提下尽理降低成本。
为此，既要采用超高效感应电动机降低损耗、提高效率的技术，如采用高性能硅钢片、提高定子槽满率、用铸铜转子代替铸铝转子，改进风扇设计和提高制造精度等：
乂要针对永磁同步电动机的设计制造特点，对下列关键技术进行研究攻关。
国内对此已经做了大量工作，取得了一些突破性进展，但尚须进一步完善，进而在伞行业推广应用。
3.1完善场路结合的电机设计计算程序和软件包，提高计算精度
当前永磁同步电动机的设计计算精度低于感应电动机，因此需要修改完善永磁电机电磁场分析汁算软件，同时运用计算软件，分析计算各种磁路结构的三维磁场，从中总结出端部效应的规律，对二维电磁场讣算软件进行分析修正，既方便计算，又提高计算精度。
在总结已开发样机经验的基础上，对原有以路为主的电磁计算软件中的各项参数和系数进行修正，并与电磁场计算软件耦合起来形成场路结合的讣算软件。
完善适合永磁同步电动机特点的机械汁算、热计算和振动、噪声分析计算软件。
在总结、完善上述软件的基础上，充实数据库，形成完整的软件包，在全行业推广应用，以提高全行业的研发水平。
3・2磁路结构及尺寸的优化设计
超高效和超超高效永磁同步电动机的转子窄间有限，既要安放足够的永磁体以提供必需的气隙磁密和改善磁场波形，乂要安放足够的起动笼在满足所要求起动转矩（含堵转转矩、最小转矩、牵入转矩和失步转矩）的前提下•减少堵转电流，还要使转子有足够的强度和刚度，便于制造，需要对磁极结构、起动笼槽型等进行创新和优化设计，在大量实践的基础上总结出设计准则。
3.3电磁负荷的优化选择
超高效和超超高效永磁同步电机的磁路波形接近矩形波，齿磁密与辄磁密的分布与感应电机不同，需要对定子槽形进行优化设计，以降低总铁耗。
山于效率和功率因数都高于感应电机，其电磁负荷的合理分配和选择以及风扇设计也与感应电机不同，需要进行热计算和冷却系统优化设计，从而总结出优化设计准则。
3・4负载铁耗的修正和减少负载杂散损耗的技术
永磁同步电动机没有转子铜（铝）耗，定子铜耗较小，铁耗和负载杂散损耗占总损耗的比例较感应电动机大，因此重点应放在降低铁耗和负载杂散损耗。
高效永磁同步电动机的空载气隙磁场中谐波含量比感应电机大，因而空载杂散损耗大，使空载铁耗（含空载朵散损耗）大；而负载时气隙磁密降低，使负载铁耗比空载铁耗小，需要通过大量计算和试验以总结提岀负载铁耗的修正系数。
超超高效永磁同步电动机的负载杂散损耗虽小于感应电机，但仍占总损耗的很大比例，要进一步提高效率必须着重减少负载杂散损耗，这就需要进行大量电磁场计算，总结影响朵散损耗的影响因素，探索减少杂散损耗的设计技术和制造工艺措施。
同时需要运用高精度的电量和转矩测量仪器对大量样机进行测试，总结归纳出负载杂散损耗的数值和影响规律。
3.5制造工艺技术研究
超高效永磁同步电动机成本高的原因之一是制造丄艺较复杂。
除采用感应电动机的先进制造丄艺外，还要进行装配后永磁体充磁技术、带磁永磁体装配技术等制造丄艺技术研究，并开发相应的工装模具。
做到既提高生产效率，乂降低制造成本。
3.6试验方法研究
永磁电机采用永磁体励磁，其试验方法不能完全采用感应电动机和电励磁同步电动机的试验方法，难点在于：
①铁耗的测试和分离，在用损耗分析法测试效率时,在感应电动机标准中认为负载和空载铁耗是不变的，而永磁电机山于电枢反应以及温度变化对永磁体性能的影响，使得铁耗从空载到负载变化较大，因此要针对永磁电机的特性进行试验研究，总结岀铁耗测试方法及修正规律：
②堵转转矩、堵转电流、最小转矩和牵入转矩的测试，由于永磁体的存在，在做堵转转矩试验时电机产生振动，容易对电机造成机械破坏或测试仪表损坏：
最小转矩和牵入转矩的测试要求也与普通电机不同；因此需对测试转矩的不同方法进行试验验证和分析研究，最终总结出永磁电机转矩特性测试方法和修正方法；
⑧负载杂散损耗的精确测量；④永磁体性能一致性和稳定性的检测方法。
4高效率电动机节能潜力和经济效益
根据国内外调查，工业领域电动机年平均运行时间约在3000h左右，但在石油、化工、造纸、冶金、电力等行业，电动机年运行时间往往超过6000h,对于这些运行时间长的场合，如釆用高效、超高效其至超超高效永磁电动机将会对能源节约带来更显著的效果。
据统计，2006和2007年全国共生产各种电动机2・5亿戚其中中小型电动机年产量约占总产量的70%〜80%。
中小型电动机耗电量占总发电量的50%,加上大型电动机和微电机，耗电量达60%,是电力生产部门最大的用户。
如果效率平均提高一个百分点,则将会节约电能1833万kw,按工业用电0.6元k/w.h计算,则可节约电费1100万元左右，同时还可以减少663万kg炭排量。
根据《京都议定书》，每吨炭排量可以销售到15〜18美元，中国和联合国正在北京筹建炭交易中心，预计2012年，中国炭排量定额占41%,也就是说超过41%,要花钱买炭排量，低于41%,可以卖出。
因此高效永磁同步电动机从国家政策导向和市场需求方面都有其他电机不可替代的优势，市场前景非常广阔。
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