永磁同步电动机替换异步电动机的综合效益分析

0 引言

同步电动机相对异步电动机而言，优点是高功率因素、高效率、转子参数可测、定转子间气隙大、控制性能好、体积小、重量轻、结构简单、高转矩/惯量比等，在石油、化工、轻纺、矿山、车辆、数控机床、机器人、及航空航天等领域得到了日益广泛的应用，正面向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。

永磁同步电动机由定子和转子组成，定子与异步电动机相同，由三相绕组和定子铁心组成。转子上安装有预先磁化（充磁）过的永磁体，不需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，这既可简化电机结构，又可节约能量。本文从永磁同步电动机的特点出发，接合实际运用来阐述推广永磁同步电动机的综合效益。

1 永磁同步电动机的突出优点

（1）由于转子采用永磁体制成，因此磁通密度高，不需要励磁电流，消除了励磁损耗。与异步电机相比，减少了定子边绕组的励磁电流和转子边的铜、铁损耗，大幅度减少了无功电流，由于定、转子磁势同步，转子铁心无基波铁耗，因此效率（关系有功电能）和功率因素（关系无功电能）都比异步电动机高。永磁同步电动机一般设计得即使在轻载运行时功率因素和效率也较高，图1为某台永磁同步电动机与同规格异步电动机效率和功率功率因素的比较曲线。从电机的负载变化看， 稀土永磁同步电动机可以在25%～120% 额定功率的范围内保持高功率因数和高效率状态下运行，而一般三相异步电动机通常只能在60%~100% 额定功率保持一种较高性能工作。

（2）永磁同步电动机转速与频率维持严格不变的的固定关系，与异步电动机负载运行时有较大的转差率不同，永磁同步电动机具有较硬的机械特性，对于因负载变化引起的电机转矩扰动具有较强的承受能力。永磁同步电动机转子铁心可做成镂空结构以减少转子惯量，而且永磁同步电动机的启、制动时间都比异步电动机快很多，高转矩/惯量比使得永磁同步电动机比异步电动机更适合在快速响应的条件下运行。

图1两种电机效率和功率因素比较

（3）永磁同步电动机的尺寸较异步电动机大大减小，重量也大为减轻。同样散热条件和绝缘材料的永磁同步电动机比三相异步电动机功率密度大2倍以上。在寸土如金的大城市，设备的占地面积对成本影响也逐渐被用户所意识。

（4）转子结构大大简化，便于维护，提高了运行的稳定性。

交流永磁伺服电机，其转子上的磁钢与铁心通常采用高温胶粘接在一起，胶水固化时间一般比较长，增加了生产周期和成本，并且电机在运转过程中，磁钢在温度变化、冲击力等的反复作用下，有变形乃至脱落的风险。为解决定这一技术难题，本公司研制的CM500系列重载型永磁同步电动机，将磁瓦胶粘工艺改为由不锈钢套机械紧固的方式，如图2所示，完全消除了磁钢松脱的风险。本项创新应用技术已申请为专利，是电机转子技术的一大进步。

a) 正面

b) 测面

图2 永磁同步电动机转子组件结构

三相异步电动机由于要设计较高的功率因素，就必需把定转子间的气隙做的很小，同时气隙的均匀性对电机的安全运行和振动噪声也至关重要，对此异步电动机对零部件的形位公差和装配同心度的要求就相对严格，对轴承游隙选择的自由度也比较少，较大机座的异步电机通常使用油浴润滑方式的轴承，必需在规定的工作时间内加注润滑油，油腔漏油或加注不及时都会加速轴承失效，在三相异步电动机维修中，轴承的维护占了很大的比例。另外由于三相异步电动机转子有感应电流的存在，轴承的电腐蚀问题也在近几年被很多研究者所关注，永磁同步电动机则不存在此类问题。永磁同步电动机由于气隙较大，以上异步电动机气隙小而引起的相关问题在同步电动机上表现的并不明显，同时永磁同步电动机的轴承采用带防尘盖的脂润滑轴承，轴承在出厂时已封入了适量的优质润滑脂，可终生免维护。

2 永磁同步电动机的典型应用

2.1 电液伺服注塑机应用方案

图3 注塑机伺服节能改造示意图

传统注塑机使用三相异步电动机带定量泵，注塑机工作过程中，电机需要长期连续运行。通过伺服油泵驱动系统的节能改造，永磁同步电动机的快速响应和大启动转矩，可以在注塑机需要完成注塑成型时，才启动永磁同步电动机带动油泵产生压力，在下料和合模的过程中，油泵主电机则处于停机状态，实现了间歇零功耗，通过对比节能率最高可达85% 。

在优异的伺服电机算法控制下，噪音大大低于普通注塑机。在配置低噪声螺杆泵的理想状态下，注塑机整机噪音低于70 分贝。实现静音运行，改善工作环境。

2.2 铁矿干选机上的节能应用

使用现场为西北某采矿场，多粉尘环境。该设备共使用125台电动机，扬卷设备启动时需要有较大的启动力矩，而正常作业时电动机长期运行在30%～50%额定功率的轻载状态，原先使用的三相异步电动机其效率仅为65%左右，功率因数为0.4～0.6 左右，造成严重的能源浪费，选用永磁同步电动机，节能效果非常明显。节电测试统计数据见表1。图4是替换前后的现场照片。

表1  125台永磁同步电动机与高效三相异步电动机节电参数对比

a) 变频三相异步电动机

b) 永磁同步电动机

图4永磁同步电动替换异步电动机在铁矿干选机上的使用

3 用户较关心的几个问题

3.1 电机寿命

CM500系列电机，采用坚固耐用的旋转变压器或绝对式磁性编码器作为角度测量器件，能满足电机高精度控制要求，同时拥有比光学编码器更高的可靠性。在控制精度稍低，无过载要求的条件下使用，可以采用无传感器矢量控制方式，节约角度测量装置的成本。整个电机的寿命取决于轴承的使用寿命，电机外壳采用IP54的防护等级，特殊环境下可以提高至IP65，能满足大部分粉尘和潮湿环境的使用要求。在保证电机轴伸安装同轴度较好，转轴径向载荷适量的情况下，电机轴承最少使用寿命在2万小时以上。其次是散热风机的寿命，风机采用的是单相220V罩极马达，使用寿命比电容运转电机长。在粉尘潮湿环境下长期运行时，需定期清除风机上附着的粘性物质，以防止风机因负荷过重而烧毁。

3.2 永磁材料的失效与防护

永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的，进入21世纪以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异的磁性材料特别适合于制造电机，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，使得永磁电机的研究和使用取得了飞速的发展。

永磁材料对永磁电机的重要性不言而喻，其成本占整台电机材料成本近1/4以上。对此我司还专门对永磁材料制定了企业标准，其中重点包含耐腐蚀、一致性、高温退磁试验、线性退磁曲线试验等内容。现在的永磁材料已能在电机绕组极限允许温升下长时间运行，退磁率在2%以内。常规的永磁材料要求表面镀层承受大于24小时的盐雾试验，对氧化腐蚀较严重的环境，用户需联系厂家选用防护技术更高的永磁材料。

3.3线圈烧坏

传统的异步电机线圈烧坏故障率高达8%以上，主要与电机的热保护和电工材料的品质有关。传统的异步电机几乎没有热保护元件，追求产量的厂家在电机绝缘处理环节也是大打折扣，维修后的电机，绝缘处理更加薄弱。本公司CM500系列永磁同步电动机线圈内埋有热敏元件，当线圈温升达到F级绝缘极限温升105K时，驱动器通过热敏元件采集的温度信号对电机实行过热保护，确保电机安全运行，同时电机定子采用两次真空浸漆工艺，大大提高了定子合格率。

4 结语

从经济效益分析：永磁同步电动机特别适合重启动轻运行的使用场合，推广使用永磁同步电动机具有积极的经济效益和社会效益，对节能减排意义重大。在可靠性和稳定性方面，永磁同步电动机也具有可贵的优势。所以选用高效永磁同步电动机是一项一次性投资长期受益的过程。

参考文献

[1] 唐任远. 现代永磁电机理论于设计[M].北京:机械工业出版社,2016

[2] 吴芳. 无传感器永磁同步电机的位置辨识与控制研究[D].武汉:华中科技大学,2011

[3] 宋振纶.稀土永磁材料的失效与防护[M].北京:科学出版社,2017

[4] 舒鹏程，唐先全.机床主轴电机轴承配合公差与径向游隙的计算与分析[J].机床与液压,2013(2)

作者简介: 唐先全( 1986- ), 男, 广州, 工程师, 主要从事电机设计和试制工作。