| 同步電動機稀土電機異步電動機發展動向比較 |
| 2010年6月23日 |
稀土永磁同步電動機發展動向
王淦緒(天津安全電機有限公司)
【摘 要】概述永磁同步電動機的發展動向及釹鐵硼永磁在永磁同步電動機中的應用。通過永磁同步電動機與異步電動機的性能比較，指出用稀土永磁同步電動機取代異步電動機可達到高效節能的效果。
【敘 詞】同步電動機稀土電機異步電動機比較發展動向
1概述
微型同步電動機有多種結構形式，電勵磁式要消耗很大的激磁功率，還有電刷滑環裝置，結構復雜，可靠性差，因此，現在已極少采用。早年出現的磁滯式和反應式同步電動機也有一些缺點，如容量較小，效率較低，功率因數較差，力能指標偏低。而永磁同步電動機具有突出的優點，如：
a．省去了勵磁繞組和附加的直流勵磁電源，節省了電機的用銅量，減少了銅耗，從而使電機的體積縮小、重量減輕、效率提高、成本下降。
b．無電刷和滑環裝置，這不但減少了機械和電氣損耗，而且還不產生電刷火花，對無線電沒有干擾，電機的機械結構簡單牢固、運行可靠、便于制造、維修方便。
c．具有嚴格的轉速同步性和寬調速性，對于要求多臺電機同步運行的調速系統有突出的優點，而且變頻電源可實現開環控制，調速控制方便，并在所有頻率范圍內均能穩定運行。
d．效率和功率因數高。
可見，永磁同步電動機是一種很有發展前途的高效節能產品。但是，這種電機在我國的生產產量卻很少，供求差距很大，有的只得 靠進口，每年約需30萬臺以上，其原因是產品成本較高，制造廠盈利較少；市場售價較高，買主較少；起動能力差，要求起動性能高的場合難以采用。
在積極有效地進行產品結構調整的過程中，應擴大高效節能產品的生產。隨著高性能稀土永磁材料的出現，應推廣比稀土釤鈷永磁材料的磁性能更加優異，而價格卻更便宜的第三代稀土釹鐵硼磁鋼在永磁電機中的應用，采取切實步驟把已往使用鐵氧體、鋁鎳鈷和稀土釤鈷磁鋼的永磁電機作一次更新換代，使釹鐵硼新一代永磁同步電動機的技術經濟指標得到更大的改善，進而擴大生產這種帶方向性的高效節能的電機產品。
與異步電動機相比，永磁同步電動機的缺點是價格較貴，起動能力較差。因此，永磁同步電動機一般都用在要求電機同步運行、變頻無級調速、對起動性能要求不高的場合，如用于風機、水泵、紡織、化纖、數控機床和工業機器人等作恒速傳動和自動控制系統中的驅動元件。當采用變頻裝置驅動時，用低頻軟起動可克服同步電動機的起動困難，因此，受到國際電機行業的普遍重視。
2永磁同步電動機發展動向
美國、日本和德國是開發永磁同步電動機起步較早的國家。早在本世紀50年代，美國GE公司就研制了一批數百瓦的微型永磁同步電動機。那時，這種電機是在鼠籠轉子中加裝鐵氧體永磁，但由于這種磁鋼的磁能積和剩磁密度都很低，其功率因數雖然提高較多，但效率提高較少；西德西門子公司，經過10多年的研究，采用不同的結構型式和鐵氧體永磁材料，開發了多種用途的永磁同步電動機。如用于化纖設備的容量為2.5kW、18 000r／min高速永磁同步電動機，用于變頻器供電的
 系列永磁同步電動機。 1973年國際上出現了第一次能源危機，石油、燃料、電力不斷漲價，能耗最嚴重的美國首當其沖。1975年7月聯邦能源局FEA委托
 公司對電動機的節能潛力和高效電動機的發展前景進行調查分析。1976年8月，該公司提交了一份題為《能量的效率與電動機》的報告，引起了美國工業部門的廣泛重視。一時間，許多電機廠、研究所和大學相繼開發了高效率異步電動機(效率比一般異步電動機約高4百分之)，并紛紛研制高效率、高功率因數的永磁同步電動機和“功率因數控制器”等各種節能裝置。可見，永磁同步電動機是一種高效節能產品已成為人們的共識，并已引起世人的廣泛關注。70年代后期，發展微型和小型永磁同步電動機已呈世界性趨勢。 60年代初期和70年代初期，第一代和第二代稀土釤鈷永磁材料
 相繼問世，釤鈷材料的優異磁性能給永磁電機的發展注入了新的生機。但是，釤、鈷均為稀有金屬，產量極少，因此，釤鈷磁鋼的價格昂貴，高達1 000元／kg左右。使永磁同步電動機的價格也相應提高。 1978年，法國CEM公司采用瑞士BBC公司生產的低稀土20釤鈷磁鋼，研制成功
 系列永磁同步電動機，電機的中心高63～160mm，共8個機座號，功率O.37～18.5kW，共10個規格。與三相異步電動機相比，該系列電機的效率提高4百分之～10百分之，其功率因數很高，功率因數平均提高O.072，電機價格約增高35百分之。這種電機特別適于多機大范圍同步調速的化纖、紡織工業，也廣泛用于水泵、風機等連續調速運轉的機械。超出的價格可以從1～2年電費的節省中得到補償。 我國對永磁同步電動機的研究起步較晚，但發展迅速。沈陽機電學院唐任遠教授等研制成功高效率、高起動轉矩的稀土永磁同步電動機。1986年，上海電器科學研究所開發出化纖用外轉子永磁同步電動機[1]，這是一種用于滌綸、維綸長絲高速紡機，作變速卷繞頭傳動裝置的專用電機，調速范圍1 500～9 000r／min或1 500～12 720r／min，調速平穩，性能穩定，運行可靠。轉矩有1.05N·m、2.35N·m、3.60N·m等13個規格，可替代進口電機。另有上海工業大學、華中理工大學、東南大學、一些科研所和電機廠，也都在開展永磁同步電動機及其變頻系統的研制，并在國內外興起一個“同步、變頻”系統研究熱。
3 釹鐵硼在永磁同步電動機中的應用
永磁同步電動機的定子為平衡的三相交流繞組結構，原則上與三相異步電動機相同。
轉子的結構形式較多。較早采用帶鼠籠繞組自起動的有(或無)極靴的永磁星形轉子結構，星形轉子的結構簡單，但磁鋼利用率不高，只適用于鋁鎳鈷等剩磁密度Br較高的永磁材料。
目前，廣泛采用并聯磁路轉子結構，適用于鐵氧體和稀土永磁材料。其優點是結構簡單、牢固可靠、便于制造、磁鋼利用率高。廣泛用于化纖、紡織工業，容量60W至數千瓦。并聯磁路轉子通常只適宜做成兩極和四極的電機，見圖1，這種電機采用變頻調速[2]。
稀土釹鐵硼永磁體具有很高的剩磁Br、矯頑力
 ，這將使永磁同步電動機的力能指標進一步提高；釹鐵硼的磁性能高，磁體輕、薄、短、小，可使電機的體積進一步縮小，重量減輕，節省大量的金屬結構材料，減少工時。釹鐵硼的機械性能好，加工方便。成品率高，可裝配后充磁，它的去磁曲線為直線，回復直線與去磁曲線基本重合，不怕去磁。它兼有鋁鎳鈷、鐵氧體和釤鈷永磁等多種磁體的優點。目前，釹鐵硼的價格約為350～400元／kg，雖比鋁鎳鈷和鐵氧體的價格要高得多，但因釹鐵硼的磁性能高，氣隙磁密得以提高，從而使電機用銅、鐵減少，體積縮小。此外，耗用量也顯著減少，可降到原重量的30百分之～10百分之。它的缺點是居里點低、溫度系數大、熱穩定性差、怕高溫氧化。 廣州電器科學研究所對釹鐵硼在小功率永磁同步電動饑中的應用進行了研究[3]沿用AO2 7124分馬力異步電動機的定子鐵心及結構件，重新設計轉子和定子繞組，用鼠籠繞組自起動，轉子采用并聯磁路結構．分別選用釹鐵硼和鐵氧體永磁進行研制，以比較鑒別。其研究結果表明．在永磁同步電動機上使刖釹鐵硼，可突出釹鐵硼的
 高和比釤鈷磁鋼便宜的優點，同時，也較好地解決了永磁同步電動機起動過程中轉矩小、自起動困難的弱點。這種電機的損耗小，效率高，故溫升很低．樣機溫升僅為26℃，使磁鋼正常工作在65 ℃以下。在同步運行時，轉子鼠籠繞組沒有電流，沒有銅耗和滑差損耗．轉子鐵心中也無交愛磁場。另外，磁體設計在遠離發熱源定子、靠近轉軸的地方，并封閉在轉子鐵心內，因此又使永磁同步電動機很好地避開了釹鐵硼的居里點低、熱穩定性差和高溫氧化銹蝕的缺點。當然，這里必須強調，在負載下。不是釹鐵硼的工作溫度越低越好。就電饑工作溫度而言，較好的設計應該是保證電機磁鋼和繞組在接近允許溫度下運行，這樣電機的利用率較高。 鋁鎳鈷的
 很低，容易去磁。它的去磁曲線為非直線性，回復直線不能與去磁曲線重合，工作點的穩定性較差。鐵氧體的  值均不高。釤鈷永磁的性能優異，但價格昂貴，人們難于接受。上述永磁材料用于永磁同步電動機沒計，都不太理想。釹鐵硼的磁能積高，更主要的是 值大，去磁曲線為直線，可改善永磁同步電動機的起動性能，并使電機有較高的穩定工作點，作為同步電動機的永磁勵磁較為理想。 在相同的機座號下。釹鐵硼永磁同步電動機的樣機輸出功率為370w，比鐵氧體樣機250w要高一擋。可見，釹鐵硼在永磁同步電動機中的應用，在技術上具備可行性和先進性。
樣機釹鐵硼的成本約占整機成本的一半。釹鐵硼樣機成本與大一個機座號、輸出功率相同的鐵氧體、銅條鼠籠永磁同步電動機的成本相近。而且，釹鐵硼電機的加工性能好，節省工時，成品率高。最大的優勢是體積小、重量輕．批量生產可節省大量的電機結構材料和減少大量工時。可見，釹鐵硼在永磁同步電動機中的應用．在經濟上也是是可行的。
樣機測試值：效率為84.6百分之．功率因數為O.853，體積比鐵氧體電機縮小了一個機座號。該電機的力能指標高．起動性能好,既可高效節能，又可節材降耗[3]。
現在，稀土永磁同步電動機在國內外均已發展成系列產品．正在大力推廣應用。
法國CEM公司開發了用于紡烈工業的MPUC系列怖土永磁同步電動機．該系列電機可在相同標準系列三相異步電動機的機座內安排相同的功率。機座號80～160mm額定功率0.75～18.5kw。共10個規格，與我國Y系列(IP44)三相異步電動機的相同規格相比，效率高1百分之～7百分之，功率因數新0.07～O.14。
上海電器科學研究所干1991年5月在上海舉行的稀土永磁電動機及箕應用會議上，介紹了該所研制的高性能三相稀土永磁同步電動機．電機中心高80～160mm，有2、4、6極。功率從O.55～18.5kw，電壓380V。與相同功率、相同極數的Y系列異步電機相比，力能指標高12百分之～35百分之，節能5百分之～312百分之．是目前國家重點推廣的節能產品。
重慶電機廠采用釹鐵硼新型節能的TY200L-6(22kW)和TY225M-6(30kw)兩個觀格的稀土永磁同步電動機。它比Y系列異步電動機相應規格的效率高5.3百分之，功率因數分別提高0.140和0.125。
4稀土永磁同步電動機取代某些異步電動機的效果
普通異步電動機的結構簡單、運行可靠、價格低廉、維修萬便。但其效率和功率因數較低，調速困難．可用高效節能的永磁同步電動機取代。
YX系列高效率三相異步電動機與Y系列(IP44)異步電動機相比，效率提高3百分之，功率因數提高約0.004。總損耗下降28.8百分之。對干年運行時間長(超過3 000h)。負載率較高(60百分之以上)的場合．采用YX電機可較大幅度節省電能。但當電動機長期運行于輕負載(負載率為30百分之～50百分之)或需調速以適應負載變化的場合。如風機、水泵、壓縮機等，則高效異步電動機難以發揮其節能的效用。
效率(η)表示電動機運行時有功功率的利用率。功率因數(cosφ)反映電動機運行時昕需無功功率的大小．cosφ越低。則所需無功功率越火。為補償電網的無功功率，需增添同步補償饑．以控制功率因數而使輸電網的電壓保持穩定，這就需耗費犬量的設備投資。
電動機的η和cosφ郡是負載的函數。通常．η和cosφ總是隨負載率下降而減小，當負載率小于40百分之后，η和cosφ均急劇下降，見圖2；
效率與功率因數的乘積稱為效能值。效能值反應了電動機在能量轉換過程中總的電能利用的有效性，它是電動機力能水平高低的重要指杯。
法圈CEM公司MPUC系列稀土永磁同步電動機[4]與我國的Y系列、YX系列電動機(4極)的力能指標對比如附表所示。
電動機是量大面廣的配套產品，其耗電量在美、日、英等國約占總發電量的64百分之，在我國僅中小型異步電動機的耗電量就占國家總發電量的60百分之，因此國內外都把節電技術的重點放在電動機及其拖動的設備上。
近20年，我國中小型異步電動機的年產量均在2.5×10 000 000kW以上。因此，我國中小型異步電動機的總裝機容量已超過3億kw，其中小型異步電動機約占70百分之以上。這些電機主要用于風機、泵類、壓縮機、機床、紡織機械、冶金、化工和起重機械的配套。這些配套電機，有40年代水平的產品，如J、JO型占10百分之～15百分之，其效率平均比Y系列電機低2百分之～3百分之，比稀土永磁同步電動機低7百分之～8百分之；有50年代末期水平的產品，如J2、J02型占60百分之～70百分之，其效率比Y系列電機低O.4百分之～1百分之[5]，比稀土永磁同步電動機低5．5百分之～6百分之；有80年代初期水平的Y系列電機僅占20百分之左右，其效率比稀土永磁同步電動機約低5百分之。
歷年來，我國共生產各種泵約2 OOO多萬臺，其配套電機近1億kW，1988年耗電量約1 140億kw·b，占全國總發電量的23百分之左右。我國累計生產各種風機約500萬臺，其配套電機約O.5億kw，年耗電量約500億kW·h，占總發電量的10 百分之左右。可見，泵類和風機的耗電量約占我國工業用電的一半。我國現有風機、泵類的效率比國外約低20個百分點，每年多耗電約330億kw·h。而且，其配套電機的絕大多數為普通單速三相異步電動機，其轉速與實際流量匹配不合理，且不能調速，都靠擋板和閥門改變流量，而電機始終以恒速運轉，造成很大電能的浪費[5]。若采用高效節能，又可變頻調速的稀土永磁同步電動機，對風機、泵類系統進行改造，用電機調速改變流量的變化。這樣，風機、泵類系統總能耗節約往往可達20百分之～30百分之，這是工業用電節能最大的地方，因此，國內外對于電動機調速節能的研究都非常重視。
我國各類紡織機械配套電機的總裝機容量為O.12億kW，年耗電量300億kW·h，占總發電量的6百分之。其中，70百分之左右為高效紡織專用電動機,30百分之為普通異步電機，其負載率為40百分之～60百分之，長期連續運行，電能浪費嚴重。紡織部決定在“八五”期間，將其余30百分之能耗大的電機，全部更換為紡織專用稀土永磁同步電動機，綜合節電率達10百分之，每年可節電約9億kw·h。
我國壓縮機配套電機以中型異步電動機為主，總裝機容量約O.5億kw，1988年耗電量約725億kw·h，占總發電量的14.5百分之左右。這些電機容量大，難于更新，其效率平均比Y系列電機低2百分之～3百分之，比稀土永磁同步電動機低7百分之～8百分之。各類機床配套為小型異步電動機，總裝機容量O.15億kW，年耗電量約150kw·h，占總發電量的3百分之左右。與壓縮機、機床等設備配套電機的容量需按最大負載確定，一般都在10百分之～40百分之的輕負載率下。這將使異步電動機的效率急劇降低，功率因數也變得極差，電能浪費很大，若用高效稀土永磁同步電動機取代，其節電量將十分可觀。
5結 語
稀土永磁同步電動機，可廣泛用于各種機械、化纖、紡織、石化等行業，用作各種風機、泵類、數控機床及高效節能、轉速恒定或異步電動機無法滿足的場合。在這些設備上，除了要求高起動特性、高滑差、頻繁起動、頻繁正反轉運行的場合外，均可采用稀土永磁同步電動機取代Y系列異步電動機、YX高效異步電動機、YD系列變極多速異步電動機、YCT系列電磁調速異步電動機等，并可達到高效節能的目的。它是我國“八五”期間重點發展、推廣應用的帶方向性的高效節能產品，具有十分廣闊的發展前景。
參考文獻
1 程明．小型同步電動機的發展及其在交流調速系統中的應用．中小型電機，1991(5)
2 陳峻峰．永磁電機．機械工業出版社，1983(4)
3 林棠華．釹鐵硼材料在小功率永磁同步電動機中的應用研究．中小型電機，1989(1)
4 陳丕璋．電動機節能技術．科學出版社，1989(3)5彭友元．中小型三相異步電動機經濟運行．中小型電機，1991(1)
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