空冷永磁電機

1永磁電機介紹

1.1永磁電機種類

永磁電機分類

永磁電機從大類上分主要有永磁直流機（如汽車起動馬達）和永磁同步機兩種形式。目前所說的永磁電機絕大多數(shù)說的是交流永磁電機。

自起動永磁同步電動機在 20世紀 80年代和 90年代在我國有較多的開發(fā)研究，并有了一定的生產(chǎn)產(chǎn)品。但由于這種永磁電機轉(zhuǎn)子上帶有類似于異步電機的鼠籠條，造成轉(zhuǎn)子發(fā)熱，極易使磁鋼退磁；并且由于鼠籠條的存在，起動過程類似于異步電機，其起動電流是額定電流的 8~10倍，對電網(wǎng)的沖擊較大，因而并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

永磁伺服電機、永磁無刷直流機與變頻永磁同步電機都屬于調(diào)速永磁電機。永磁伺服電機主要用于控制領(lǐng)域，如機器人。永磁無刷直流機與變頻永磁同步電機主要用于驅(qū)動領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子控制設(shè)備成本的下降，使得調(diào)速永磁電機及其驅(qū)動系統(tǒng)得到了許多行業(yè)的認可。目前，調(diào)速永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)以其優(yōu)越的性價比而在許多行業(yè)開始取代傳統(tǒng)的異步電機驅(qū)動和異步電機變頻驅(qū)動。

1.2永磁電機發(fā)展趨勢

作為動力驅(qū)動的永磁電機，由于其結(jié)構(gòu)多樣性，高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度等特點使其在工業(yè)、運輸、國防以及日常生活等諸多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

主要的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢有三個方面：

1）直驅(qū)技術(shù)；

2）集成技術(shù)；

3）智能控制技術(shù)。

直驅(qū)技術(shù)取消了傳動鏈中的減速箱或增速箱等中間環(huán)節(jié)，將電機直接與負載相連，既提高了系統(tǒng)效率，又增加了可靠性。直驅(qū)技術(shù)在低速領(lǐng)域轉(zhuǎn)速可低到每分鐘十幾轉(zhuǎn)，在高速領(lǐng)域轉(zhuǎn)速可達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)。

集成技術(shù)主要分兩種集成方式。一個是永磁電機與變頻控制集成（變頻一體機）；另一個是與負載集成，如滾筒電機，大大縮小了設(shè)備的體積和安裝空間。

智能控制技術(shù)主要體現(xiàn)在電機控制的網(wǎng)絡(luò)化、遠程化，并正在逐步向遠程故障診斷方向發(fā)展。

2 永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的特點

永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)具有以下特點：

結(jié)構(gòu)簡單、靈活，適用于各種應(yīng)用場合，尤其是特種應(yīng)用（低轉(zhuǎn)速、高響應(yīng)、有位置控制精度要求等）

體積小、重量輕，安裝簡便快捷

高系統(tǒng)效率、高功率因數(shù)

過載能力強，零速加載，起動時間短，起動電流小，配電容量減小

控制和調(diào)節(jié)特性優(yōu)越

系統(tǒng)可靠性提高，壽命延長

2.1結(jié)構(gòu)簡單、緊湊

永磁同步電機采用永磁體產(chǎn)生氣隙磁場，即不是像換向器電動機那樣用勵磁線圈產(chǎn)生氣隙磁場，也不像感應(yīng)電機那樣用定子電流的勵磁分量產(chǎn)生氣隙磁場，而且結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、效率高。永磁同步電機可以分為表面貼裝式永磁同步電機(SPM)和內(nèi)埋式永磁同步電機（IPM)兩種型式。

圖 2-1為這兩種類型 PM的典型剖面圖。

兩種類型永磁同步電機的典型切面圖 (a)SPM (b)IPM

國內(nèi)開發(fā)的永磁同步電機是轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部埋入永磁鐵的內(nèi)埋式永磁同步電機（IPM）。對 IPM電機由于永磁體埋入于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，鐵芯對永磁體起到了較好的保護，可有效防止離心力、腐蝕以及其他生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的對永磁體的損害。IPM電機具有較強的磁場凸極性，通過控制可充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，以獲得更高的轉(zhuǎn)矩輸出。同時，由于凸極效應(yīng)而使電機的弱磁控制范圍大大增加，從而使電機的轉(zhuǎn)速范圍大大增加。

2.2高效率、高功率因數(shù)

永磁同步電機綜合了傳統(tǒng)異步電機與電勵磁同步電機的優(yōu)點，并可獲得相似甚至超過直流電機的調(diào)速特性，在性能上得到了全面提升。

永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減少定子電流和定子銅耗，而且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗，由于總損耗的降低而減小了電機冷卻系統(tǒng)的容量，從而減小了相應(yīng)的附加損耗。因而，其效率比同規(guī)格的異步電動機提高 2~15個百分點。

永磁同步電機與異步電機的性能曲線對比

2.3動態(tài)響應(yīng)與過載能力強

同步電動機比異步電動機對轉(zhuǎn)矩的擾動具有更強的承受能力，能做出比較快的反應(yīng)。當異步電動機的負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，要求電機的轉(zhuǎn)差率也跟著變化，即電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)的變化，但是系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的慣性阻礙電機響應(yīng)的快速性。同步電動機的負載轉(zhuǎn)矩變化時，只要電機的功角做適當變化，而轉(zhuǎn)速始終維持在原來的同步速不變，轉(zhuǎn)動部分的慣性不會影響電機對轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。永磁同步電動機的最大轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的 3倍以上，對電機系統(tǒng)在負載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下穩(wěn)定運行非常有利。

永磁同步電機與異步電機的轉(zhuǎn)矩曲線對比

2.4體積小與重量輕

近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電動機的功率密度得到很大提高。與同轉(zhuǎn)速同容量的異步電動機相比，體積和重量都有較大的減少，從而使其在許多特殊場合得到應(yīng)用。

2.5可靠性高、運行維護費低

與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，永磁同步電機沒有電刷，簡化了結(jié)構(gòu)，增加了可靠性。

直驅(qū)系統(tǒng)取消了減速機，減少了故障點，提高了系統(tǒng)可靠性。同時也降低了運行維護費用。

3永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能方式

永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能主要體現(xiàn)在三個方面：

1）電機本身的高效率；

2）通過調(diào)速實現(xiàn)工況變化；

3）簡化傳動鏈取消減速機（或增速機）。

除此之外，永磁直驅(qū)系統(tǒng)由于取消了減速機，因而還可在運行維護方面降低費用。

3.1電機節(jié)能和線路節(jié)能

*永磁同步電機效率高；高效區(qū)寬，電機損耗小。

*永磁同步電機功率因數(shù)高，不用進行無功補償，可以節(jié)約因無功補償造成的有功損耗。

*永磁同步電機電流小，線路損耗小。

3.2傳動鏈節(jié)能

由于采用永磁同步電機直接驅(qū)動，可以省去減速機（或增速機）帶來的功率損耗，機械傳動效率接近100%。并可以省去附屬的潤滑裝置和冷卻裝置帶來的功率消耗，大大降低設(shè)備用電量。

3.3通過變速實現(xiàn)變工況節(jié)能

針對風機或泵類：風機或泵屬于離心負載，采取永磁同步電機變頻調(diào)速運行時，滿足離心負載特性：流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方正成比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以功率與流量的立方也成正比。風機或泵在設(shè)計選型確定后，流量調(diào)節(jié)主要是通過調(diào)節(jié)閥門或風門的開度，電機的轉(zhuǎn)速和功率變化不大。在實際運行時，需求流量經(jīng)常會小于設(shè)計流量，此時若通過降低轉(zhuǎn)速的方式，電機實際消耗功率會大大降低（下圖中粉 ** 域為節(jié)省的能耗）。

風機或泵變頻調(diào)速節(jié)能示意圖

針對皮帶機和磨機：皮帶機或磨機屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，其功率與轉(zhuǎn)速成正比，采用變頻調(diào)速方式，可以讓磨機始終工作在高效區(qū)。在輕載時通過降低設(shè)備轉(zhuǎn)速，減小功率輸出，可大大節(jié)約能源，達到節(jié)能降耗的目的，同時還能減輕皮帶或磨輥的磨損。由于皮帶機、磨機的負荷經(jīng)常變化，如速度不能變化，既浪費了能源，又增加了皮帶和磨輥的磨損，降低了使用壽命。

4永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用

永磁同步電動機由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其多樣，并有高精度、高可靠性、低損耗等特性，產(chǎn)生了特點和性能各異的許許多多品種。