完整版永磁电机研究doc.docx

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　前不久，国家财政部、国家发改委联合出台《关于印发节能产品惠民工程高效电机推广实施细则的通知》，表示将通过加大财政补贴等方式推广高效电机。

据悉，这是继去年10月两部委将高效电机纳入节能产品惠民工程实施范围，采取财政补贴方式进行大力推广后，“政策即将落地的表现”。

　　据了解，2011年全国高效电机的推广任务是3177万千瓦，约占全年国内电机销售量比重的30%，其中低压高效电机2000万千瓦、高压高效电机1000万千瓦、稀土永磁电机177万千瓦。

　　两部委通知提出，生产企业是高效电机推广的主体，中央财政将补贴资金拨付给高效电机生产企业，由生产企业按补贴后的价格销售给水泵、风机等成套设备制造企业。

同时，要求申请推广企业的低压三相异步电机和高压三相异步电机年推广量不少于30万千瓦，或稀土永磁电机年推广量不少于1万千瓦。

因此，推广任务分别由湘潭电机、卧龙电气、南阳防爆等50家电机生产企业承担。

　　目前，工业用电占据我国社会用电的“大头”，而电机耗能在工业用电中又占据主导地位。

统计数据显示，我国电机系统总容量约7亿千瓦，但高效电机占比尚不足3%。

　　为使电机推广“立竿见影”，财政部和发改委决定加大对高效电机的财政补贴力度。

其中，低压高效电机根据功率档次每千瓦分别补贴58元和31元；高压高效电机每千瓦补贴26元；稀土永磁电机每千瓦补贴100元。

同时，两部门还决定，新上项目必须全部使用高效电机等节能设备和产品。

　　而在去年6月出台的《关于印发节能产品惠民工程高效电机推广实施细则的通知》中，电机的补贴为每千瓦12-60元之间，今年与去年相比增长近一倍。

　　财政部副部长张少春表示，为加快推广应用高效电机，我国将抓紧建立以财政补贴政策为核心的高效电机推广机制，其中财政补贴力度将进一步加大，鼓励用户大规模采购高效电机，并加快淘汰高能耗老旧电机。

　　东莞市五金机电商会有关负责人告诉本报记者，由于目前政策倾向于补贴源头企业，市场推广具有明显的“引导性”，通过上游补贴中下游，从而将高效电机推广“遍地开花”。

　　意义

　　效率提5%可节电一个三峡

　　事实上，目前市场上电机过于耗能与低效，也是国内出台高效电机补贴的重要原因。

据一份《电动机调速技术产业化途径与对策的研究报告》显示，我国发电总量的66%消耗在电动机上，去年年底电动机总装机量约为7.62亿千瓦，但高效电机市场不足3%，电机拖动系统拖动整体运行效率比发达国家低20%。

　　根据欧洲制定有关标准，电机效率分为IE1（最低）、IE2、IE3、IE4（最高）四个等级。

但据国家中小电机质量监督检验中心对国内重点企业198台电机的抽样调查，其中达到2级以上的高效节能电机比例只有8%。

这对整个社会资源产生了极大的浪费。

　　业内专家指出，提高电机运行效率主要可通过两个途径，一是通过变频器调速，改善交流电机的运行效率；二是使用高效电机。

目前来看，通过财政杠杆手段撬动电机使用市场可操作性强一些。

　　据介绍，与普通电机相比，高效电机通过采用优质材料并且优化设计，能耗要平均下降20%左右，超高效电动机则比普通电动机少损耗30%以上的电能。

价格方面，目前市场上高效电动机价格较普通电动机要贵15%-30%左右，但根据耗电量来计算，高效电机高于普通电机的投资额在2年内即可收回。

　　通常情况下，使用高效节能电机可提高3%-5%左右的效率，其中稀土永磁电机的效率甚至可以提高10%以上。

有机构做过计算，如果将所有电动机效率提高5%，则全年可节约电量达765亿千瓦时，这个数字接近三峡一年的发电量。

　　国家发展改革委副主任解振华表示，目前我国电机年用电量超过2万亿千瓦时，约占全国用电量的60%。

大力推广高效节能电机、推进节能减排，对于完成“十二五”期间单位GDP能耗下降目标，保障国家能源安全意义重大。

　　问题

　　细则尚需继续完善

　　根据通知规定，申请推广企业要求在国内低压三相异步电机和高压三相异步电机年推广量不少于30万千瓦，或稀土永磁电机年推广量不少于1万千瓦。

而大部分企业对此表示，这相当于为企业申请设置了较高“门槛”。

　　业内人士透露，电机销售渠道主要有以下几部分，终端用户约占5%，代理商约占15%，下游产业的机械设备配套商约占80%，渠道分散使推广量遭到分化。

　　而针对“年度终了后30日内，推广企业提出年度补贴资金清算报告，逐级上报财政部”，业内人士也表示由于周期太长，加上企业在国内推广的产品利润太低，担心企业资金不能及时回笼。

　　根据国际铜业协会调查数据，目前国内生产高效电动机厂商只占到规模以上企业的12%。

在高效电动机潜在生产厂商中，近30%的厂商表示会在1至2年内生产高效电动机，有41%的企业表示要在3至5年内生产，但仍有不少企业暂无生产高效电动机计划。

　　据了解，为使电机更加高效与节能，早在2006年12月，国家标准化管理委员会发布了强制性标准《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价》，文件规定，低于三级能效的电机禁售，并设定四年过渡期，2011年7月1日以后，将禁售三级能效电机，这意味着2012年以后高效节能电机将全面取代传统高能耗电机。

　　然而，强制性标准并没有取得“理想中的效果”。

中国节能协会常务副秘书长宋忠奎表示，强制性标准的强制性不在于标准的本身，而在于标准的执行，应明确由哪个部门负责实施，相关的规定也要细化并具备可操作性，否则，强制性就无从谈起。

　　业内专家认为，目前符合补贴条件的企业只有数十家，并且企业能否通过补贴在节能电机方面马上盈利，还是个未知数。

如果要让高效电机“遍地开花”，进一步扩大补贴范围，完善补贴细则势在必行。

市场前景

尽管我国2007年发电机装机容量已达到7.1329亿kw，发电量32086.86亿kwh，但由于我国国民经济连续20多年的高速发展，供电状况仍然非常紧张，不少地区仍要拉闸限电。

32086.86亿kwh发电量中，水电只占4343.25kwh（13.54%），核电621.3kwh（1.94%），而占27012.56亿kwh（84.19%）仍然是热电。

燃烧的煤向大气中排放CO2SO2NOX，造成温室效应和酸雨，影响我们生存的环境。

况且我国是化石能源贮量较少的国家，煤的藏量占世界第3位，石油和天然气只占世界第10位。

如用13亿人口来计算，只是世界人均1/20。

见表1、表2。

因而节约能源是大势所趋、是基本国策。

椐统计，全国发电量的60%通过电机转换能量，。

在“十一五”规划中，把电机系统节能放到重要位置。

电机系统节能主要二个方面，一是节能电机，如永磁同步电机，二是电机调速节电。

变频调速体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简单，便于通信等功能优于以往任何调速方式，使用它除优质、增产、降耗外，还大量节电。

变频器可以从四个方面节电。

第一，软启动，一般交流电机的启动电流为电机额定电流的6-7倍，变频调速后启动电流不超过电机的额定电流。

第二，节省设计冗余，一般设计都按照使用时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的余量很大，形成大马拉小车，变频调速可以把冗余节省下来。

第三是调速节电，按流体力学原理，轴功率正比速度3，转速下降，轴功率变小，这是变频调速的主要节电原理。

第四是系统功率因数高，一般在0.95以上，节省无功，减轻了变压器的负担。

目前在工程上常用的伺服电机主要有感应异步电机（InductionMotor）和永磁同步电机（PermanentMagneticSynchronousMotor）两种。

由于永磁交流伺服系统在转矩波动、调速范围、损耗和效率等方面都有明显的优势，随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛[1]。

永磁同步电机较感应异步电机主要有以下优点：

（1）永磁同步电机结构简单，重量轻，体积小，应用范围更为广泛。

例如10Kw的异步电机重量为220kg，而永磁电机仅为92kg，相当于异步电机重量的45.8%。

（2）永磁同步电机转子为永磁体，无需励磁，因此减少了定子电流和定子电阻的损耗，电机效率更高。

　　（3）永磁同步电机具有较低的惯性，转矩一定，响应速度快，即转矩/惯性比高，无转子损耗和发热现象，能源利用率高。

　　（4）随着新型永磁材料铷铁硼的大量使用，使得转子永磁体的剩余磁密，矫顽力，最大磁能积等性能有了很大的提高，在提高电机性能的同时减小了电机的体积。

随着铷铁硼永磁材料的发展，永磁同步电机的应用会越来越广泛

TYBZ稀土永磁同步电机的应用和推广已近十年。

随着变频技术的日趋完善，实现机电一体化，其优点已越来越明显。

TYBZ稀土永磁同步电机结合我国稀土元素丰富的特点，采用高性能稀土永磁材料作为同步电机转子的，使电机的运转效率和功率因数大幅度提高。

该电机具有调速精度高，调速比大，输出特性硬，运转平稳。

开环控制提高了系统的可靠性，降低了系统成本，从而大大提高了各行业产品的制造工艺。

尤其是电机的恒转矩输出和转速不随负载波动的特性。

通过变频器有效控制，可使其输出转速保持恒定，在某些机械传动中去掉减速器，这无疑给整个机械制造带来一场新的革命。

近五年来，稀土永磁同步电机和变频控制实现机电一体，已被广泛应用于机械、石油、冶金、建材、食品、印刷、包装、造纸、造船、塑料、纺织化纤、军工等行业。

自95年以来，分别为全国化纤、造纸、浮法玻璃、印刷机械、光缆设备等上市公司、国家垄断行业所生产的设备所配套。

同时在石化行业（安庆石化、金山石化）永磁同步电机替代了进口大型设备中的同类电机。

但是变频器对永磁同步电机的控制要比普通电机复杂的多，因此国外不少变频器供应商已和永磁同步电机供应商合作，根据电机的压频比曲线，生产操作简易的专用变频器。

在和这些专用变频器实现机电一体中，我们做了一些工作，为此在这里将展开讨论，以便让变频器供应商对永磁电机有进一步的了解。

一、国内外同步电机的概况

美国GE公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁同步电动机，德国西门子公司自五十年代开始经过十年多，研究出各种不同用途、性能良好的永磁同步电动机，七十年代后期就生产出了30千瓦的电机。

日本明电舍公司在六十年代后期就已有永磁同步电动机的系列产品供应。

日立公司在七十年代就研制出高速的永磁同步电动机。

我国自七十年代后期也陆续研制出多种结构的永磁同步电动机。

同步电动机的特点和分类：

交流同步电动机，它的特点是电动机的转速与电源频率完全成正比。

Ns=60f/p（rpm）式中：

f:

电源频率P:

极对数Ns:

同步转速

而交流异步电动机，它与同步电动机的区别在于：

转速与电源频率不成正比，其转速始终比同步电动机还要低，叫转差率。

N=（1-s）ns（rpm）s=（ns-n）/ns*100%

同步电动机按其结构不同可分为：

磁阻式同步电动机；磁滞式同步电动机；永磁式同步电动机。

1、磁阻式同步电动机

电动机的定子与异步电动机无多大出入。

不同之处在于转子片的形状。

见图

（1）。

为了使电机能自起动，转子片与异步电机转子片一样具有鼠笼结构。

但多了反应槽部分。

开反应槽的目的是造成纵向磁阻和横向磁阻的差别。

磁阻差别越大反应转矩就越大。

一台设计优越的磁阻电动机的功率可比同样异步电动机大一个机座号。

[img]200682111393072014.jpg[/img]

2、磁滞式同步电动机

电机的定子部分与一般的异步电动机无多大区别，而转子结构有其特点，见图

（2）。

它的转子结构由非磁性材料制成。

在其表面套上一磁滞环构成.一般磁滞环采用的材料为络钢、钴钢等。

在旋转磁场中磁场滞环被磁化后，由于环的磁滞特性，使环磁通中滞后定子磁势轴一个角度,并产生相应的转矩，由于这个关系，从零至同步转速都不变，所以转矩T是恒值的。

磁滞同步电动机从启动到正常工作过程中，基本与一般异步电动机性能相似，有较小的起动电流和空载电流。

工作也很平稳，但它一般适用于较小功率的电机。

3、永磁同步电动机

永磁同步电动机的种类很多，用量也非常大。

如转子由永磁环，经多极充磁后制成，定子由带齿的磁极加上集中绕组构成，其功率都很小。

目前大量使用在家用电器中。

工业用永磁同步电动机的功率都比较大，它的结构与异步电动机结构相近。

电机的定子部分与一般的异步电机无多大不同，其转子结构与异步电机的转子区别是多了一套永磁体。

也即：

在磁阻同步电动机的转子的反映槽中放入永久磁铁，就成了永磁同步电动机了。

永磁同步电动机具有良好的控制性能，可通过频率的变化进行调速。

永磁同步电机就其使用不同的永磁体，其性能特点有很大区别。

用铁氧体永磁材料制造的同步电动机。

这类电动机研制的年代最早，因此使用也最长久，它的特点是：

a.由于铁氧体永磁材料的价格较低，因此此类永磁同步电动机的价格相应的也较便宜。

b.由于铁氧体永磁材料的磁能积比较低，磁场强度很小，用铁氧体制造的同步电动机的体积相对就比较大，特别是制造大容量的电动机的较困难。

但此类电机的起动电流比异步电机大不了多少。

1、用金属永磁体制成的永磁同步电动机，总的来说比用铁氧体永磁材料制成的永磁同步电动机要优越些。

2、用稀土永磁材料制成的永磁同步电动机，稀土永磁材料具有很高的磁能极，而且它的剩磁也特别高，用这类材料制成的永磁同步电动机具有很多优越性。

除前面介绍的优点外，可缩小体积，提高工效。

二、永磁同步电动机和变频控制配合曲线

稀土永磁同步电动机由于应用了高磁能积的永磁材料，其电动机的运行过程将比异步电动机具有不定的特性，该电动机一般也制成与异步电动机相似的电动机，即电动机的定子与异步电动机一样，转子、高磁能的永磁材料。

电机在起动过程中，其起动电流将比用铁氧体永磁同步电动机大，比异步电动机起动更大。

原因是在起动过程中永磁体将发出电机的能量，电机起动时，不但消耗异步电机起动时的能量（产生空载起动电流），还将克服发电机的能量，因此它的起动电流是很大的。

永磁磁能级越高，转子用的永磁材料体积越大，电流也更大。

因此对稀土永磁同步电动机在起动过程中必须要有足够大的电流（一般比同容量异步电动机大2-3倍），但一旦达到稳定工作状态（异步电动机在稳定工作状态下，转子将从定子中取得一定的电能来维持正常工作----鼠笼有短路电流），其永磁转子不从定子取得电能，而是依靠永磁磁场，紧跟定自旋转磁场旋转。

1、电机的压频比

永磁同步电动机与变频器的配合中，关键是个压频比的问题。

通用变频器根据不同的电机特性可以设置不同的压频比。

例1、佛山化纤厂项目：

98年我公司通过巴马格公司为佛山化纤厂投产的专丝项目中配套的计量泵电（210-6），变频控制是东丽公司明电舍的专用变频器。

双方通过第三方牵头合作，所以没有及时沟通，在配合过程中碰到了一些问题。

从图（3）中，我们可以看到日本专用变频器不能电压提升，双方均未按照约定压频比曲线C，电机不能按照自己的运行曲线运行，从而便得出一条A曲线，无法工作。

但电机对磁钢修改后，压频比曲线B比较按照约定曲线C，此时专用变频器在读写曲线时稍作余量，则会顺利配合，达到满意的效果。

[img]200682111403040677.jpg[/img]

[img]20068211141655833.jpg[/img]

例2、福州永安项目：

该项目分两批，其中17台中的磁钢结构采用经向切入法，该批中的两台电机（机号为：

297、285），其电机特性曲线如图

（4）。

这次的配合严格按照约定的压频比曲线，所以整个项目开较为顺利。

表<3>（167-6-97）51台电机中抽其中2台测试（用上海钳形表）

1998年12月14日

[img]200682111415741891.jpg[/img]

[img]200682111424295982.jpg[/img]

2、电机与变频器配合问题的分析任何一台电机都有自己的运行曲线，若当电机不在自己的运行曲线下，电机将发生下列现象：

（1）、不能启动；

（2）、电流增大；

（3）、噪音；

（4）、振动；

（5）、温升过高。

引起电机的振动有二种情况：

固有的机械振动和电流引起的谐波振动。

如上所述，佛山项目中由于力矩没有提升到应有的位置，用日本的变频测试器测出一条怪曲线，见图（3）中的A曲线。

或

许相当一部分同志会误解为质量问题，而真正原因是双方的沟通不够。

没有按图所定的确曲线要求。

永磁同步电机（TYBZ1100-8）在出口至伊朗等国家的浮法玻璃生产线时，在出厂时对每一个频点进行了检测，一切都按图（5）特性曲线正常进行但在整机调试中未调试到它的应有曲线却发生振动、噪声、电流增大等现象。

由于该电机配套的是通用变频器，经过调试最后终于找到电机的最佳运行点。

三、与专用变频器配套的几点体会

自中源公司生产永磁同步电动机以来，与国内外各大变频器供应商配套多年，没有发生什么问题。

随着变频控制技术的发展，企业采用专用的变频调速芯片后，在电机的配套上有些矛盾就显露出来了。

有些问题通过控制方和电机方的协调可以得到有效地解决。

在实际制造中能否按约定的电机特性曲线，这是比较关键的。

中源公司通过佛山、海欣、福州等项目的配合，我们的体会有以下几点：

1、双方必须有一个严格约定的可行的电机参数，而这一参数，最好先由电机方根据满足整机的设计要求而提出电机的特性参数，然后交给控制方。

2、电机功率的余地双方都不能放得太大。

我们对一些进口的同步电机作了一些对比试验，发现国内的同步电机的优点：

功率的余量大，磁钢的磁能级高，温升低，但启动困难。

而进口的同步电机，功率余量小，易退磁。

由于用铁氧铁材料

所以启动方便，但升温高。

3、必须用统一的计量工具。

在海欣项目中，我们发现了这一问题，在出厂试验用SAKEN的变频器册电机是符合曲线要求的。

而到现场后，由于所用的变频器不一致，导致电机的电流普遍增大，这是由于计量的工具不一致所造成的。

4、变频器容量的选择

一般来说，我们使用多大功率的电机，就得配上多大功率的变频电源，这是无可置疑的。

但是稀土永磁同步电机的起动特性是很复杂的，至今尚无比较权威的计算理论资料。

从特性分析：

首先由于电机的转子表面具鼠笼装置，要依靠转子的鼠笼对电机进行通电后的自启动。

因此，在启动过程中具有典型的异步电动机的特性。

第二，由于转子内放置有相对的永磁体，如果我们将转子旋转起来,电机的定子发出电来，即成为发电机。

而永磁同步电动机在启动过程中存在发电机的效应，因此，为了让永磁同步电机启动运转起来，必须要克服发电效应的阻力矩，电动机才能启动，也就是说要消耗更多的空载功率才能达到。

因此说永磁同步电动机比异步电动机启动要困难得多，消耗的电功率大的永磁体越多，消耗的电功率也越大，所以永磁同步电动机在启动过程中必须要有比较大的电流才行。

它的启动电流一般是异步电机的1-4倍左右。

永磁同步电动机的永磁转子，其磁场的分布是比较复杂的，在不同频段下，可能产生不同的高次波，如果此高次波与异步电动启动过程中产生的高次波叠加，在此情况下，反映在电流的大小上，其电流值一般将大于额定电流值，这种大电流往往就影响变频电源的最大工作电流的选择。

当前我们希望用户在使用稀土永磁同步电机时选择变频器要求比异步电动机大一号，就是此原因。

特别是与我们稀土永磁同步电机配套的专用变频器，在电流的设计上希望过载电流的倍数越大越好（2倍或2倍以上），这是我们对变频器供应商的要求。

就稀土永磁同步电动机而言，如何在结构上有所改进，让电机在启动过程中尽量减少高波次，是我们采用幅式永磁分布，将一个比较有效的措施。

也得到了较好的效果。

同时，我们希望在国内找到一家变频器供应商，实现真正的机电一体化，更好地为国内各设备制造商和用户服务。

现有双速YBSD-200/100-4/8电机的性能参数：

机壳外径650，估计定子外径590；整机长1416mm，估计定子铁芯长700mm左右；额定电流123/86A、电压1140V、效率93/90、功率因数0.89/0.69、堵转转矩倍数1.9/1.9、电流倍数6.5/4.5、最大转矩倍数2.4/1.6；

现要求做成变频一体化永磁同步电动机，两种方案；一.基频50HZ、4P、200KW一体化电机；二.基频20HZ、8P、200KW一体化电机；要求外形尺寸径向外形尺寸不比双速电机的大，并且要求堵转转矩2.4上，并且硬特性好；