0 引言

同步電動機相對異步電動機而言，有著高功率因素、高效率、轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、定轉(zhuǎn)子間氣隙大、控制性能好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、高轉(zhuǎn)矩/慣量比等，在石油、化工、輕紡、礦山、車輛、數(shù)控機床、機器人、及航空航天等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，正面向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方面發(fā)展。

永磁同步電動機由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子與異步電動機相同，由三相繞組和定子鐵心組成。轉(zhuǎn)子上安裝有預(yù)先磁化（充磁）過的永磁體，不需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場，這既可簡化電機結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能源。本文從永磁同步電動機的特點出發(fā)，接合實際運用來闡述推廣永磁同步電動機的綜合效益。

1 永磁同步電動機的突出優(yōu)點

（1）由于轉(zhuǎn)子采用永磁體制成，因此磁通密度高，不需要勵磁電流，消除了勵磁損耗。與異步電機相比，減少了定子邊繞組的勵磁電流和轉(zhuǎn)子邊的銅、鐵損耗，大幅度減少了無功電流，由于定、轉(zhuǎn)子磁勢同步，轉(zhuǎn)子鐵心無基波鐵耗，因此效率（關(guān)系有功電能）和功率因素（關(guān)系無功電能）都比異步電動機高。永磁同步電動機一般設(shè)計得即使在輕載運行時功率因素和效率也較高，圖1為某臺永磁同步電動機與同規(guī)格異步電動機效率和功率因素的比較曲線。從電機的負(fù)載變化看， 稀土永磁同步電動機可以在25%～120% 額定功率的范圍內(nèi)保持高功率因數(shù)和高效率狀態(tài)下運行，而一般三相異步電動機通常只能在60%~100% 額定功率保持一種較高性能工作。

（2）永磁同步電動機轉(zhuǎn)速與頻率維持嚴(yán)格不變的的固定關(guān)系，與異步電動機負(fù)載運行時有較大的轉(zhuǎn)差率不同，永磁同步電動機具有較硬的機械特性，對于因負(fù)載變化引起的電機轉(zhuǎn)矩擾動具有較強的承受能力。永磁同步電動機轉(zhuǎn)子鐵心可做成鏤空結(jié)構(gòu)以減少轉(zhuǎn)子慣量，而且永磁同步電動機的啟動、制動時間都比異步電動機快很多，高轉(zhuǎn)矩/慣量比使得永磁同步電動機比異步電動機響應(yīng)更快。

圖1兩種電機效率和功率因素比較

（3）永磁同步電動機的尺寸較異步電動機大大減小，重量也大為減輕。同樣散熱條件和絕緣材料的永磁同步電動機比三相異步電動機功率密度大2倍以上。設(shè)備占地面積小，有效減少成本。

（4）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大大簡化，便于維護，提高了運行的穩(wěn)定性。

交流永磁伺服電機，其轉(zhuǎn)子上的磁鋼與鐵心通常采用高溫膠粘接在一起，膠水固化時間一般比較長，增加了生產(chǎn)周期和成本，并且電機在運轉(zhuǎn)過程中，磁鋼在溫度變化、沖擊力等的反復(fù)作用下，有變形乃至脫落的風(fēng)險。為解決定這一技術(shù)難題，有些廠家將磁瓦膠粘工藝改為由不銹鋼套機械緊固的方式，如圖2所示，完全消除了磁鋼松脫的風(fēng)險。

a) 正面

b) 測面

圖2 永磁同步電動機轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)

三相異步電動機由于要設(shè)計較高的功率因素，就必需把定轉(zhuǎn)子間的氣隙做的很小，同時氣隙的均勻性對電機的安全運行和振動噪聲也至關(guān)重要，對此異步電動機對零部件的形位公差和裝配同心度的要求就相對嚴(yán)格，對軸承游隙選擇的自由度也比較少，較大機座的異步電機通常使用油浴潤滑方式的軸承，必需在規(guī)定的工作時間內(nèi)加注潤滑油，油腔漏油或加注不及時都會加速軸承失效，在三相異步電動機維修中，軸承的維護占了很大的比例。另外由于三相異步電動機轉(zhuǎn)子有感應(yīng)電流的存在，軸承的電腐蝕問題也在近幾年被很多研究者所關(guān)注，永磁同步電動機則不存在此類問題。永磁同步電動機由于氣隙較大，以上異步電動機氣隙小而引起的相關(guān)問題在同步電動機上表現(xiàn)的并不明顯，同時永磁同步電動機的軸承采用帶防塵蓋的脂潤滑軸承，軸承在出廠時已封入了適量的優(yōu)質(zhì)潤滑脂，可終生免維護。

2 永磁同步電動機的典型應(yīng)用

2.1 電液伺服注塑機應(yīng)用方案

傳統(tǒng)注塑機使用三相異步電動機帶定量泵，注塑機工作過程中，電機需要長期連續(xù)運行。通過伺服油泵驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能改造，永磁同步電動機的快速響應(yīng)和大啟動轉(zhuǎn)矩，可以在注塑機需要完成注塑成型時才啟動永磁同步電動機帶動油泵產(chǎn)生壓力，在下料和合模的過程中，油泵主電機則處于停機狀態(tài)，實現(xiàn)了間歇零功耗，通過對比節(jié)能率最高可達(dá)85% 。

在優(yōu)異的伺服電機算法控制下，噪音大大低于普通注塑機。在配置低噪聲螺桿泵的理想狀態(tài)下，注塑機整機噪音低于70 分貝。實現(xiàn)靜音運行，改善工作環(huán)境。

2.2 鐵礦干選機上的節(jié)能應(yīng)用

使用現(xiàn)場為西北某采礦場，多粉塵環(huán)境。該設(shè)備共使用125臺電動機，揚卷設(shè)備啟動時需要有較大的啟動力矩，而正常作業(yè)時電動機長期運行在30%～50%額定功率的輕載狀態(tài)，原先使用的三相異步電動機其效率僅為65%左右，功率因數(shù)為0.4～0.6 左右，造成嚴(yán)重的能源浪費，選用永磁同步電動機，節(jié)能效果非常明顯。節(jié)電測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。圖3是替換前后的現(xiàn)場照片。

表1  125臺永磁同步電動機與高效三相異步電動機節(jié)電參數(shù)對比

a) 變頻三相異步電動機

b) 永磁同步電動機

圖3永磁同步電動替換異步電動機在鐵礦干選機上的使用

3 用戶較關(guān)心的幾個問題

3.1 電機壽命

同步電機采用耐用的編碼器作為角度測量器件，能滿足電機高精度控制要求。在控制精度稍低，無過載要求的條件下使用，可以采用無傳感器矢量控制方式，節(jié)約角度測量裝置的成本。整個電機的壽命取決于軸承的使用壽命，電機外殼一般采用IP54的防護等級，特殊環(huán)境下可以提高至IP65，能滿足大部分粉塵和潮濕環(huán)境的使用要求。在保證電機軸伸安裝同軸度較好，轉(zhuǎn)軸徑向載荷適量的情況下，電機軸承最少使用壽命在2萬小時以上。其次是散熱風(fēng)機的壽命，風(fēng)機采用的是單相220V罩極馬達(dá)，使用壽命比電容運轉(zhuǎn)電機長。在粉塵潮濕環(huán)境下長期運行時，需定期清除風(fēng)機上附著的粘性物質(zhì)，以防止風(fēng)機因負(fù)荷過重而燒毀。

3.2 永磁材料的失效與防護

永磁電機的發(fā)展是與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)的，進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異的磁性材料特別適合于制造電機，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低，使得永磁電機的研究和使用取得了飛速的發(fā)展。

永磁材料對永磁電機的重要性不言而喻，其成本占整臺電機材料成本近1/4以上。對此我司還專門對永磁材料制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中重點包含耐腐蝕、一致性、高溫退磁試驗、線性退磁曲線試驗等內(nèi)容。現(xiàn)在的永磁材料已能在電機繞組極限允許溫升下長時間運行，退磁率在2%以內(nèi)。常規(guī)的永磁材料要求表面鍍層承受大于24小時的鹽霧試驗，對氧化腐蝕較嚴(yán)重的環(huán)境，用戶需聯(lián)系廠家選用防護技術(shù)更高的永磁材料。

3.3線圈燒壞

傳統(tǒng)的異步電機線圈燒壞故障率高達(dá)8%以上，主要與電機的熱保護和電工材料的品質(zhì)有關(guān)。傳統(tǒng)的異步電機幾乎沒有熱保護元件，追求產(chǎn)量的廠家在電機絕緣處理環(huán)節(jié)也是大打折扣，維修后的電機，絕緣處理更加薄弱。永磁同步電動機可在線圈內(nèi)埋有熱敏元件，當(dāng)線圈溫升達(dá)到F級絕緣極限溫升105K時，驅(qū)動器通過熱敏元件采集的溫度信號對電機實行過熱保護，確保電機安全運行，同時電機定子采用兩次真空浸漆工藝，大大提高了定子合格率。

4 結(jié)語

從經(jīng)濟效益分析：永磁同步電動機特別適合重啟動輕運行的使用場合，推廣使用永磁同步電動機具有積極的經(jīng)濟效益和社會效益，對節(jié)能減排意義重大。在可靠性和穩(wěn)定性方面，永磁同步電動機也具有可貴的優(yōu)勢。