永磁同步電動機

      永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點。目前，永磁同步電動機已經(jīng)在冶金行業(yè)（煉鐵廠和燒結(jié)廠等）、陶瓷行業(yè)（球磨機）、橡膠行業(yè)（密煉機）、石油行業(yè)（抽油機）、紡織行業(yè)（倍捻機、細紗機）等行業(yè)的中、低壓電動機中獲得業(yè)績，并逐步積累設(shè)計和運行經(jīng)驗。

分類

   按照永磁體結(jié)構(gòu)分類：表面永磁同步電動機（SPMSM）、內(nèi)置式永磁同步電動機（IPMSM）。

   按照定子繞組感應(yīng)電勢波形分類：正弦波永磁同步電動機、無刷永磁直流電動機。

永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)

    永磁同步電動機（英文名稱為permanent mag?net synchronous motor，簡稱PMSM）主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋及定子等各部件組成。永磁同步電動機的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)非常相似，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步電動機的最大不同是在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極，根據(jù)在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置的不同，永磁同步電動機通常被分為表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

   永磁體的放置方式對電動機性能影響很大。表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)—永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，但產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩很小，僅適合于啟動要求不高的場合，很少應(yīng)用。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)—永磁體位于鼠籠導條和轉(zhuǎn)軸之間的鐵芯中，啟動性能好，目前的絕大多數(shù)永磁同步電動機都采用這種結(jié)構(gòu)。永磁同步電動機，其結(jié)構(gòu)見圖1。[] 

永磁同步電動機的工作原理

   永磁同步電動機的啟動和運行是由定子繞組、轉(zhuǎn)子鼠籠繞組和永磁體這三者產(chǎn)生的磁場的相互作用而形成。電動機靜止時，給定子繞組通入三相對稱電流，產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在籠型繞組內(nèi)產(chǎn)生電流，形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子由靜止開始加速轉(zhuǎn)動。在這個過程中，轉(zhuǎn)子永磁磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不同，會產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩。當轉(zhuǎn)子加速到速度接近同步轉(zhuǎn)速的時候，轉(zhuǎn)子永磁磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速接近相等，定子旋轉(zhuǎn)磁場速度稍大于轉(zhuǎn)子永磁磁場，它們相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入到同步運行狀態(tài)。在同步運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流。此時轉(zhuǎn)子上只有永磁體產(chǎn)生磁場，它與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。由此可知，永磁同步電動機是靠轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)啟動的。啟動完成后，轉(zhuǎn)子繞組不再起作用，由永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

工作方式

    發(fā)電機獲得勵磁電流的幾種方式
　　1、直流發(fā)電機供電的勵磁方式
　　這種勵磁方式的發(fā)電機具有專用的直流發(fā)電機，這種專用的直流發(fā)電機稱為直流勵磁機，勵磁機一般與發(fā)電機同軸，發(fā)電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點，是過去幾十年間發(fā)電機主要勵磁方式，具有較成熟的運行經(jīng)驗。缺點是勵磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護工作量大，故在10MW以上的機組中很少采用。

2、交流勵磁機供電的勵磁方式
　　現(xiàn)代大容量發(fā)電機有的采用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發(fā)電機大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整

流后供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁，此時，發(fā)電機的勵磁方式屬他勵磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵靜止勵磁，交流副勵磁機提供勵磁電流。交流副勵磁機可以是永磁測量裝置機或是具有自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機。為了提高勵磁調(diào)節(jié)速度，交流勵磁機通常采用100——200HZ的中頻發(fā)電機，而交流副勵磁機則采用400——500HZ的中頻發(fā)電機。這種發(fā)電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子只有齒與槽而沒有繞組，像個齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉(zhuǎn)動接觸部件，具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便等優(yōu)點。缺點是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。

3、無勵磁機的勵磁方式
　　在勵磁方式中不設(shè)置專門的勵磁機，而從發(fā)電機本身取得勵磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵和自復勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發(fā)電機出口的整流變壓器取得勵磁電流，經(jīng)整流后供給發(fā)電機勵磁，這種勵磁方式具有結(jié)簡單，設(shè)備少，投資省和維護工作量少等優(yōu)點。自復勵磁方式除設(shè)有整流變壓外，還設(shè)有串聯(lián)在發(fā)電機定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時，給發(fā)電機提供較大的勵磁電流，以彌補整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源。 

永磁同步電動機的優(yōu)點

1、損耗低、溫升低

由于永磁同步電動機的磁場是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過勵磁電流來產(chǎn)生磁場而導致的勵磁損耗，即銅耗；轉(zhuǎn)子運行無電流，顯著降低電動機溫升，在相同負載情況下溫升低20K以上。

2、功率因數(shù)高

永磁同步電動機功率因數(shù)高，且與電動機級數(shù)無關(guān)，電動機滿負載時功率因數(shù)接近1，這樣相比異步電動機，其電動機電流更小，相應(yīng)地電動機的定子銅耗更小，效率也更高。而異步電動機隨著電動機級數(shù)的增加，功率因數(shù)越來越低。而且，因為永磁同步電動機功率因數(shù)高，電動機配套的電源（變壓器）容量理論上是可以降低，同時可以降低配套的開關(guān)設(shè)備和電纜等規(guī)格。

3、效率高

相比異步電動機，永磁同步電動機在輕載時效率值要高很多，其高效運行范圍寬，在25%～120%范圍內(nèi)效率大于90%，永磁同步電動機額定效率可達現(xiàn)行國標的1級能效要求，這是其在節(jié)能方面，相比異步電動機最大的一個優(yōu)勢。實際運行中，電動機在驅(qū)動負載時很少以滿功率運行。其原因是：一方面，設(shè)計人員在電動機選型時，一般是依據(jù)負載的極限工況來確定電動機功率，而極限工況出現(xiàn)的機會是很少的，同時，為防止在異常工況時燒損電動機，設(shè)計時也會進一步給電動機的功率留裕量；另一方面，電動機制造商為保證電動機的可靠性，通常會在用戶要求的功率基礎(chǔ)上，進一步留一定的功率裕量。這樣就導致實際運行的電動機，大多數(shù)工作在額定功率的70%以下，特別是驅(qū)動風機或泵類負載，電動機通常工作在輕載區(qū)。對異步電動機來講，其輕載效率很低，而永磁同步電動機在輕載區(qū)，仍能保持較高的效率。

4、其它優(yōu)勢

永磁同步電動機還具有高啟動轉(zhuǎn)矩、啟動時間較短、高過載能力的優(yōu)點，可以根據(jù)實際軸功率降低設(shè)備驅(qū)動電動機的裝機容量，節(jié)約能源同時減少固定資產(chǎn)的投資。永磁同步電動機控制方便，轉(zhuǎn)速恒定，不隨負載的波動、電壓的波動而變化，只決定于頻率，運行平穩(wěn)可靠。由于轉(zhuǎn)速嚴格同步，動態(tài)響應(yīng)性能好，適合變頻控制。永磁同步電動機的安裝外形尺寸符合IEC標準，可以直接替換三相異步電動機，防護等級可以做到IP54和IP55，個別廠家還生產(chǎn)防爆型永磁同步電動機。

設(shè)計和運行中應(yīng)注意的事項

（1）目前發(fā)布的永磁同步電動機能效等級國家標準僅為GB30253-2013《永磁同步電動機能效限定值及能效等級》，適用于1140V及以下的0.55～375kW、2～16極的異步起動三相永磁同步電動機。高壓永磁同步電動機的效率，目前只能參照中國電器工業(yè)協(xié)會標準CEEIA229-2015《TYC系列（IP23）高效高壓永磁同步電動機技術(shù)條件》和CEEIA230-2015《TYCKK系列（IP44）高效高壓永磁同步電動機技術(shù)條件》。

（2）永磁同步電動機的啟動電流倍數(shù)約為9倍，較異步電動機的啟動電流大10%。

（3）永磁同步電動機不能采用降壓啟動方式。因為在降壓供電條件下，其異步啟動轉(zhuǎn)矩下降比異步電動機大，會造成啟動困難。

（4）關(guān)于永磁同步電動機的自啟動特性和系統(tǒng)短路時的反饋電流，不同設(shè)備制造廠的參數(shù)差別較大，且由于相關(guān)數(shù)據(jù)獲取較難，永磁同步電動機的應(yīng)用，對廠用電系統(tǒng)的短路水平和啟動計算校驗帶來一些不確定的因素。