低速永磁同步電動機應用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

介紹了永磁同步電動機的特點、工作原理及其應用優(yōu)勢，指出因其高效節(jié)能，簡化傳動系統(tǒng)，在不久的將來必有廣闊的應用前景。

【關鍵詞】永磁同步 電動機 低速大扭矩 高效節(jié)能

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類社會對能源的需求也日益增加，石油、煤炭等不可再生資源也日益枯竭，能源緊張也成為了全球共同關注的話題，黨的十六屆五中全會強調(diào)，要加快建設資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會。同時，國家也提出了推廣變頻永磁電動機技術的要求，在這種背景下，低速永磁同步電動機技術也日益成熟，廣泛運用到了各個行業(yè)中。

2 低速永磁同步電動機的特點

永磁同步電動機與傳統(tǒng)感應電動機工作原理基本相同，都是由定子產(chǎn)生磁場帶動轉子，其不同之處在于低速永磁同步電動機由永磁體勵磁替代了傳統(tǒng)感應電動機的電勵磁。永磁同步電動機具有低速大扭矩、結構簡單、功率因數(shù)高、效率高、體積小、噪聲低、可靠性高等顯著優(yōu)點。

低速大扭矩、結構簡單。與傳統(tǒng)電動機相比，低速永磁電動機的氣隙磁場是有永磁體產(chǎn)生的，加上永磁體形狀及磁路設計的多樣性，這樣就可以簡化電動機結構，根據(jù)需要靈活設計電動機的外形尺寸。傳統(tǒng)感應電動機在起動時存在最小轉矩，通常來說其最小轉矩倍數(shù)小于1，而低速永磁同步電動機是變頻起動，在起動時無最小轉矩倍數(shù)的限制，只要負載所需起動扭矩小于最大轉矩，都可以順利起動。在某些領域，傳統(tǒng)感應電動機低起動轉矩的特性，使其在選型時不得不提高電動機功率來增大起動轉矩，以永磁同步電動機設計轉速100rpm為例，由公式

可知，相同功率的低速永磁同步電動機與傳統(tǒng)4P電動機相比，其起動扭矩是傳統(tǒng)電動機的15倍。

效率、功率因數(shù)高。傳統(tǒng)感應電動機因存在定子電阻和定子電流損耗，穩(wěn)定運行時風磨耗也占據(jù)一定比例，這些因素限制了功率因數(shù)的提高；低速永磁同步電動機在運行時不產(chǎn)生無功勵磁電流，且風磨耗、雜耗、機械耗等損耗都低于傳統(tǒng)感應電動機，這些因素都使永磁同步電動機的效率、功率因素高于傳統(tǒng)感應電動機。大量統(tǒng)計表明，就效率而言，同規(guī)格永磁電動機比傳統(tǒng)感應電動機提高了2～8%。圖1是低速永磁同步電動機和傳統(tǒng)感應電動機不同負載下的效率、功率因數(shù)曲線，從圖中可以看出，低速永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率，而傳統(tǒng)感應電動機在低負載率或者高負載率時效率、功率因數(shù)同額定負載率相比下降很多，在低負載率時下降尤為明顯。低速永磁同步電動機這種高效率、高功率因數(shù)的優(yōu)點是傳統(tǒng)感應電動機所不具備的。

體積小。對于傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)，尤其是末級傳動需要較低速度時，一般需要異步電動機加減速機或者是異步電動機加2～3級皮帶輪減速來實現(xiàn)，這種機構體積龐大且笨重，不僅增加了設計成本，在設備安裝方面也占據(jù)了大量的空間。而低速永磁同步電動機直驅系統(tǒng)的體積和重量通常不到傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)的一半，加上可以靈活設計永磁電動機的結構，在設備的安裝、調(diào)試等方面要求大大降低。

噪聲低，運行平穩(wěn)。應用低速永磁同步電動機的直驅系統(tǒng)取消了減速機、皮帶輪等機械減速裝置，消除了齒輪嚙合或皮帶輪傳動時的噪聲，系統(tǒng)高速運轉時由于各個部件中間不平衡帶來的噪聲、震動大大降低。

可靠性高。機械減速傳動裝置的取消，消除了中間傳動環(huán)節(jié)的機械故障，同時，由于設備磨損、機械變形、零部件松動等帶來的潤滑油泄露問題也不復存在，大大提高了傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖1所示。

3 低速永磁同步電動機應用現(xiàn)狀

自1831年科學家巴洛發(fā)明世界上第一臺永磁電動機以來，各國的科技工作者一直在探索永磁同步電動機的發(fā)展，但由于永磁材料性能的限制，一直停滯不前。二十世紀三十年代以來，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體材料的先后出現(xiàn)，永磁材料的性能得到了很大的提升，用永磁體做成的電動機也不斷的出現(xiàn)在軍事裝備、工業(yè)生產(chǎn)設備、日常家電等領域。但是，由于鋁鎳鈷和鐵氧體材料矯頑力偏低、剩磁密度不高等缺陷，永磁電動機性能并沒有達到預期效果，加上當時永磁電動機成本較高，在一定程度上限制了永磁電動機的發(fā)展。1983年，銣鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現(xiàn)，極大的提高了永磁材料的各項性能，且加上價格相對便宜，加快了國內(nèi)外對永磁電動機研究的步伐，研究的重點也逐漸的轉移到了工業(yè)裝備自動化和日常生活領域。隨著科學工作者對永磁材料研究的不斷深入，永磁材料的電磁性能、耐高溫性能也在不斷的提升。同時，伴隨著電力電子控制技術的發(fā)展，與傳統(tǒng)電勵磁電動機相比，永磁電動機高效節(jié)能的優(yōu)勢更加明顯，低速永磁同步電動機也朝著大功率化、高轉矩化、微型化、智能化等多個方向發(fā)展。

目前，由于低速永磁同步電動機低速大扭矩、體積小、輸出平穩(wěn)、高效節(jié)能等優(yōu)點，已經(jīng)在很多方面作為驅動裝置得到應用，如電動車輛、煤炭開采、石油開采、冶金、電梯等領域。在電動車輛方面，日本已將其用于低地板式電動車、獨立車輪式電動車上；德國、法國也將永磁同步電動機用于高速列車組和低地板車；在煤炭、石油、冶金、港口起重等工業(yè)裝備自動化領域，低速永磁同步電動機在保證高性能、高效率、高精度需求的同時，省去了傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)中的機械減速裝置，已經(jīng)成功得到應用；在電梯曳引機上，由于低速永磁同步電動機可以實現(xiàn)無需機械減速裝置的直驅運行，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動機作為動力源，美國奧迪斯公司研發(fā)的GEN2系統(tǒng)也廣泛采用了永磁無齒輪曳引機技術。

4 低速永磁同步電動機的發(fā)展趨勢

目前來看，去除減速機、多級皮帶輪等機械減速裝置，采用低速永磁直驅系統(tǒng)，更能夠充分發(fā)揮低速永磁同步電動機的優(yōu)勢。低速永磁同步電動機作為驅動系統(tǒng)動力提供者，正向著專用化、高性能化、輕型化、機電一體化等等方向發(fā)展。

4.1 專用化發(fā)展

在工業(yè)生產(chǎn)領域，有很多設備需要減速機等機械減速裝置來減速進而驅動負載，這就需要電動機行業(yè)技術人員仔細分析其負載特性，專門設計一種性能優(yōu)良、運行可靠且價格合理的低速永磁同步電動機，來替代傳統(tǒng)傳動裝置。據(jù)統(tǒng)計，有些專用低速永磁同步電動機節(jié)電率可以達到20%左右，如油田用到的抽油機電機、泥漿泵電機，陶瓷行業(yè)用到了陶瓷球磨機電機等。

4.2 高性能方向發(fā)展

隨著工業(yè)的發(fā)展，對電動機的要求不僅僅是簡單的提供動力，而是提出了各種各樣的性能要求。如航空航天領域要求具備高性能同時，還要具備高可靠性；化纖行業(yè)、數(shù)控機床、智能加工中心等設備要求電動機具有高調(diào)速精度。

4.3 輕型化方向發(fā)展

由于安裝空間、攜帶等方面的因素，都對永磁同步電動機提出了重量輕、體積小的要求。如地下煤礦開采、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、船舶推進、便攜式機電一體化產(chǎn)品等都有這方面的要求。

4.4 機電一體化方向發(fā)展

高性能的永磁電動機是實現(xiàn)機電一體化的基礎，電力電子技術、微電子控制技術和永磁同步電動機技術的結合催化出了一批新型且性能優(yōu)異的機電一體化產(chǎn)品。

5 結語

我國具有豐富的稀土礦產(chǎn)資源，且對以稀土作為原材料的永磁材料和永磁電動機技術研究都已位列世界先進水平，充分發(fā)揮這種優(yōu)勢，加快低速永磁同步電動機技術的研究和推廣，對加快我國經(jīng)濟建設具有十分重要的意義。低速永磁同步電動機較傳統(tǒng)電勵磁電動機在性能上有很大優(yōu)勢，但目前在我國工業(yè)領域并沒有得到廣泛應用，其市場還正處在推廣階段。相信隨著永磁材料技術的發(fā)展、電力電子和驅動裝置技術的進步，以及人類社會環(huán)境保護意識、能源問題社會意識的提高，在不久的將來，低速永磁同步電動機作為動力的驅動裝置會慢慢滲透到工業(yè)和日常生活的各個方面，低速永磁同步電動機也將得到廣泛應用。

參考文獻

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作者簡介

王錦涵（2000-），女，河南省南陽市人?，F(xiàn)為南陽第一高級中學在讀學生。

作者單位

南陽第一高級中學 河南省南陽市 473000