高效永磁电动机的现状与发展

1、高效永磁电动机的现状与发展唐任远安忠良赫荣富（沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，沈阳 110178）摘要能源紧张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的问题。而工业用电动机消耗了大部分的能源，因此提高工业用电动机的效率可以获得显著的节能效果。根据IEC制定的超高效和超超高效电机效率标准，永磁电 动机由于采用永磁体励磁，在提高效率方面具有很大的空间和优势。针对永磁电动机自身特点，经过优化设计可以达到IEC规定的IE3和IE4的效率限值。考虑到 我国稀土资源率富和稀土永磁产量已列世界前茅的优势，研发起高效和超超高效 永磁同步电动机是我国发展高效电机的重要速径。关键词：

2、电动机；效率；瘩磁；节能l引言能源紧张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的阔 题。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。据国际电工委员会（IEC）统计，工业用电动机消耗全世界发电量的 30% 40% ,改善整个驱动系统（电动机和调速传动）和应用技术（或工艺技术）的效率对 节能关系重大，系统优化总的节能潜力可达到30%60%。据国际能源机构（IEA）2006年7月的工作报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约大约 7%的电能，其中大致有1/41/3是靠提高电动机效率来获得的，其余部分则 来自系统的改进。目前，美、欧、日、澳大利亚、巴西等

3、国都纷纷制订电动机效 率限值，并强制执行。为协调各国能效分级标准，2006年IEC制定一项新的能效标准IEC60034- 30。该 标准将一般用途电动机效率水平分为IEl（International Efficiency ,简称IE）、 IE2、IE3和IE4四级，其中IEl为标准效率，相当于我国目前生产的普通系列感应 电动枫的效率水平；IE2为高效率，比普通电机的效率平均提高2. 75个百分点， 损耗平均下降20%左右；IE3为超高效率，即效率再提高1. 5-2个百分点，损 耗平均再降低15%左右，目前只有美国预计2010年达到IE3能耗水平，强制执行； IE4为超超高效率，损耗预计再下降2

4、0%左右，需要进行全新的电机设计，建也 新的体系结构（新的电机极数、速度范围），采用更高性能的材料。由于IE4的技 术目前尚不成熟，该标准仅在附录中给出供参考的指标。IEC规定的各级效率指标如表I表4所示。表1 50Hz时IE1级效率值mw极致P/AW极数2462460.7572.172,170.02289.989.989.2Id757572.93090.790.790.21.577.277.275.23791.29L290.81279.779.777.74591.791.7914381.581J79.75592!92J91.9483.183.181.47592.79X792.65J84.78

5、4.783.190939392.975868684.711093.393.39331187.687.686.413293593.593.51588.788.787.716093.893.893.818589.389.388.62200949494表2 50Hz时IE2级效率值PaAW极数mw极致2462460.7578.981.175.92291.491.790.91.180.882.778 J3092.192.491.71582383.979.83792.592.892.22.28485381.84592.993.192.73853863683.35593393.593.1486.48738

6、4.67593.894一93.75587.588.2869094.194.2947588.589.187.211094.394.594.31189.690.188.713294.694.794.61590.590.989.716094.894.994.81&59194.490.4220095.195.195表3 50HzIE3级效率值表PaAW极数P展w极数2462460.7582.18480.62292.793.192.5LI83.885.382.43093393.693.1158586.383.83793.7949352286.487J854459494.393.9387.588.486.

7、65594.394594.2488489.287.77594.79594.75.589.49088.7909595.294.97590390S89.711095.295.495.21191291.790.813295.495.695.41$91.992391.616095.695.895.618592.492.792.1220095.89695.8表4 50Hz时IE4级效率值P2一 一_ 四24615S889,78842289.790,8 _ 1887390 . 2 J9139049079LJ 190.65591.792.6917.592.193912119393-893115j 93494

8、193.6_ _ 18591894A 942294 J94.830i94.59594.73794.895395众所周知，永磁电动机采用永磁体励磁，不需要无功励磁电流，所以显著提高功 率因数，减小了定子电流和定子电阻损耗；而且在稳定运行时没有转子电阻损耗， 进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风 摩耗，从而使其效率和功率因数比同规格感应电动机高。两且在轻载时仍可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。 因此，永磁电动机较 容易做到高效率，既达到 丘2级的效率值。如果迸一步优化设计，采用高性硅钢 片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可

9、以达到超高效，既IE3级的效率值；在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格有可能达 到超超高效，既IE4级的效率值。考虑到我国稀土资源丰富和稀土永磁产量已列世界前茅的优势，研发超高效和超超高效永磁同步电动机是我国发展高效电机的重要途径。2我国高效永磁同步电动机的研发现状国内许多高校、研究所和企业针对不同应用场合， 先后开发出了多种高效、超高 效超超高效异步起动永磁同步电动机和变频调速永磁同步电动机产品。现简要介绍几种典型产品，需要说明的是，这些产品是在 IEC60034- 30颁布之前研发的， 与IE3和IE4的效率值稍有出入，只要调整设计和优华，有可能达到所规定的标准。 2. 1油田抽

10、油机用高效高起动转矩永磁同步电动机目前，油田抽油机用感应电动机普遍存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。国内针对油田抽油机负载特性，在减小l2个机座号的情况下开发出高效高起动 转矩永磁同步电动机系列（图1）,该系列电机不仅在额定负载时效率和功率因数 高，并且在轻载（1 /4额定负载）时仍具有用较高的效率和功率因数， 在不同油田 运行时节电率达20%以上，表5为其中两种典型规格电机效率与感应电动机和IE3 标准对比。1高效永磁电动机应用在油田抽油机上表5高效永磁电动机与感应电动机和1E2标准对比电机规格电机类型效率/%机座号/ 铁心长转子型式37kW6 极高效永磁 电动机93320OL2一6/2

11、20mm铸铝转子感应电动机90.8250M6/225mm铸铝转子IE393.555kW6 极高效永永 电动机93.825OM- 6/225mm铸铝转子感应 电动机92.0280S- 6/215mm铸铝转子IE394.22. 2化纤纺织用高效高牵入转矩永磁同步电动机化纤纺织用高效高牵入转矩永磁同步电动机属于异步起动永磁同步电动机。化 纤纺织用电机稳定运行时负载并不很大， 但是其负载的转动惯量却很大，这对电 机的牵入同步能力提出了较高的要求。 永磁同步电动机在起动过程中不但要求有 足够的起动转矩，以克服负载转矩使电机起动并运行到接近同步转速， 还要求电 机有足够高的牵入同步能力，使电机能够顺利牵入

12、同步，这在设计上是相互制约 的，而且永磁同步电机由于转子上要安放永磁体，转子槽不可能太深，使起动性能的改善更难。因此在相同负载情况下，化纤纺织用电机尺寸一般比普通电机大 l2个功率等级，使得电机在运行时也存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。 国内经过多年研究，所开发的7. 5kW较、llkW4极、15kW轨和18. 5kW较在体 积不增大的情况下能够达到超高效甚至超超高效性能指标（见表6和表7）。综合节电与普通感应电动机比高到23%左右，与纺织专用电机比也在10%15%左右， 节电效果非常明显。图2 15kW高效高牵入转矩永磁同步电动机在现场运f表6超高效高牵入转矩永磁同步电动机与【E3标准

13、对廿电机规格电机类型效率7%机座号/ 铁心长转子型式15kW4 极超高效永 磁电动机93.62I6OL- 4/180mm将铭转F高效永磁 电动机925I6OM- 4/155mm铸铝转子IE392318.5kW4 极超席效水 磁电动机94.2160L.4/180mm铸铝转子高效永破 电动机93.0I60M- 4/165mm锌铝转子IE392.7表7超超高效高阜人同步能力永磁同步电动机与IE4标准对比电机规格电机类型效率/%机座号/ 铁心长转子型式l5kW4|ft超超高效永 磁电动机94.48160L-4/l80nun铜条转孑超高效水磁 同步电动机93.62160L-4/180mm铸铝转子高效永磁

14、 电动机92.516OM 4/155mm锌铝转子DE494.17.5kW4 极超超高效永 破电动机93.5132L.4/180mm钢条转子超高效水破电动机92.6I32S- 4/145mm钢条转子高效永磁 电动机92.2I32M-4/2IOmm铸铝转子IE493.02. 3高效高过载能力永磁同步电动机高效高过载能力永磁同步电动机主要是应用于风机、泵类负载。据电力部门估算， 煤炭行业的风机、水泵在20世纪五、六十年代的老设备约占1/3,其本身运行效 率只有30%40%,系统运行效率大约为20%。由此造成的能源浪费是巨大的。 因此针对风机、泵类负载特点，国内在十五期间，通过对该类电机的共性关键技

15、术研究，解决了制约该类电视的技术难题，所开发的1lkW2极电机和18. 5kW极电机（见图3）都达到了 IE4标准规定白效率值（见表8）。图3超超高效永磁同步电动机（UkW2极）图4屏蔽泵用永磁同步电动机（5.5kW4极）表8超超高效高过载能力永磁同步电动机与IE4指标对比电机规格电机类型效率/%机座号/ 铁心长!转子型式18&W4 极超超高效永 磁电动机94.7160L-4/l65mm铜条转子超高效永磁 电动机94.2160L.4/180mm锌铝转子高效永磁电 动机93.0160M-4/165mm铸铝转子IE4944HkW2 极超超高效永 磁电动机94.2132S- 2/i45mm铜条转子D

16、E493.8另一类特殊用途的高效高过载能力永磁同步电动机为屏蔽泵用永磁同步电动机， 该类电机主要用于石油、化工、制冷、制药、核工业及许多新兴工业部门运送易 燃、易爆、有毒、贵重、腐蚀燃、放射性的各种介质。为保护电机的誉受腐蚀， 必须在定转子外面加密闭的屏蔽套， 这就需要加大定转子之间的气隙。降低了电 机的效率和功率因数，因此造成电能浪费严重。这种电机若改为永磁电机主要制 约因素为：转子细长、转子空间有限；永磁体高温退磁问题。国家稀土永磁电机 工程技术研究中心通过技术攻关，解决了关键技术问题，研制出5. 5kW板和370W2 板两种规格样机（见图4）,该电机与同规格感应电动机相比数据如图 9所示

17、。表9屏蔽泵用永磁同步电动机与感应电动机性能比较电机类型功率ZkW效率/%功率因故机座号感应电动机5.570.00.76J32永磁电动机558930.9941124中型异步起动高效稀土永磁同步电动机目前，中小异步起动高效永磁同步电动机主要用作驱动“三机一泵”（风机、压缩机、冷冻机和水泵），这类负载要求高效率、高功率因数和高过载能力，同时 要求运行稳定可靠。中大型永磁同步电动机在效率掇舞技术上可以采用小型高效 高过载能力永磁同步电动机的技术措施， 但制约中型高效稀土永磁同步电动机研 发的主要因素是工艺结构问题。因为中小型电机转子空间有限，在有限空间内既 要放置足够的永磁体来满足所需的磁通，又要放

18、置起动笼来满足异步起动能力， 同时还要开一定面积的轴向通风孔， 保证电机的温升满足标准，因此会造成每个 细节尺寸非常紧张，机械强度接近极限（如图5所示）。目前该类电机主要是在原 有电机上进行改造，通过技术攻关，国家稀土永磁电机工程技术研究中心研发出 112kW极、300kW版、260kw楸和3lOkW敬几种典型规格祥机，图6为1120kW4 极样机照片。两种电机性能指标与原感成电动机相比如表 10所示。节能效果明髭， 以300kM例，经北京首钢现场实测节电率为7。2%, 一年可节电16. 6万kW h, 如果是全新设计，效率还能提高。6 U20kW4极样机照片表10中型永磁同步电动机与感应电动

19、机性能比较电机类型功率/kW效率，4因数感应电动机112094.40.88_永磁电动机112096.40.94感应电动机3009L50.89永磁电动机30094.810.9662. 5中型变频调速高效永磁同步电动机在风机、泵类负载，还可以通过变频调速永磁电机来提高节电率和降低起动电流。国家工程技术研究中心在十五期间， 通过对变频调速电机关键技术研究， 开发出 135kW 200kW口 300kW五种规格变频调速高效永磁同步电动机，在现场运行实测 节电率都在40%以上。图7为300kM机照片。7 300kW4极电机照片3永磁同步电动机提高效率的关键技术在总结国内许多高校、研究所和企业已经开发出多

20、种高效、超高效和超超高效异 步起动永磁电动机和变频调速永磁电动机的经验教训的基础上，经过研究分析认为，只要进一步优化设计，采用高性能材料和先进工艺，可以开发出符合IEC60034 30能效分级标准的两个系列的高效永磁同步电动机。一是在比感应电动机降低一个机座号或机座号不变而缩短铁心的情况下，使永磁同步电动机的效率指标达到超高效，即IE3的效率标准，二是机座号不变或者适 当加长铁心，使永磁同步电动机的效率指标达到超超高效，即IE4的效率标准。两者的功率因数都达到0. 93以上。同时要在满足起动性能和保证高温不失磁的 前提下尽量降低成本。为此，既要采用超高效感应电动机降低损耗、 提高效率的技术，如

21、采用高性能硅 钢片、提高定子槽满率、用铸铜转子代替铸铝转子，改进风扇设计和提高制造精 度等：又要针对永磁同步电动机的设计制造特点， 对下列关键技术进行研究攻关。 国内对此已经做了大量工作，取得了一碧突破性进展，但尚须进一步完善，进而 在伞行业推广应用。1完善场路结合的电机设计计算程序和软件包，提高计算精度当前永磁同步电动机的设计计算精度低于感应电动机，因此需要修改完善永磁电机电磁场分析计算软件，同时运用计算软件，分析计算各种磁路结构的三维磁 场，从中总结出端部效应的规律，对二维电磁场计算软件进行分析修正， 既方便 计算，又提高计算精度。在总结已开发样机经验的基础上，对原有以路为主的电磁计算软件

22、中的各项参数和系数进行修正，并与电磁场计算软件耦合起来形成场路结合的计算软件。 完善适合永磁同步电动机特点的机械计算、热计算和振动、噪声分析计算软件。 在总结、完善上述软件的基础上，充实数据库，形成完整的软件包，在全行业推 广应用，以提高全行业的研发水平。2磁路结构及尺寸的优化设计超高效和超超高效永磁同步电动机的转子窄间有限，既要安放足够的永磁体以提供必需的气隙磁密和改善磁场波形，又要安放足够的起动笼在满足所要求起动转 矩（含堵转转矩、最小转矩、牵入转矩和失步转矩）的前提下.减少堵转电流，还 要使转子有足够的强度和刚度，便于制造，需要对磁极结构、起动笼槽型等进行 创新和优化设计，在大量实践的基

23、础上总结出设计准则。3.3电磁负荷的优化选择超高效和超超高效永磁同步电机的磁路波形接近矩形波，齿磁密与腕磁密的分布与感应电机不同，需要对定子槽形进行优化设计，以降低总铁耗。由于效率和功 率因数都高于感应电机，其电磁负荷的合理分配和选择以及风扇设计也与感应电 机不同，需要进行热计算和冷却系统优化设计，从而总结出优化设计准则。3. 4负载铁耗的修正和减少负载杂散损耗的技术永磁同步电动机没有转子铜（铝）耗，定子铜耗较小，铁耗和负载杂散损耗占总损 耗的比例较感应电动机大，因此重点应放在降低铁耗和负载杂散损耗。高效永磁同步电动机的空载气隙磁场中谐波含量比感应电机大， 因而空载杂散损 耗大，使空载铁耗（含

24、空载杂散损耗）大；而负载时气隙磁密降低，使负载铁耗比 空载铁耗小，需要通过大量计算和试验以总结提出负载铁耗的修正系数。超超高效永磁同步电动机的负载杂散损耗虽小于感应电机， 但仍占总损耗的很大 比例，要进一步提高效率必须着重减少负载杂散损耗， 这就需要进行大量电磁场 计算，总结影响杂散损耗的影响因素，探索减少杂散损耗的设计技术和制造工艺 措施。同时需要运用高精度的电量和转矩测量仪器对大量样机进行测试，总结归纳出负载杂散损耗的数值和影响规律。3. 5制造工艺技术研究超高效永磁同步电动机成本高的原因之一是制造工艺较复杂。 除采用感应电动机 的先进制造工艺外，还要进行装配后永磁体充磁技术、带磁永磁体装配技术等制 造工艺技术研究，并开发相应的工装模具。做到既提高生产效率，又降低制造成 本。3. 6试验方法研究永磁电机采用永磁体励