三相异步起动永磁同步电动机设计与试制

三相异步起动永磁同步电动机

设计与试制

广东工业大学黄开胜内容提要三相异步起动永磁同步电动机及其特点开发三相异步起动永磁同步电动机背景高效三相异步起动永磁同步电动机

广东美芝制冷设备有限公司委托项目“自起动三相永磁同步电动机设计开发”（美芝制冷设备有限公司合作）粤港关键领域重点突破招标项目“高效节能异步起动永磁同步电动机”（2007168404）（东莞电机有限公司合作）。内容提要2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机设计、试制与结论

YXT132M-47.5kW三相异步起动永磁同步电动机设计、试制与结论内容提要三相异步起动永磁同步电动机及其特点开发三相异步起动永磁同步电动机背景高效三相异步起动永磁同步电动机2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机YXT132M-47.5kW三相异步起动永磁同步电动机三相异步起动永磁同步电动机及其特点1.传统同步电动机（1.1）直流电通过电刷进入转子激磁绕组，产生直流磁场。同步电动机直流磁场可以调节。（1.2）电动机（即转子）以一个速度（即同步速度）旋转。（1.3）功率因数高，甚至可以发出感性无功功率。同步电动机有时用作调相机。（1.4）比异步电动机更易于实现矢量控制。（1.5）同步电动机起动困难。三相异步起动永磁同步电动机及其特点2.永磁同步电动机（2.1）传统同步电动机转子激磁绕组产生的直流磁场由永磁材料（永磁体）产生的直流磁场来代替。因此，永磁同步电动机转子上没有激磁绕组，也没有电刷。（2.2）不需要激磁功率，损耗低、效率高。（2.3）没有激磁绕组，也没有电刷，体积小、重量轻、损耗低、效率高。（2.4）永磁同步电动机激磁磁场调节困难。三相异步起动永磁同步电动机及其特点3.三相异步起动永磁同步电动机（3.1）三相异步起动永磁同步电动机，是一种转子上放置鼠笼绕组（起动绕组），在工频下可以自行起动的永磁同步电动机，又称为直接起动永磁同步电动机。三相异步起动永磁同步电动机及其特点3.三相异步起动永磁同步电动机（3.2）自20世纪80年代后期起，国内外有很多机构和学者开展三相异步起动永磁同步电动机的研究工作：转子结构；设计原理；性能分析方法。

三相异步起动永磁同步电动机及其特点

三相异步起动永磁同步电动机转子形式

(a)径向式(b)切向式(c)混合式三相异步起动永磁同步电动机及其特点3.三相异步起动永磁同步电动机（3.3）经过近20年的发展，尤其是NdFeB的进步和应用，既具有永磁同步电动机转子损耗低，定子电流小，力能指标高，节能效果好的优点，又具备三相异步电动机起动方便、运行可靠的优点，在小功率和中等功率场合，有替代鼠笼转子三相异步电动机的趋势。

三相异步起动永磁同步电动机及其特点日本明电舍公司100系列永磁同步电动机（1）0.6kW-22kW，21个品种；（2）结构坚固：机座、定子铁心、定子绕组与鼠笼三相异步电动机一样；（3）控制性好：无须速度反馈，速度不变；（4）和鼠笼三相异步电动机一样，维护简单，用途广泛；（5）效率高和功率因数高，耗电少，起动电流小，电源容量小。三相异步起动永磁同步电动机及其特点法国ISOSYN系列NdFeB同步电动机

4极，功率等级为3kW至15kW，共5个规格，比普通三相异步电动效率提高5%至8%，功率因数提高18%至25%，力能指标（效率×功率因数）提高30%以上。

三相异步起动永磁同步电动机及其特点

法国ISOSYN系列NdFeB同步电动机功率/kW三相异步电动机NdFeB永磁同步电动机效率/%功率因数效率/%功率因数3780.8850.88-0.984.579.50.83860.9-15.583.50.84880.9-17.5850.84900.9-11186.20.83910.9-1内容提要三相异步起动永磁同步电动机及其特点开发三相异步起动永磁同步电动机背景高效三相异步起动永磁同步电动机2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机YXT132M-47.5kW三相异步起动永磁同步电动机开发三相异步起动永磁同步电动机背景1.节能和环保已经成为当前经济社会发展的两大主题。高效节能电动机不仅能够减少电动机损耗，提高运行可靠性，延长使用寿命，减少电能消耗，而且可以直接带来巨大的环保效益。据测算，英国1995年电动机总用电1300亿kW·h，为生产这些电能排放到空气中的碳为2400万吨，相当于英国1995年所有能源排放碳总量的17%。开发三相异步起动永磁同步电动机背景2.我国能源利用率仅为30%，比发达国家低约10个百分点，“产值能耗比”比世界平均水平高2倍多。我国交流电动机的用电量约占发电量的60%，是用电大户，也是节能潜力最大的产业。

开发三相异步起动永磁同步电动机背景3.我国具有稀土资源大国的资源优势和后发优势，利用永磁体可以代替激磁铁心（省铁）和激磁绕组（省铜），代替激磁电流（省电）等优点，开发高效三相异步起动三相永磁同步电动机（节能降耗），跨过开发高效鼠笼转子三相异步电动机，直接达到甚至超过美国超高效电机的当今世界的最高水平。

开发三相异步起动永磁同步电动机背景4.0.75-37kW三相异步电动机台数多用电多根据美国1988年、欧盟1998对电动机数量和用电情况的调查统计结果，在三相异步电动机中，功率在0.75kW（1hp）-37kW（50hp）范围的电动机在数量上占电动机总装机数的95%以上，用电量占30-50%左右。开发三相异步起动永磁同步电动机背景

美国1988年电动机的数量和用电量比例功率范围/hp电动机台数用电量1-576.4125.1-2015.3721-505.11251-125326>1250.243合计100100开发三相异步起动永磁同步电动机背景

欧盟1994年电动机的数量和用电量比例功率范围/kW电动机台数用电量0.75-7.58327>7.5-371324>37-75315>75134合计100100开发三相异步起动永磁同步电动机背景5.0.75-37kW的电动机节能潜力巨大以欧盟地区4极电动机的平均效率为例，1.1kW电动机的效率为77%左右，90kW电动机的效率则达到94%左右。功率范围0.75-7.5kW电动机可以取得7%的节能效果，7.5-37kW电动机节能3%，37-75kW电动机节能2%，75kW以上电动机节能1%。开发三相异步起动永磁同步电动机背景

0.75-37kW的电动机节能潜力巨大功率范围/kW标准电动机效率/%高效电动机效率/%电动机用电量/亿kW·h节能预测/亿kW·h0.75-7.580862530170(7%)>7.5-379093213056(3%)>37-759395130020(2%)>759596276030(1%)合计8720276(3%)开发三相异步起动永磁同步电动机背景6.欧盟对2010年三相异步电动机节电预测欧盟在1997年曾预测，到2010年时工业和第三产业中三相异步电动机的用电量将达到8720亿kW·h，如果将不同功率电动机效率提高1%-6%，则可以节电3%左右，节电276亿kW·h，相当于4座100万kW发电厂的年发电量。

开发三相异步起动永磁同步电动机背景

欧盟2010年三相异步电动机节能预测

功率范围/kW标准电动机效率/%高效电动机效率/%电动机用电量/亿kW·h节能预测/亿kW·h0.75-7.580862530170(7%)>7.5-379093213056(3%)>37-759395130020(2%)>759596276030(1%)合计8720276(3%)开发三相异步起动永磁同步电动机背景7.发展高效节能交流电动机前景

发展高效节能交流电动机是节约能源和保护环境，人类社会实现可持续发展目标的客观要求，也是绿色制造技术发展的必然结果，因此，是量大面广的三相交流电动机的发展方向。自20世纪90年代以来，以美国为代表的发达国家先后制定和颁布法令，禁止生产和销售普通三相异步电动机，只能生产和销售高效三相异步电动机。

开发三相异步起动永磁同步电动机背景7.发展高效节能交流电动机前景

美国高效率电动机，与普通电动机相比，损耗下降20-30%，效率提高1.5-5%。美国超高效电动机，效率比高效率电动机再提高1-3个百分点，损耗较高效率电动机再下降20%左右。开发三相异步起动永磁同步电动机背景7.发展高效节能交流电动机前景

我国0.75-75kW三相交流电动机向美洲地区的出口额由1997年（美国能源政策法令生效前）占全球出口总额的11.1%下降到2002年（美国能源政策法令生效后第5年）的6.82%；单相交流电动机向美洲地区的出口额已由1997年占全球出口总额的5.9%猛增到2002年的16.4%。

开发三相异步起动永磁同步电动机背景8.高性能永磁材料发展迅速

NdFeB在1980’s初问世，“三高”优势明显：高剩磁，高矫顽力和高磁能积，虽然温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理，但是，经过不断改进，这些缺点得到有效克服，比如，NdFeB工作温度已经可以达到180度，一般也可以达到150度，能够满足大多数电动机的要求。

开发三相异步起动永磁同步电动机背景

永磁材料主要性能比较

永磁材料剩磁Br/T矫顽力kA/m最大磁能积kJ/m3居里温度℃最高水平的铝镍钴1.0812085850最高水平的铁氧体0.4130032450较高水平的钐钴1.00746210850中等水平的NdFeB1.26967310350内容提要三相异步起动永磁同步电动机及其特点开发三相异步起动永磁同步电动机背景高效三相异步起动永磁同步电动机2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机YXT132M-47.5kW三相异步起动永磁同步电动机高效三相异步起动永磁同步电动机

充分发挥我国是稀土资源大国的资源优势和后发优势，开发生产高效三相异步起动三相永磁同步电动机，重点开发生产功率范围在0.75-37kW之间的高效三相异步起动三相永磁同步电动机，效率提高3%-10%，使我国高效节能电机的效率指标跨过美国高效电机而直接达到美国超高效电机，即NEMAPremium当今世界的最高水平。

高效三相异步起动永磁同步电动机

美国超高效电动机效率功率/hp6极4极2极182.585.577.01.587.586.584.0288.586.585.5389.589.586.5589.589.588.57.591.091.789.5高效三相异步起动永磁同步电动机

美国超高效电动机效率功率/hp6极4极2极1091.091.790.21591.792.491.02091.793.091.02593.093.691.73093.093.691.74094.194.192.45094.194.593.0高效三相异步起动永磁同步电动机

美国超高效电动机效率功率/hp6极4极2极6094.595.093.67594.595.493.610095.095.494.112595.095.495.015095.895.895.020095.896.295.4内容提要三相异步起动永磁同步电动机及其特点开发三相异步起动永磁同步电动机的背景高效三相异步起动永磁同步电动机2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机YXT132M-47.5kW三相异步起动永磁同步电动机2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机样机效率91.3%，比相同规格压缩机用三相异步电动机提高5.35%，比Y100L-23Kw标准值提高9.3%，比Y2100L-23Kw标准值提高8.3%。超过相同规格美国超高效电动机效率指标4.8%，超过法国ISOSYN系列NdFeB永磁同步电动机（4极，功率等级为3kW至15kW，共5个规格）比普通三相异步电动机效率提高4%至8%的水平。2008.11.6完成《自起动三相永磁同步电动机设计开发研究总结报告》。

2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

美国超高效电动机效率功率/hp6极4极2极182.585.577.01.587.586.584.0288.586.585.5389.589.586.5589.589.588.57.591.091.789.52极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

主要技术指标要求

功率因数0.88-1.0高功率因数，功率因数（实测值）比量产三相异步电动机提高0.06至0.185效率89-92%高效率，效率（实测值）比量产三相异步电动机提高3%至6%起动转矩≥2.5N∙m保证起动顺利，正常牵入同步最大转矩≥18N∙m负荷特性在0.85-1.0额定转矩负载范围内，效率波动范围在±1.0%之间2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

推荐样机主要技术指标（实测值）

功率因数0.958合格（比量产三相异步电动机提高0.143）效率91.31%合格（比量产三相异步电动机提高5.35%）起动转矩合格（起动顺利，正常牵入同步）最大转矩负荷特性合格（满足要求）2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机推荐样机效率（实测值）1.达到91.3%，比量产三相异步电动机提高5.35%，达到合同书提高3-6%的要求。2.比Y100L-23Kw三相异步电动机效率标准值（82%）提高9.3%，比Y2100L-23Kw三相异步电动机效率标准值（83%）提高8.3%。2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机推荐样机效率（实测值）3.比美国超高效电动机相同规格三相交流电动机（2极3HP电动机）的效率标准值（86.5%）提高4.8%。4.超过法国ISOSYN系列NdFeB永磁同步电动机（4极，功率等级为3kW至15kW，共6个规格）比普通三相异步电动机效率提高4%至8%的水平。2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

转子冲片

2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

样机主要技术经济指标对比

项目电流/A效率/%功率因数铜重/kg量产三相异步电动机5.0985.960.8151.92样机1计算值4.50789.870.95661.55试验值4.4388.400.9541.56样机2计算值4.30290.300.99761.80试验值3.4789.510.9991.80样机3计算值4.36490.920.97651.92试验值4.3386.230.9991.89样机4计算值4.39792.050.95733.15试验值4.9885.560.8693.18样机5/推荐样机计算值4.29590.810.99362.01试验值4.1291.310.9581.972极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

样机效率（实测值）对比

2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

样机材料消耗与成本对比

部件名三相异步机样机3样机4样机1样机2推荐样机硅钢板重量(kg)13.713.715.113.715.115.1单价6.91元/Kg(t0.5宝钢材，08/04月价格,不含税)成本/元94.6794.6104.1394.67104.13104.13电磁线重量1.921.893.181.561.801.965单价63.38元/Kg（08/04月价格,不含税）成本121.69119.79201.5598.87114.08124.54转子磁铁(稀土宁波永久)数量--8件8件8件8件8件单价--20.920.115.416.920.1成本--167.2160.8123.2135.2160.8绝缘材料成本3.213.213.533.533.533.53绑线成本0.730.730.730.730.730.73引出线成本1.641.641.641.641.641.64电机浸漆成本4.234.234.234.234.234.23总直材成本226.17391.47476.61326.9363.5399.6成本差/元--165.3250.4100.7137.3173.42极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机分析设计程序验证对目前国内主要教材和设计手册提供的自起动三相永磁同步电动机算例（1和2）进行了核算，同时对先期试制的样机1进行了核算。算例1选自《现代永磁电机理论与设计》（唐任远等著，北京：机械工业出版社，1997年），算例2选自《永磁电机》（王秀和等著，北京：中国电力出版社，2007年）。2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

分析设计程序验证项目电流/A效率功率因数起动力矩失步转矩起动电流算例1计算值24.7893.910.97942.891.858.67核算值24.7893.910.97942.891.858.67比较/%000000算例2计算值50.0894.880.9593.571.629.1核算值50.1395.130.9563.521.628.9比较/%0.440.26-0.31-1.40-2.19样机1试验值4.4788.180.954———核算值4.50789.870.95660.941.743.81比较/%0.81.90.3———样机5/推荐试验值4.1291.310.958———设计值4.29590.810.99360.671.642.84比较/%4.2-0.53.7———2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机分析设计误差分析

样机3和样机4效率实测值分别只有86.23%和85.56%，没有达到合同书89%至92%要求，其中样机4的效率实测值甚至比量产三相异步电动机低0.4个百分点。此外，样机3和样机4效率实测值与计数值相差很大，分别相差4.69和6.49个百分点。

2极2.45KW三相异步起动永磁同步电动机

分析设计误差分析比较项目电流/A效率/%功率因数样机3计算值4.36490.920.9765试验值4.3386.230.999误差-0.03-4.690.022样机4计算值4.39792.050.9573试验值4.9885.560.869误差0.58-6.49-0.0882