能效提升与永磁电机

稀土永磁同步电动机电机能效提升计划与本资料编辑：

周志民

教授级高工

享受国务院政府特殊津贴

有突出贡献的中青年专家

愿将本资料与从事电机系统节能工程的同志们共享一、电机与电机系统以电机为核心的用能系统通过电动机将电能转化为机械能，实现各种所需功能的系统包括：电动机、被拖动设备、控制装置、管网、负载等电机系统电机被拖动装置管网负荷负载控制装置根据欧盟《提高高效电动机和驱动的市场份额》—即SAVEⅡ研究报告显示，工业用电动机消耗电能占其工业用电消耗的73%，我国约为75%其中，欧盟工业部门中各电机驱动系统消耗电能的比例为：泵类22%，风机16%，空压机18%，制冷压缩机7%，输送机2%，其它电机为35%，即风机、泵类、压缩机类共占总消耗电能的63%。

近年来在国家政策的支持下，我国电机能效水平逐步提高，但总体能效水平任然很低。从电机自身看，我国电机效率平均水平比国外低3~5%，目前在用的高效电机仅占3%左右；从电机系统看，因匹配不合理、调节方式落后等原因，电机系统运行效率比国外先进水平低10~20%，低效电机的大量使用造成巨大的用电浪费。

工业领域电机能效每提高1%，可年节约用电260亿千瓦时左右。通过推广高效电机，淘汰在用低效电机，对低效电机进行高效再制造，以及对电机系统根据自身负载特点和运行工况进行匹配节能改造，可从整体上提升电机系统效率5~8%，年可实现节电1300~2300亿千瓦时，相当于2~3个三峡电站的发电量。二、电机能效提升计划1、基本原则坚持存量调整与增量提升相结合。从生产环节，严格执行电机能效标准，淘汰低效电机生产，提高高效电机的供给能力；从使用环节，淘汰在用低效电机和改造提升相结合，鼓励新增需求采用高效电机。2、主要目标实现电机产品升级换代，50%的低压三相笼型异步电动机产品、40%的高压电动机产品达到高效电机能效标准规范；

累计推广高效电机1.7亿千瓦，淘汰在用低效电机1.6亿千瓦，实施电机系统节能技改1亿千瓦，实施淘汰电机高效再制造2000万千瓦。实现节电800亿千瓦时，相当于节能2600万吨标准煤，减排二氧化碳6800万吨

3、电机能效提升的途径（1）增加用铜用铁量，以提升笼型三相异步电动机的效率（2）研制稀土永磁同步电动机，效率达到GB18613-2012的一级能效水（3）采用变频调速器，以提高电机系统的能效水平四、三相稀土永磁同步电动机1、永磁电机

由永磁材料产生磁场无需励磁电流，没有励磁绕组既节约能量，又简化电机结构这就是

永磁电机2、永磁电机特点转速恒定，为同步转速。功率因数高：通过合理设计能达到极限值1.0。体积小，重量轻，噪声低。效率高：正常运转时，转子无绕组铜耗；高功率因数，可使定子电流较小，定子绕组铜耗小。转速与电机频率保持恒定，可简化控制系统。电机可制成多级、低速大转矩，以直驱式取消齿轮箱，实现无齿化传动。具有宽的经济运行范围电动机类别经济运行区效率下降点25%负载时COSΦ情况异步电动机60%~100%35%由0.85下降至0.5左右永磁电动机25%~120%15%在0.9以上3、永磁电动机转子结构

（1）表面式转子结构（2）内置式转子结构V型W型U型4、稀土永磁电动机节电的机理

⑴效率含义

电机的效率是电机的有功输出功率和有功输入功率之比，通常用百分数表示。三相异步电动机的效率也就是电动机轴上输出的机械功率所占从电网取得的电功率的百分之几。可用下式表示：式中P2——输出功率

P1——输入功率式中：

Pcu1——定子铜耗

Pcu2——转子铜耗

Pfe1+Pfe2——铁耗

Ps——杂散损耗

Pfw——风摩损耗⑵电动机的功率树稀土永磁同步电动机的功率流程如图一（a）所示

图一：功率流量图（a）永磁电动机（b）异步电动机说明：图中Pem为电动机气隙中电磁功率

与电磁式同步电动机相比，稀土永磁同步电动机无励磁铜损耗Pcuf。

与异步电动机相比，稀土永磁同步电动机转子无铜损耗Pcu2。稀土永磁同步电动机一般极弧系数较大，在相同在E0或电压U时，φζ相同，Bζ小，铁损PFe较异步电机小。由于稀土永磁同步电动机气隙ζ较大，其杂散损耗较小；损耗的减少和cosφ的增加，使稀土永磁同步电动机定子电动机定子电流I1减少，定子铜损Pcu1减少。各种损耗的大幅度减少，导致稀土永磁电动机实实在在地节能。5、稀土永磁电机的研究开发进入了一个新阶段：正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机外径只有0.8mm，长1.2mm。稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来替代传统电机的电励磁场所制成的稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠，还可做到体积小、重量轻。既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能(如特高效、特高速、特高响应速度)，又可以制成能满足特定运行要求的特种电机。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合，更使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平。从而提高所配套的机械装备的性能和水平，是电机行业调整产业结构的重要发展方向。同时也是节能机械链的一场变革。6、研发稀土永磁电机的发展趋势⑴自主设计、自主创新，掌握稀土永磁电机设计的核心技术；⑵强化基础研究和应用研究，突破技术瓶颈，向产业化方向发展；⑶以产品研制为主，向产品研制、工艺及装备开发、标准、试验方法、规范化方向发展，形成具有自主和知识产权的成套技术；⑷从民品入手，注意积累稀土永磁电机工程经验，延伸军用（民改军），向军民结合方向发展，向国家需要的特种电机方向发展。7、稀土永磁电机的上游技术业已成熟我国稀土资源丰富，稀土矿的储量占世界储量的80%，居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，实现了产业化充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种节能电机，将资源优势转化为经济优势，对加快实现我国全面进入小康社会具有重要意义。

五、稀土永磁同步电动机

1、永磁电动机的设计步骤

实践证明，永磁电动机要取得明显的节能效果，必须充分认识电机系统内负载的特点，先研究负载，再设计永磁电动机。2、设计永磁电动机的技术措施采取一系列技术措施，把稀土永磁同步电动机的效率尽可能提高并获得宽的经济运行范围：降低不变损耗降低可变损耗其他可能措施采用最大铁损3.5W/kg的50W350冷轧硅钢片，要比采用50W470矽片的最大铁损4.7W/kg减少1.2W/kg，降低25.53%可变损耗包括铜耗和杂散损耗：—定子斜槽—适当放大气隙长度—采用不等圆转子，合理选择极弧系数，使永磁电动机有良好的电动势正弦波型可能采取的措施：—提高加工精度—定转子对正工艺—采用节能风扇—合理选择轴承游隙3、永磁电动机的效率曲线和功率因数曲线具有高而平的特点37KW4P异步电动机和30KW4P稀土永磁同步电动机

效率曲线、功率因数曲线比较图

电动机效率水平本公司研制的XYT系列稀土永磁同步电动机效率（以四极机为列）欧洲电动机效率标准和IEC60034－30标准高效率、超高效率等级的比较：2010年9月，上海电器科学研究院上海电器检测所，国家中小型电机及系统工程技术研究中心检测部对本公司XYT系列抽查了六个机座号的永磁电动机，进行了型式试验，电机指标全部合格，其中效率实测值与IEC60034—30标准中IE4的比较为：

可以看出，稀土永磁同步电动机的效率特性具有高而平的特点。当负载大范围变化时，节能效果更为明显。

电动机功率因数

产品标准为＞0.95，实测达到0.976～0.998，接近极限值1.0，优于高效电动机0.86的水平，并能在120%20%负荷区展宽。

4、堵转转矩倍数针对不同的负载，设计成不同的堵转倍数，如纺织细纱机用电动机为2.2~2.5倍，油田抽油机用电动机为3.6~4.0倍。5、失步转矩倍数失步转矩用以表征永磁电机的过载能力，本公司设计的永磁电机的失步转矩为2.2~2.5倍，有足够的过载能力。6、电流波形为正弦波，波形畸变小。

7、根据永磁电动机的性能，质量和价格的优势，本着“选的准，跨的稳”的原则，通过对市场的调查和分析，研发了适应不同负载的专用永磁同步电动机：

（1）高牵入转矩三相稀土永磁同步电动机主要用于：纺织行业的细纱机和化纤纺机节能改造、金属拉丝机的节能改造和配套。经细纱机上实测，相对于效率不同的纺织专用异步电动机，有功节电率在10%—19%之间﹙视原配套电动机是否是高效纺织专用异步电动机﹚。

（2）风机、水泵类负载根据沈阳水泵研究所提供的数据：一台额定功率为5KW的水泵，其选用的异步电动机一般为7.5KW，而水泵通常运行于3KW，大马拉小车的现象严重，异步电动机经济运行范围为60%—100%，平均为68%，而目前这台泵的运行负载点下滑到40%。效率和功率因数显著下降到非常低。（3）高失步转矩三相稀土永磁同步电动机负载主要适用于下列细分市场：塑胶行业的开炼机驱动电动机的配套或节能改造，经试验，有功节电率达28.2%冲床、压床和车床驱动电动机等机床的配套或节能改造，有功节电率达18.4%

注塑机、搅拌机、吹风机等轻工机械类产品的配套或节能改造，有功电率达24%

在这一类细分市场上，由于有冲击式或间断性加载，因本产品高失步转矩稀土电动机具有较强的过载能力，而很好地适应了这一类细分市场负载的要求：（4）压缩机配套专用永磁同步电动机﹙包括无轴承永磁电动机﹚考虑了工作系数SF考虑了加压带载条件下的频繁启动考虑了环温46℃和相对湿度≤95%的环境要求考虑了转子无位置传感器和变频调速器的匹配考虑了无轴承永磁电动机的隔磁措施经永磁电动机与空调冷冻压缩机（名义工况下制冷量为2285Kw）配套试验节电率达到38%8、永磁同步电动机的启动方式（1）直接启动（2）软启动（3）变频调速启动

（4）双扭矩启动双扭矩启动系本公司专有技术9、从理论到实践，本公司妥善解决了永磁体的不可逆失磁问题，客观地讲；凡是磁性材料都会随时间推移而发生退磁，但这种退磁不应该影响永磁电动机性能的退化，运行寿命的缩短，这方面我们的技术措施是：（1）在设计中我们根据多年工程积累，正确选择了永磁体工作点，根据磁路计算结果对电机设计方案进行优化设计，达到了既保证永磁体不会退磁，又能使永磁体用量最少，力争达到在永磁电机在可靠的前提下成本最低（2）正确选择永磁体供应商，按“永磁体订货技术要求”订货，不盲目采购。同时，采取了磁稳定工艺

“永磁体订货技术要求”中除明确“外形尺寸及公差”、“技术性能”外。还明确了“辅助磁性能”、“物理性能”、“可靠性要求”、“一致性要求”和“磁钢最高工作温度”要求，这在永磁电机行业中是最完整的磁钢技术要求，尤其是150℃／5h的磁钢热老化工艺﹙又称磁稳定工艺﹚，对永磁体整个寿命周期中稳定运行，关系重大。经磁稳定工艺后，永磁体磁损≤2.5%

N35UH永磁材料磁稳定前后的性能曲线显而易见，人工时效处理要损失小部分磁性能，一般在3%以内。但此后磁性能基本不再变化，性能稳定。

为了尽量在永磁体所处工作环境相似的条件下进行，以取得很好的效果，同时以求得永磁电动机较高的可靠性，我们采用150℃/5h人工时效方法，在目前国内外缺少得到行业内共同认可的磁老化国际、国内及行业标准的情况下，实践证明，本工艺是有效的磁老化工程措施。（3）在制造工艺中，对永磁体进行严格的化学稳定处理钕铁硼永磁材料中含有大量的钕和铁，易锈蚀，化学稳定性不好。其表面通常需作电泳或电镀处理，也可以喷涂环氧树脂以减慢氧化速度，通常涂层厚度为10～40μm。永磁体不作涂层或其他防氧化处理，暴露在空气中时，就会很快氧化锈蚀，随着时间的推移和氧化锈蚀层的增加，永磁体的剩磁磁通也快速下降。为此，必须对永磁体进行化学稳定工艺处理。永磁体暴露在空气中时剩磁磁通的变化

不同涂层的抗腐蚀能力不同：电泳涂层抗溶剂、抗冲击能力良好，抗盐雾能力极好；电涂涂层抗溶剂、抗冲击能力极好，但抗盐雾能力较差；环氧树脂涂层抗溶剂、抗冲击能力和抗盐雾能力都良好，但工艺性较差，且不易拆卸磁钢。

本公司采用电涂涂层（NiCuNi），在转子磁钢槽口非磁材料的隔磁板封堵，使磁钢得到很好的防氧化保护。

具有创新性的防止永磁体氧化工艺要求磁钢进行表面处理，如镀锌、镀镍等，这是行业内永磁电机制造厂都能做到的，但这是做到了防止永磁体外表被氧化，但忽视了从永磁体内部的氧化过程，而永磁体锈蚀厚度的增加，会使永磁体剩磁强度Br快速下降，为此本公司对永磁体母体材料——纯铁粉也提出了配方要求，得到了很好的效果；（4）营造一个低温升工作环境，是防止永磁体失磁的重要一环。稀土永磁有很多优点，但是怕氧化、怕高温环境也是它的明显缺点。本公司采取了严密的化学稳定工艺，保证其被氧化的速度极其缓慢。工艺实践证明，已经取得了效果，本公司在永磁体工作温度方面采取了一整套技术措施：提高稀土永磁体的工作温度。制造商研制成功了用于电机的专用稀土永磁体配方，在钕铁硼永磁体中加入了少量Sm、Co等重稀土元素，大幅提升永磁体的耐热性能和抗电枢反应的能力。本公司将采用居里温度为400℃、工作温度为200℃的稀土永磁体用于用户采购的永磁电动机。稀土永磁电动机通过采取设计措施，使其温升被控制在50K以内（经常被控制在40K以内）。转子磁钢设计采用了通风沟，使永磁体有良好的通风，还具备了隔磁作用，防止磁路短（已申请了发明专利）。

通过上述四个方面的技术措施，取得了明显的效果，永磁电动机从机理到实践上，基本杜绝了不可逆失磁现象。基于上述一系列技术措施和实践，制造商承诺：永磁电动机的寿命周期和异步电动机一样为20年；永磁电动机在运行一年内，或出厂二年内，如有因制造而产生的质量问题制造商为用户免费服务；