摘要：随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加之永磁材料的价格逐步降低以及电力电子器件进一步的发展，永磁电机的研究与开发已逐步成熟，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。本文简要概述了永磁同步电机的原理以及在节能降耗中的应用。
关键词：永磁电机；永磁材料；节能降耗
随着磁材料的发展，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类，永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用，而永磁同步电机的发展和使用正符合可持续发展的重大课题。在交流电网上，生产企业广泛使用交流异步电动机拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，功率因数低；轻载时尤为严重，大大增加线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，而这类拖动无形中损失了大量电能。近年来永磁同步电机的发展已慢慢替代了普通高耗能、低效率的异步电机。
1.A公司现用电机情况
A公司目前设备使用电机控制方式95％为异步电动机变频器控制，而离心锅炉引风机采用励磁同步电动机，其励磁装置故障率较高，而如果直接改造为异步电动机高压变频器调速，虽然可以节约电能，但其功率因数较低，从电网吸收的无功功率较多，对电网的冲击是一个不可忽略的安全因素。A公司现有500kW异步电机4台，800kW励磁同步电机6台，由于电机控制有技术限制所以节能效果不显著。随着永磁同步电动机的及其控制技术的发展，永磁同步电动机在其高效节能、高性能的前提下，永磁同步电动机的为一个好的选择。
2.永磁同步电机的原理及特点
2.1永磁式同步电机的原理
永磁同步电动机的原理与现用普通电机原理主要有以下区别：与异步电动机相比，由于它不需要无功励磁电流；与普通同步电动机相比，它省去了励磁装置、换向器、电刷等，简化了结构。由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可形成两种波分别为：正弦波和梯形波。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就形成了两种不同的永磁同步电动机，它们在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。
2.2永磁式同步电机的特点
2.2.1结构特点
永磁式同步电动机有以下特点：结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、无换向器和电刷（与现用同步电机相比较）、无需从电网吸收无功功率、启停对电网无冲击等优点。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，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。
在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处有以下几方面，永磁体替代电激磁磁极、简化了结构、消除了转子的滑环、电刷、实现了无刷结构、缩小了转子体积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。如今已有一小部分中小功率的同步电动机采用永磁式结构。高性能永磁材料的发展，不但使PMSM（正弦型永磁同步电动机）实现了无刷化，使永磁同步电动机和异步电动机一样具有结构简单、可靠性高等优点；同时由于它无需激磁绕组，明显地减小了体积、重量、损耗、发热，提高了效率和功率因数，具有明显的节能效果。
2.2.2节能特点
近年来国内外正大力推广PMSM的应用永磁同步电机因其自身的一些优点而得到越来越广泛的应用。中国铝业青海分公司目前设备所使用的电机控制方式大多数为异步电动机变频器控制，而高压锅炉引风机采用励磁同步电动机，其励磁装置故障率较高，而如果直接改造为异步电动机高压变频器调速，虽然可以节约电能，但其功率因数较低。
随着永磁同步电动机的及其控制技术的发展，永磁同步电动机及其专用变频器的出现，在在节能降耗的前提下，采用永磁同步电动机能更好的达到节能降耗得目的，使电能利用率达到最大化。永磁同步电动机的转速n始终为n=60f/p不变，式中f为设定频率，p为电机极对数。由于不需要从电网吸收无功电流，转子上既无铜耗又无铁耗，所以同步电机在很宽的负载范围内能保持接近于1的功率因数，机器效率比同容量的异步电动机提高8％左右，力能指标（η*cosΦ）提高18％左右。稀土永磁同步电动机的功率密度比同容量的异步电动机提高5％左右。
综上所述，永磁同步电机的节能效果是非常显著的。
3.永磁同步电机与普通电机的比较
永磁同步电机与异步电动机相比，由于它不需要无功励磁电流，因而效率高、功率因数高、力矩惯量比大、定子电流和定子电阻损耗减小、且转子参数可测、控制性能好。
永磁同步电机与普通直流电动机相比，它省去了励磁装置、碳刷和换向器、简化了结构、提高了效率。由于普通同步电动机受到电刷和换向器限制，没有向高速度、大容量发展。主要原因是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大；换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还有无线电对周围的电器设备的干扰源和影响。下表为三种类型电机的综合性能比较：
表1三大类电动机的综合特性比较表
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实践表明，在功率不大于10kW连续运行的场合，为了减小体积、节省材料、提高效率、降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直流电动机逐步替代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱动器，故在国内工业现场中应用较少见。
4.总结
由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。永磁同步电动机已在从小到大、从一般控制驱动到高精度的伺服驱动、从人们日常生活到各种工业生产以及高精尖端的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且会越来越普遍。目前，永磁同步电机正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。
参考文献
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[2]满永奎.电机学及应用[M].北京：机械工业出版社,2013
[3]李发海.王岩，电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社,2013
作者简介
康清花（1988-9-26），女，汉族，青海西宁人，学历大专，助理工程师，研究方向为电气自动化。
论文作者:康清花
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
标签：永磁论文; 同步电动机论文; 电机论文; 同步电机论文; 异步电动机论文; 换向器论文; 直流电动机论文; 《基层建设》2019年第30期论文;