永磁同步電動(dòng)機(jī)

      永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在冶金行業(yè)（煉鐵廠和燒結(jié)廠等）、陶瓷行業(yè)（球磨機(jī)）、橡膠行業(yè)（密煉機(jī)）、石油行業(yè)（抽油機(jī)）、紡織行業(yè)（倍捻機(jī)、細(xì)紗機(jī)）等行業(yè)的中、低壓電動(dòng)機(jī)中獲得業(yè)績，并逐步積累設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

分類

   按照永磁體結(jié)構(gòu)分類：表面永磁同步電動(dòng)機(jī)（SPMSM）、內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)（IPMSM）。

   按照定子繞組感應(yīng)電勢波形分類：正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)、無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

    永磁同步電動(dòng)機(jī)（英文名稱為permanent mag?net synchronous motor，簡稱PMSM）主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋及定子等各部件組成。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)的最大不同是在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極，根據(jù)在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)通常被分為表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

   永磁體的放置方式對電動(dòng)機(jī)性能影響很大。表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)—永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，但產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩很小，僅適合于啟動(dòng)要求不高的場合，很少應(yīng)用。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)—永磁體位于鼠籠導(dǎo)條和轉(zhuǎn)軸之間的鐵芯中，啟動(dòng)性能好，目前的絕大多數(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)都采用這種結(jié)構(gòu)。永磁同步電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)見圖1。[] 

永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

   永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行是由定子繞組、轉(zhuǎn)子鼠籠繞組和永磁體這三者產(chǎn)生的磁場的相互作用而形成。電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，給定子繞組通入三相對稱電流，產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在籠型繞組內(nèi)產(chǎn)生電流，形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子由靜止開始加速轉(zhuǎn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)子永磁磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不同，會(huì)產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速到速度接近同步轉(zhuǎn)速的時(shí)候，轉(zhuǎn)子永磁磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速接近相等，定子旋轉(zhuǎn)磁場速度稍大于轉(zhuǎn)子永磁磁場，它們相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入到同步運(yùn)行狀態(tài)。在同步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流。此時(shí)轉(zhuǎn)子上只有永磁體產(chǎn)生磁場，它與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由此可知，永磁同步電動(dòng)機(jī)是靠轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的。啟動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)子繞組不再起作用，由永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

工作方式

    發(fā)電機(jī)獲得勵(lì)磁電流的幾種方式
　　1、直流發(fā)電機(jī)供電的勵(lì)磁方式
　　這種勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)具有專用的直流發(fā)電機(jī)，這種專用的直流發(fā)電機(jī)稱為直流勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁機(jī)一般與發(fā)電機(jī)同軸，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵(lì)磁機(jī)獲得直流電流。這種勵(lì)磁方式具有勵(lì)磁電流獨(dú)立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點(diǎn)，是過去幾十年間發(fā)電機(jī)主要?jiǎng)?lì)磁方式，具有較成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。缺點(diǎn)是勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護(hù)工作量大，故在10MW以上的機(jī)組中很少采用。

2、交流勵(lì)磁機(jī)供電的勵(lì)磁方式
　　現(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)有的采用交流勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流。交流勵(lì)磁機(jī)也裝在發(fā)電機(jī)大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整

流后供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，此時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式屬他勵(lì)磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵(lì)靜止勵(lì)磁，交流副勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流。交流副勵(lì)磁機(jī)可以是永磁測量裝置機(jī)或是具有自勵(lì)恒壓裝置的交流發(fā)電機(jī)。為了提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度，交流勵(lì)磁機(jī)通常采用100——200HZ的中頻發(fā)電機(jī)，而交流副勵(lì)磁機(jī)則采用400——500HZ的中頻發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的直流勵(lì)磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子只有齒與槽而沒有繞組，像個(gè)齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉(zhuǎn)動(dòng)接觸部件，具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。

3、無勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式
　　在勵(lì)磁方式中不設(shè)置專門的勵(lì)磁機(jī)，而從發(fā)電機(jī)本身取得勵(lì)磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機(jī)本身勵(lì)磁，稱自勵(lì)式靜止勵(lì)磁。自勵(lì)式靜止勵(lì)磁可分為自并勵(lì)和自復(fù)勵(lì)兩種方式。自并勵(lì)方式它通過接在發(fā)電機(jī)出口的整流變壓器取得勵(lì)磁電流，經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，這種勵(lì)磁方式具有結(jié)簡單，設(shè)備少，投資省和維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)。自復(fù)勵(lì)磁方式除設(shè)有整流變壓外，還設(shè)有串聯(lián)在發(fā)電機(jī)定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時(shí)，給發(fā)電機(jī)提供較大的勵(lì)磁電流，以彌補(bǔ)整流變壓器輸出的不足。這種勵(lì)磁方式具有兩種勵(lì)磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源。 

永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1、損耗低、溫升低

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過勵(lì)磁電流來產(chǎn)生磁場而導(dǎo)致的勵(lì)磁損耗，即銅耗；轉(zhuǎn)子運(yùn)行無電流，顯著降低電動(dòng)機(jī)溫升，在相同負(fù)載情況下溫升低20K以上。

2、功率因數(shù)高

永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高，且與電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)無關(guān)，電動(dòng)機(jī)滿負(fù)載時(shí)功率因數(shù)接近1，這樣相比異步電動(dòng)機(jī)，其電動(dòng)機(jī)電流更小，相應(yīng)地電動(dòng)機(jī)的定子銅耗更小，效率也更高。而異步電動(dòng)機(jī)隨著電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)的增加，功率因數(shù)越來越低。而且，因?yàn)橛来磐诫妱?dòng)機(jī)功率因數(shù)高，電動(dòng)機(jī)配套的電源（變壓器）容量理論上是可以降低，同時(shí)可以降低配套的開關(guān)設(shè)備和電纜等規(guī)格。

3、效率高

相比異步電動(dòng)機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)效率值要高很多，其高效運(yùn)行范圍寬，在25%～120%范圍內(nèi)效率大于90%，永磁同步電動(dòng)機(jī)額定效率可達(dá)現(xiàn)行國標(biāo)的1級(jí)能效要求，這是其在節(jié)能方面，相比異步電動(dòng)機(jī)最大的一個(gè)優(yōu)勢。實(shí)際運(yùn)行中，電動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)很少以滿功率運(yùn)行。其原因是：一方面，設(shè)計(jì)人員在電動(dòng)機(jī)選型時(shí)，一般是依據(jù)負(fù)載的極限工況來確定電動(dòng)機(jī)功率，而極限工況出現(xiàn)的機(jī)會(huì)是很少的，同時(shí)，為防止在異常工況時(shí)燒損電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)進(jìn)一步給電動(dòng)機(jī)的功率留裕量；另一方面，電動(dòng)機(jī)制造商為保證電動(dòng)機(jī)的可靠性，通常會(huì)在用戶要求的功率基礎(chǔ)上，進(jìn)一步留一定的功率裕量。這樣就導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，大多數(shù)工作在額定功率的70%以下，特別是驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)或泵類負(fù)載，電動(dòng)機(jī)通常工作在輕載區(qū)。對異步電動(dòng)機(jī)來講，其輕載效率很低，而永磁同步電動(dòng)機(jī)在輕載區(qū)，仍能保持較高的效率。

4、其它優(yōu)勢

永磁同步電動(dòng)機(jī)還具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)時(shí)間較短、高過載能力的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際軸功率降低設(shè)備驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量，節(jié)約能源同時(shí)減少固定資產(chǎn)的投資。永磁同步電動(dòng)機(jī)控制方便，轉(zhuǎn)速恒定，不隨負(fù)載的波動(dòng)、電壓的波動(dòng)而變化，只決定于頻率，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。由于轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，適合變頻控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)的安裝外形尺寸符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，可以直接替換三相異步電動(dòng)機(jī)，防護(hù)等級(jí)可以做到IP54和IP55，個(gè)別廠家還生產(chǎn)防爆型永磁同步電動(dòng)機(jī)。

設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）目前發(fā)布的永磁同步電動(dòng)機(jī)能效等級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)僅為GB30253-2013《永磁同步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，適用于1140V及以下的0.55～375kW、2～16極的異步起動(dòng)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率，目前只能參照中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CEEIA229-2015《TYC系列（IP23）高效高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》和CEEIA230-2015《TYCKK系列（IP44）高效高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》。

（2）永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流倍數(shù)約為9倍，較異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流大10%。

（3）永磁同步電動(dòng)機(jī)不能采用降壓啟動(dòng)方式。因?yàn)樵诮祲汗╇姉l件下，其異步啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降比異步電動(dòng)機(jī)大，會(huì)造成啟動(dòng)困難。

（4）關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)特性和系統(tǒng)短路時(shí)的反饋電流，不同設(shè)備制造廠的參數(shù)差別較大，且由于相關(guān)數(shù)據(jù)獲取較難，永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，對廠用電系統(tǒng)的短路水平和啟動(dòng)計(jì)算校驗(yàn)帶來一些不確定的因素。