0 引言

同步電動(dòng)機(jī)相對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言，有著高功率因素、高效率、轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、定轉(zhuǎn)子間氣隙大、控制性能好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高轉(zhuǎn)矩/慣量比等，在石油、化工、輕紡、礦山、車輛、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、及航空航天等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，正面向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方面發(fā)展。

永磁同步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子與異步電動(dòng)機(jī)相同，由三相繞組和定子鐵心組成。轉(zhuǎn)子上安裝有預(yù)先磁化（充磁）過(guò)的永磁體，不需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場(chǎng)，這既可簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能源。本文從永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)出發(fā)，接合實(shí)際運(yùn)用來(lái)闡述推廣永磁同步電動(dòng)機(jī)的綜合效益。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)

（1）由于轉(zhuǎn)子采用永磁體制成，因此磁通密度高，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，消除了勵(lì)磁損耗。與異步電機(jī)相比，減少了定子邊繞組的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子邊的銅、鐵損耗，大幅度減少了無(wú)功電流，由于定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)同步，轉(zhuǎn)子鐵心無(wú)基波鐵耗，因此效率（關(guān)系有功電能）和功率因素（關(guān)系無(wú)功電能）都比異步電動(dòng)機(jī)高。永磁同步電動(dòng)機(jī)一般設(shè)計(jì)得即使在輕載運(yùn)行時(shí)功率因素和效率也較高，圖1為某臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)與同規(guī)格異步電動(dòng)機(jī)效率和功率因素的比較曲線。從電機(jī)的負(fù)載變化看， 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)可以在25%～120% 額定功率的范圍內(nèi)保持高功率因數(shù)和高效率狀態(tài)下運(yùn)行，而一般三相異步電動(dòng)機(jī)通常只能在60%~100% 額定功率保持一種較高性能工作。

（2）永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率維持嚴(yán)格不變的的固定關(guān)系，與異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)有較大的轉(zhuǎn)差率不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，對(duì)于因負(fù)載變化引起的電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有較強(qiáng)的承受能力。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心可做成鏤空結(jié)構(gòu)以減少轉(zhuǎn)子慣量，而且永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間都比異步電動(dòng)機(jī)快很多，高轉(zhuǎn)矩/慣量比使得永磁同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)響應(yīng)更快。

圖1兩種電機(jī)效率和功率因素比較

（3）永磁同步電動(dòng)機(jī)的尺寸較異步電動(dòng)機(jī)大大減小，重量也大為減輕。同樣散熱條件和絕緣材料的永磁同步電動(dòng)機(jī)比三相異步電動(dòng)機(jī)功率密度大2倍以上。設(shè)備占地面積小，有效減少成本。

（4）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，便于維護(hù)，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。

交流永磁伺服電機(jī)，其轉(zhuǎn)子上的磁鋼與鐵心通常采用高溫膠粘接在一起，膠水固化時(shí)間一般比較長(zhǎng)，增加了生產(chǎn)周期和成本，并且電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，磁鋼在溫度變化、沖擊力等的反復(fù)作用下，有變形乃至脫落的風(fēng)險(xiǎn)。為解決定這一技術(shù)難題，有些廠家將磁瓦膠粘工藝改為由不銹鋼套機(jī)械緊固的方式，如圖2所示，完全消除了磁鋼松脫的風(fēng)險(xiǎn)。

a) 正面

b) 測(cè)面

圖2 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)

三相異步電動(dòng)機(jī)由于要設(shè)計(jì)較高的功率因素，就必需把定轉(zhuǎn)子間的氣隙做的很小，同時(shí)氣隙的均勻性對(duì)電機(jī)的安全運(yùn)行和振動(dòng)噪聲也至關(guān)重要，對(duì)此異步電動(dòng)機(jī)對(duì)零部件的形位公差和裝配同心度的要求就相對(duì)嚴(yán)格，對(duì)軸承游隙選擇的自由度也比較少，較大機(jī)座的異步電機(jī)通常使用油浴潤(rùn)滑方式的軸承，必需在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)加注潤(rùn)滑油，油腔漏油或加注不及時(shí)都會(huì)加速軸承失效，在三相異步電動(dòng)機(jī)維修中，軸承的維護(hù)占了很大的比例。另外由于三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有感應(yīng)電流的存在，軸承的電腐蝕問(wèn)題也在近幾年被很多研究者所關(guān)注，永磁同步電動(dòng)機(jī)則不存在此類問(wèn)題。永磁同步電動(dòng)機(jī)由于氣隙較大，以上異步電動(dòng)機(jī)氣隙小而引起的相關(guān)問(wèn)題在同步電動(dòng)機(jī)上表現(xiàn)的并不明顯，同時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的軸承采用帶防塵蓋的脂潤(rùn)滑軸承，軸承在出廠時(shí)已封入了適量的優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑脂，可終生免維護(hù)。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用

2.1 電液伺服注塑機(jī)應(yīng)用方案

傳統(tǒng)注塑機(jī)使用三相異步電動(dòng)機(jī)帶定量泵，注塑機(jī)工作過(guò)程中，電機(jī)需要長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。通過(guò)伺服油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能改造，永磁同步電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)和大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以在注塑機(jī)需要完成注塑成型時(shí)才啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵產(chǎn)生壓力，在下料和合模的過(guò)程中，油泵主電機(jī)則處于停機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了間歇零功耗，通過(guò)對(duì)比節(jié)能率最高可達(dá)85% 。

在優(yōu)異的伺服電機(jī)算法控制下，噪音大大低于普通注塑機(jī)。在配置低噪聲螺桿泵的理想狀態(tài)下，注塑機(jī)整機(jī)噪音低于70 分貝。實(shí)現(xiàn)靜音運(yùn)行，改善工作環(huán)境。

2.2 鐵礦干選機(jī)上的節(jié)能應(yīng)用

使用現(xiàn)場(chǎng)為西北某采礦場(chǎng)，多粉塵環(huán)境。該設(shè)備共使用125臺(tái)電動(dòng)機(jī)，揚(yáng)卷設(shè)備啟動(dòng)時(shí)需要有較大的啟動(dòng)力矩，而正常作業(yè)時(shí)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在30%～50%額定功率的輕載狀態(tài)，原先使用的三相異步電動(dòng)機(jī)其效率僅為65%左右，功率因數(shù)為0.4～0.6 左右，造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，選用永磁同步電動(dòng)機(jī)，節(jié)能效果非常明顯。節(jié)電測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。圖3是替換前后的現(xiàn)場(chǎng)照片。

表1  125臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)與高效三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)電參數(shù)對(duì)比

a) 變頻三相異步電動(dòng)機(jī)

b) 永磁同步電動(dòng)機(jī)

圖3永磁同步電動(dòng)替換異步電動(dòng)機(jī)在鐵礦干選機(jī)上的使用

3 用戶較關(guān)心的幾個(gè)問(wèn)題

3.1 電機(jī)壽命

同步電機(jī)采用耐用的編碼器作為角度測(cè)量器件，能滿足電機(jī)高精度控制要求。在控制精度稍低，無(wú)過(guò)載要求的條件下使用，可以采用無(wú)傳感器矢量控制方式，節(jié)約角度測(cè)量裝置的成本。整個(gè)電機(jī)的壽命取決于軸承的使用壽命，電機(jī)外殼一般采用IP54的防護(hù)等級(jí)，特殊環(huán)境下可以提高至IP65，能滿足大部分粉塵和潮濕環(huán)境的使用要求。在保證電機(jī)軸伸安裝同軸度較好，轉(zhuǎn)軸徑向載荷適量的情況下，電機(jī)軸承最少使用壽命在2萬(wàn)小時(shí)以上。其次是散熱風(fēng)機(jī)的壽命，風(fēng)機(jī)采用的是單相220V罩極馬達(dá)，使用壽命比電容運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)長(zhǎng)。在粉塵潮濕環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，需定期清除風(fēng)機(jī)上附著的粘性物質(zhì)，以防止風(fēng)機(jī)因負(fù)荷過(guò)重而燒毀。

3.2 永磁材料的失效與防護(hù)

永磁電機(jī)的發(fā)展是與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)的，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異的磁性材料特別適合于制造電機(jī)，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低，使得永磁電機(jī)的研究和使用取得了飛速的發(fā)展。

永磁材料對(duì)永磁電機(jī)的重要性不言而喻，其成本占整臺(tái)電機(jī)材料成本近1/4以上。對(duì)此我司還專門對(duì)永磁材料制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中重點(diǎn)包含耐腐蝕、一致性、高溫退磁試驗(yàn)、線性退磁曲線試驗(yàn)等內(nèi)容?，F(xiàn)在的永磁材料已能在電機(jī)繞組極限允許溫升下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，退磁率在2%以內(nèi)。常規(guī)的永磁材料要求表面鍍層承受大于24小時(shí)的鹽霧試驗(yàn)，對(duì)氧化腐蝕較嚴(yán)重的環(huán)境，用戶需聯(lián)系廠家選用防護(hù)技術(shù)更高的永磁材料。

3.3線圈燒壞

傳統(tǒng)的異步電機(jī)線圈燒壞故障率高達(dá)8%以上，主要與電機(jī)的熱保護(hù)和電工材料的品質(zhì)有關(guān)。傳統(tǒng)的異步電機(jī)幾乎沒(méi)有熱保護(hù)元件，追求產(chǎn)量的廠家在電機(jī)絕緣處理環(huán)節(jié)也是大打折扣，維修后的電機(jī)，絕緣處理更加薄弱。永磁同步電動(dòng)機(jī)可在線圈內(nèi)埋有熱敏元件，當(dāng)線圈溫升達(dá)到F級(jí)絕緣極限溫升105K時(shí)，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)熱敏元件采集的溫度信號(hào)對(duì)電機(jī)實(shí)行過(guò)熱保護(hù)，確保電機(jī)安全運(yùn)行，同時(shí)電機(jī)定子采用兩次真空浸漆工藝，大大提高了定子合格率。

4 結(jié)語(yǔ)

從經(jīng)濟(jì)效益分析：永磁同步電動(dòng)機(jī)特別適合重啟動(dòng)輕運(yùn)行的使用場(chǎng)合，推廣使用永磁同步電動(dòng)機(jī)具有積極的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)節(jié)能減排意義重大。在可靠性和穩(wěn)定性方面，永磁同步電動(dòng)機(jī)也具有可貴的優(yōu)勢(shì)。