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旺材电机
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来源 | 网络
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稀土永磁电机作为节能减排、 绿色能源及信息化等领域的发展焦点已成为众人研究的对象． 针对永磁风力发电机、 超高效永磁同步电动机、 交流永磁伺服电动机和特种永磁电机等已研究电机进行介绍和分析，列出各自的特点及适用场合，给出其与传统电机的性能对比结果． 由于用户对电机性能的要求日益增高， 电机结构日益新颖多样， 因此， 增加了设计及研究的复杂性． 通过多耦合系统、 多学科知识的整合，永磁电机的性能得到了进一步的优化，并且将会得到更大的发展． 低碳经济的到来为永磁电机带来增长契机，永磁风力发电机是可再生能源的主要发展方向之一． 超高效永磁电动机和调速高效永磁电动机在节能减排方面发挥了重大作用， 电动车用永磁电机和轨道交通用永磁电动机替代能源成为行业发展的另一焦点． 交流永磁伺服电动机和特种永磁电动机在信息化的进程中发挥着重要作用． 随着需求结构的调整， 用于节能环保领域的永磁电机将会出现大幅增长． 随着永磁材料性能的提高、 加工工艺的完善以及现代控制技术的发展， 永磁电机在工农业生产、 家用电器、 医疗设备、 航空航天、 航海和军工等各个领域均显示出了强大的生命力［ 1］ ， 并正在逐渐向更高水平发展． 目前，永磁电机最小外径仅为0. 8 mm，长 1. 2 mm， 大的外径可做到 12 m， 几十兆瓦( 风电、 舰艇等) ， 单台质量百余吨， 转速低的仅为 0. 2 r /h， 高的几十万转每分钟． 结构也不再局限于传统结构， 有横向磁通的、 轴向磁通的、 直线的、 双定子的和双转子的等［ 2］ ， 产量也将出现大的跨越． 1 永磁风力发电机
1. 1 风力发电机发展经历
第一代为定速定桨失速发电机组． 鼠笼异步发电机结构如图 1 所示， 其优点是结构简单、 可靠，部件标准化程度高， 便于采购， 单位千瓦成本造价低; 缺点是风能利用率低， 机组载荷冲击大，对电网冲击大且无支持作用．
第二代为变速变桨双馈发电机组． 双馈异步发电机结构如图 2 所示， 其优点是部件标准化程度高， 便于采购， 无需全功率逆变器， 单位千瓦成本造价较低; 缺点是电机集电环系统需要定期维护，故障率高， 负载变化对电网冲击大， 低电压穿越性能差． 第三代为变速变桨直驱 /半直驱发电机组． 永磁同步发电机结构如图 3 所示，其优点是多极、 低速， 很容易实现直驱， 取消了中间的齿轮传动环节，增加了系统的可靠性和传动效率; 无需励磁电源，效率高，损耗小，特别是在低负荷区效率高，适合风电中应用; 电能品质好， 对电网无冲击; 全功率变流器， 低电压穿越性能好; 高可靠性， 免维护或少维护， 适合大功率机组; 效率高， 机组年产能高; 电机可自然冷却． 缺点是质量大、 体积大，需全功率逆变器，设计制造较复杂且成本较高． 1. 2 永磁直驱风力发电机
当前，兆瓦级风力发电机在风电场中占主导
地位，而直驱永磁风力发电机组的应用越来越广
泛，它省去了增速齿轮箱，大大提高了可靠性和效率，提高了单位千瓦的发电量． 国内已成功开发出1 ～ 3 MW 的直驱 /半直驱永磁风力发电机， 正在研发 5 MW 的风力发电机组． 由于同样功率时， 电机的质量与其转速成反比， 兆瓦级的直驱永磁风力发电机( 每分钟只有十几转) 质量为几十吨， 运输和吊装都比较困难，吊装图如图 4 所示．
1. 3 混合励磁发电机
在发电机运行中为了保持电压不变， 需要进行电压调节． 对于永磁发电机来说， 转速变化、 温度变化或负载电流变化都会造成输出电压的变动，但由于永磁电机的气隙磁场是由永磁体和磁路磁导决定的，因此，调节气隙磁场困难会导致电压调节困难．
综合电励磁及永磁体励磁 2 种电机优点的混
合励磁同步发电机可解决调压困难的问题， 它的
优点是［ 3］ : 实现了无刷化， 免维护; 辅助电励磁部分的损耗小，具有永磁发电机的高效率特点; 可以进行电压调节， 解决了永磁发电机电压调节难的问题． 某混合励磁发电机定、 转子实物如图 5 所示，转子典型结构如图 6 所示． 2 超高效永磁同步电动机
2. 1 国际新标准
据国际电工委员会( IEC) 统计， 工业用电动机消耗全世界发电量的 30% ～ 40% ， 改善整个驱动系统和应用技术的效率对节能关系影响重大，系统优化总的节能潜力可达到 30% ～ 60% ． 根据
国际能源机构( IEA) 2006 年 7 月的工作报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约大约7% 的电能，其中大致有 1 /4 ～ 1 /3 是靠提高电动机效率来获得的． 目前，美、 欧、 日、 澳大利亚、 巴西等国都纷纷制订电动机效率限值并强制执行．
为协调各国能效分级标准，2006 年 IEC 制定
一项新的能效标准 IEC60034- 30． 该标准将一般用途电动机效率水平分为 IE1 ( International Efficiency，简称 IE) 、 IE2、 IE3 和 IE4 四级， 其中 IE1 为标准效率，相当于我国目前生产的普通系列感应电动机的效率水平; IE2 为高效率， 比普通电动机的效率平均提高 2. 75 个百分点，损耗平均下降约20% ; IE3 为超高效率，即效率再提高 1. 5 ～ 2 个百分点［ 4 － 5］ ， 损耗平均再降低约 15% ， 目前只有美国计划 2010 年达到 IE3 能耗水平， 强制执行; IE4为超超高效率， 损耗预计再下降约 20% ， 需要进行全新的电动机设计， 建立新的体系结构( 新的电动机极数、 速度范围) ， 采用更高性能的材料．由于 IE4 的技术目前尚不成熟， 该标准仅在附录中给出供参考的指标．
2. 2 永磁电动机的优势
总结我国研发生产高效永磁电动机的经验可以
得出: 永磁电动机容易做到高效率，即达到 IE2 级的效率值． 进一步优化设计，采用高性能硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁芯的情况下，可以达到超高效，即 IE3 级的效率值． 在不降低机座号或适当增加铁芯的情况下，部分规格可能达到超超高效，即 IE4 级的效率值． 下面举几个实例:
1) 油田抽油机用高效高起动转矩永磁同步电动机． 目前，油田抽油机用感应电动机普遍存在“大马拉小车” 现象， 电能浪费严重． 国内针对油田抽油机负载特性，在减小 1 ～ 2 个机座号的情况下开发出高效高起动转矩永磁同步电动机系列，如图 7 所示． 该系列电动机不仅在额定负载时效率和功率因数高， 而且在轻载( 1 /4 额定负载) 时仍具有较高的效率和功率因数， 在不同油田运行时节电率达 20% 以上，表 1 为其中 2 种典型规格电动机效率与感应电动机和 IE3 标准对比．
表 1 超高效永磁电动机与感应电动机和 IE3 标准对比
2) 化纤纺织用高效高牵入转矩永磁同步电动机． 在相同负载情况下，化纤纺织用电动机尺寸一般比普通电动机大 1 ～ 2 个等级，使得电动机在
运行时存在“大马拉小车” 现象， 电能浪费严重．
国内 经 过 多 年 研 究， 所 开 发 的 7. 5 kW 4 极、11 kW 4 极、 15 kW 4 极和 18. 5 kW 4 极在体积不增大的情况下能够达到超高效甚至超超高效， 性能指 标 比 较 结 果 见 表 2， 节 电 效 果 非 常 明 显，15 kW 4极电动机运行现场如图 8 所示．
表 2 超超高效高牵入同步能力永磁同步电动机与 IE4标准对比 图 8 15 kW 高效高牵入转矩永磁同步电动机运行现场
3) 高效高过载能力永磁同步电动机． 高效高过载能力永磁同步电动机主要是应用于风机、 泵
类负载． 国内通过对该类电动机的共性关键技术研究，解决了制约该类电动机的技术难题，开发出的 11 kW 2 极电动机和 18. 5 kW 4 极电动机都达到了 IE4 标准规定的效率值， 比较结果见表 3，图 9为超超高效永磁同步电动机． 4) 中型异步起动高效稀土永磁同步电动机．中型异步起动高效永磁同步电动机主要用作驱动“三机一泵” ( 风机、 压缩机、 冷冻机和水泵) ， 这类负载要求高效率、 高功率因数和高过载能力，同
时，要求运行稳定可靠． 制约中型高效稀土永磁同步电动机研发的主要因素是工艺结构问题， 中型永磁电动机转子冲片图如图 10 所示． 目前该类电动机主要是在原有电动机上进行改造，通过技术攻关，
研发出 1 150 kW 4 极、 1 120 kW 4 极、 300kW 4 极、260 kW 4 极和 310 kW 6 极几种典型规格样机，图 11为 1 150 kW 4 极样机照片． 2 种电动机性能指标与原感应电动机的对比如表 4 所示．
2. 3 变频调速高效稀土永磁电动机
1) 变频调速永磁电动机． 风机、 泵类负载还可以通过变频调速永磁电动机来提高节电率和降低起动电流． 国内已开发出 135、 200 和 300 kW 等多种规格变频调速高效永磁同步电动机，图 12 为300 kW 电动机照片． 变频调速电动机与异步电动机的性能比较如表 5 所示．
2) 船用永磁电动机． 通过对高效高功率密度船用永磁电动机一系列关键技术问题进行研究分析，如多相电动机设计的关键技术; 大功率电动机的永磁体和整机装配工艺; 高功率密度的永磁电动机，最终研制出了 250 kW 高效高功率密度船用永磁电动机样机， 样机如图 13 所示， 电压为 690V，采用六相双 Y 移 30°绕组，效率为 94. 7% ．
3 交流永磁伺服电动机
随着永磁材料性能的提高、 加工工艺的完善以及电动机材料的发展， 永磁伺服电动机在各个领域均显示出了强大的生命力．高性能的交流永磁伺服电动机具有效率高、功率因数高、 转动惯量小、 动态响应速度快、 低速平稳性好等许多优点， 广泛用于装备制造业( 机床、 机器人等) 、 家用电器、 医疗设备等场合．
3. 1 数控机床用交流永磁伺服电动机
现已开发出满足高精度机床要求的交流永磁伺服电 动 机， 主 要 规 格 为 TYJS900- 2000、TYJS1500-1500，该电动机主要优点在于: 1) 该系列电动机转速无级可调，运行稳定， 振动噪声低; 2) 动态性能好，低速运行平稳， 转矩脉动和转速脉动小， 转矩脉动小于 2. 5% ，转速脉动小于 1% ; 3) 过载能力高，有的高于 5 倍， 能完全满足机床上的需要;4) 效率、 功率因数高， 节能效果明显; 5) 该系列电动机采用新颖的结构设计， 使电动机的有效材料质量显著降低，体积小、 功率密度高．
从价格上来看， 生产的电动机价格为进口电
动机的 1 /2 ～ 2 /3． 因此， 不论从性价比上，还是从性能指标上，生产的电动机都占有绝对优势，在国际市场上具有很强的竞争优势， 替代了进口电动机，提升了装备制造业在国际市场上的竞争力，增加了出口创汇。
3. 2 曳引机用交流永磁伺服电动机
原有齿轮传动的电梯曳引机， 因齿轮箱的存在综合效率仅为 65% 左右， 且振动噪声很大， 维护也较困难． 现采用无齿轮曳引永磁电机后，效率可提高近 25 个百分点， 且动态性能较好， 特别是低速时运行平稳． 每台每年节约电费三千多元，有功节电率可达 28. 9% ． 图 14 为曳引机用交流伺服电动机结构图，图 15 为曳引电动机的实物图． 3. 3 超低速永磁力矩电动机
图16为超低速永磁电动机的典型结构， 图17为该样机的实物图． 该样机的额定功率为 2. 8kW，额定转速为5. 83 r /min，最低转速为0.003 r /min( 约为5 小时1 转) ，额定转矩为4 586 Nm，电动机外径达到 2 m． 该电动机解决了制约薄环超低速大转矩永磁电动机的加工工艺及工装等关键技术问题． 4 特种永磁电动机
4. 1 盘式永磁电动机
盘式永磁电动机的气隙是平面型的， 气隙磁场是轴向的，可以使电动机制成扁平型，可获得很高的转矩密度． 如制成多气隙组合式结构，可以进一步提高转矩， 特别适合于大力矩直接驱动装
置［ 6］ ． 图 18 为盘式永磁电动机的典型结构．
电动机的温度场分布取决于冷却介质和电磁损耗的分布，为了能够获得电动机温度的准确分布，建立永磁电动机磁场 电路 流场 温度场的耦合计算模型，在产品开发阶段即可完成热性能分析，从而降低试验成本， 缩短设计周期． 电动机的整机与转子温度场分布如图 19 所示．
4. 2 无铁芯永磁电动机
传统电动机的磁场是由电流产生的， 为了减少磁路磁阻，选用高磁导率的硅钢片叠压而成定、转子铁芯， 这样会导致电动机的体积大、 质量大( 铁芯约占总重的 60% ) 、 损耗大( 铁芯损耗约占
总损耗的 20% ～ 30% ) 、 振动噪声大． 无铁芯永磁电动机充分利用钕铁硼永磁材料的优异磁性能，少用或不用硅钢片， 并在磁路结构上采用聚磁型永磁体结构形式， 开发出具有高效率、 高功率因数、 高功率密度、 低噪声的千瓦级无铁芯钕铁硼永磁电动机， Halbach 型永磁体阵列示意图如图 20所示． 该电动机在数控机床、 机器人、 电动车、 电梯、 家用电器等要求较高的控制场合具有广阔的应用前景． 图 21 为无铁芯永磁电动机定、 转子实物图［ 7］ ． 表 6 列举了 2. 2 kW 无铁芯电动机与同规格的 Y2 系列异步电动机的对比分析． 但是，无铁芯电动机需要增大永磁体的磁化方向长度， 需要多用永磁材料， 制造工艺也较复杂，增大了成本． 在同样定子直径时，极数越多，轭部磁路越长，需要耗用的永磁材料越多．
盘式无铁芯永磁电动机的轭部磁路很短， 耗用 永磁材料增加有限． 所开发的5 kW 8极盘式无铁芯永磁电动机如图 22 所示， 效率为 91% ， 功率因数为 0. 96． 4. 3 横向磁通永磁电动机
横向磁通永磁电动机是一种近年引起广泛关注的新型电动机［ 8］ ． 传统电动机的齿和槽在同一平面内，齿宽和槽宽互相制约，改成横向磁通电动机后可以大大提高转矩密度． 图 23 所示为其与传统电动机的磁路对比． 传统电动机的磁力线所在平 面平行于电动机的旋转方向， 如图23a所示; 而横向磁通电动机磁力线所在平面垂直于电机的旋转方向， 如图 23b 所示． 在转子和定子铁芯的齿部，磁通沿径向平面流通，而定子铁芯轭部的磁通沿轴向流通， 流通方向相互垂直; 但是， 横向磁通永磁电机的结构工艺复杂， 图 24为横向磁通电机的一种典型结构． 5 结 论
由于用户要求稀土永磁电动机达到高功率密度、 高效率、 高动态响应和低速平稳性、 低振动噪声， 促使电动机的电磁负荷高， 结构新颖而又多样，增加了设计分析、 仿真计算和研究开发的复杂性． 电动机内存在着多种不同类型的多场耦合系统，涉及到电磁、 机械、 电子、 流体、 热学等多个学科，并且相互影响，需要在研究开发过程中更好地运用和发展多场耦合系统， 弄清各种场的分布规律及其控制技术， 在此基础上对各种参数进行综合分析比较和优化．
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