稀土永磁同步电机的特点及应用

目前节能改造中，很多企业考虑使用永磁同步电机，准确的讲，应该叫异步起动同步运转的永磁电机。这种电机，使用中可以同尺寸代替原来的Y,Y2,Y3等电机。减少了更换过程的麻烦。与普通电机相比，永磁电机有其自己的特点。
1 转速恒定，为同步转速。转速较普通电机稍高，比如普通电机4极转速为1400n/min多转，永磁同步电机转速就是1500n/min.其他转速电机，大致如此。
 2 功率因数高。永磁电机在正常运转时，转子转速和定子磁场转速一致，转子鼠笼条上没有电流，定子上感应电流减小，因此功率因数高。可以通过合理的设计，可使其工作在滞后功率因数、单位功率因数和超前功率因数。一般滞后功率因数都可以达到和超过0.95，大量使用永磁电机，可以省去无功功率补偿器等设备。
 3 效率高，特别是运行效率高。永磁电机正常运转时，由于转子上有永磁体--钕铁硼磁钢，靠永磁体的磁场就可以保证电机的正常运转，因此转子鼠笼条没有电流，也就没有绕组损耗。转子铁耗也没有，因此效率较普通电机高的多。目前，永磁同步电机一般设计很容易达到GB/T18613-2012版规定的2级能效，甚至达到1级指标；而普通电机，设计达到相应的性能就比较麻烦，这在小功率电机中表现的尤为明显。
 4  具有较宽的经济运行范围。普通电机的经济运行范围一般为额定负载的60~100%，低于60%的负载时，电机的效率和功率因数曲线下降很快，运行效率和功率因数很低。而永磁电机的经济运行范围远比普通电机宽，不仅在额定负载时效率很高，而且在25~120%额定负载的范围内都有较高的效率，效率曲线比较平滑，变化不大。电机效率基本不低于额定效率的80%。而普通电机在35%额定负载附近效率迅速下降，能低至30~40%。永磁电机在25%的负载时，功率因数也可以达到0.9以上，越轻载功率因数越高；而普通电机从额定负载是的0.85左右迅速下降到0.5以下。
 5 体积小，重量轻。由于永磁电机转子上应用了稀土永磁材料，损耗低，效率和功率因数高，达到同样的功率，在保证效率和功率因数的基础上，体积可以做的比普通电机小，重量可以轻。这在一些要求小机座号，做大功率的场合，具有普通电机不可比拟的优势。
 6 堵转转矩倍数高。普通电机堵转转矩倍数一般是额定转矩1.6~2.3倍，而永磁电机的堵转转矩一般可达2.4倍以上，有些规格甚至可达到3.5倍以上。有些场合称异步起动永磁电机为“高效高起动转矩永磁同步电机”，在一些设备上如石油抽油机，此性能发挥了不错的效果。原来采用普通电机的设备，起动转矩要求高的情况下，很多采用高滑差电机，但效率很低；再者就是增大容量，以增大起动转矩，但实际运行时，负载率很低，效率和功率因数都很低，造成设施和能源的浪费。而使用永磁电机，达到同样的转矩，就可以不适当的减小电机容量，永磁电机功率因数和效率都较高，节能效果就很明显。
 7 可以实现低速高效率。普通电机10极以上的电机很少，不是技术上达不到，而是转速越低，效率做不高，而且机座号做的很大，功率很小，这在以前被认为划不来的事。而永磁电机可以把极数做的很高，异步起动永磁电机有24极的，甚至32极。转速做的很低，可以对一些设备采用直驱，省去减速设施，从节能的角度来讲，这样可以提高效率。而且永磁电机因为转子损耗小，虽然极数高，效率也可以做的很高，节能前景很好。
 8 永磁电机成本高，加工工艺复杂。由于使用了高性能的稀土永磁材料钕铁硼，所以制造成本较高。永磁体放置在转子内部，设计和安装工艺复杂，也增加了制造成本。
 9 永磁电机的起动有自己的特点。永磁电机不可以采用如星--三角等降压起动方式，因为普通永磁电机（380V,50HZ),在电压降低到330V时，起动困难，转子抖动厉害。小功率的永磁电机一般采用直接起动的方式。大功率的永磁电机，在变压器容量足够大的情况下，而且对设备机械冲击要求不严的情况下也可以直接起动。否则，建议采用变频器驱动的软起动方式。关于纯软启动器对永磁电机的起动，目前正在研究中。
异步起动永磁电机的制造成本较高，目前还没有在所有的场合得到推广，用以替代普通三相感应电动机。它目前主要的应用场合：
1 对节能要求高的场合
  在工农业生产中，有大量的生产机械要求连续的以大致不变的速度运行，例如风机、泵、压缩机、普通车床等。这类机械设备大量采用普通三相感应电动机驱动，但感应电动机的效率和功率因数较低，能源浪费厉害。随着社会对节能的重视和国家对高效电机和永磁电机的推广力度的加大，这些节能潜力大的设备都有被永磁电机和普通高效电机代替的需求。而这些机械采用永磁电机则可获得比普通电机高得多的效率和功率因数。
在某些场合，负载率低，若采用普通电机，轻载时功率因数和效率低，经济运行范围窄，造成大量的电能浪费。若采用永磁电机，部分设备可适当的降低电机容量，可以实现高效、高功率因数和宽广的经济运行范围，节约大量的电能。
2 多台电动机同步运行的场合
在一些生产机械中，要求多台电动机同步运行。普通电机的转速和电源频率之间没有严格的固定关系，随着负载的变化而变化，即使是同一厂家生产相同规格的感应电动机，其转速也有一定的差别，难以保证多台电动机以相同的转速运行。永磁同步电动机的转速与电源频率之间有严格的固定关系，只要多台电动机的供电电源频率和电动机极对数相同，就可以方便的实现同步运行。这在某些纺织设备上已得到很好的推广。既节约了能源，又能很方便的实现电动机同步运行。
 
目前异步起动永磁同步电机应用经典的场合是在油田的抽油机。抽油机是油田的主要生产机械，所消耗的电能约占油田电能消耗的60%左右。抽油机对电动机的要求是大起动转矩、高效率和宽广的经济运行范围。若采用普通电机，为满足抽油机大起动转矩的要求，需配置大功率的电机，而平时运行时负载率较低，大多在40%以下，有的甚至30%的负载率，效率和功率因数很低，造成大量浪费。与普通电机相比，将永磁电机用于抽油机，具有以下优点：（1）经过合理设计，可以获得大起动转矩。因而可以用小机座号的永磁电机代替比其大1~2个机座号的普通电机，在减小了体积的同时，提高了效率；（2）可以获得高效率和高功率因数；（3）经济运行范围宽。这对于长期运行的抽油机来说，节能意义重大。
油田抽油机用380V系列永磁电机包括11KW、15KW、18.5KW、22KW、30KW、37KW、45KW共7个功率等级，每个功率等级都有6极8极两个规格，与普通电机的替代关系见表一。表二为22KW 、6极永磁电机与其替代的37KW、6极普通电机的比较，可以看出，起动转矩能够满足要求，起动电流与普通感应电流基本相当，效率和功率因数明显高于感应电动机。
  表一抽油机用永磁同步电机与感应电机的替代关系