稀土永磁同步電機的特點及應用

目前節能改造中，很多企業考慮使用永磁同步電機，準確的講，應該叫異步起動同步運轉的永磁電機。這種電機，使用中可以同尺寸代替原來的Y,Y2,Y3等電機。減少了更換過程的麻煩。與普通電機相比，永磁電機有其自己的特點。
1 轉速恒定，為同步轉速。轉速較普通電機稍高，比如普通電機4極轉速為1400n/min多轉，永磁同步電機轉速就是1500n/min.其他轉速電機，大致如此。
 2 功率因數高。永磁電機在正常運轉時，轉子轉速和定子磁場轉速一致，轉子鼠籠條上沒有電流，定子上感應電流減小，因此功率因數高?？梢酝ㄟ^合理的設計，可使其工作在滯后功率因數、單位功率因數和超前功率因數。一般滯后功率因數都可以達到和超過0.95，大量使用永磁電機，可以省去無功功率補償器等設備。
 3 效率高，特別是運行效率高。永磁電機正常運轉時，由于轉子上有永磁體--釹鐵硼磁鋼，靠永磁體的磁場就可以保證電機的正常運轉，因此轉子鼠籠條沒有電流，也就沒有繞組損耗。轉子鐵耗也沒有，因此效率較普通電機高的多。目前，永磁同步電機一般設計很容易達到GB/T18613-2012版規定的2級能效，甚至達到1級指標；而普通電機，設計達到相應的性能就比較麻煩，這在小功率電機中表現的尤為明顯。
 4  具有較寬的經濟運行范圍。普通電機的經濟運行范圍一般為額定負載的60~100%，低于60%的負載時，電機的效率和功率因數曲線下降很快，運行效率和功率因數很低。而永磁電機的經濟運行范圍遠比普通電機寬，不僅在額定負載時效率很高，而且在25~120%額定負載的范圍內都有較高的效率，效率曲線比較平滑，變化不大。電機效率基本不低于額定效率的80%。而普通電機在35%額定負載附近效率迅速下降，能低至30~40%。永磁電機在25%的負載時，功率因數也可以達到0.9以上，越輕載功率因數越高；而普通電機從額定負載是的0.85左右迅速下降到0.5以下。
 5 體積小，重量輕。由于永磁電機轉子上應用了稀土永磁材料，損耗低，效率和功率因數高，達到同樣的功率，在保證效率和功率因數的基礎上，體積可以做的比普通電機小，重量可以輕。這在一些要求小機座號，做大功率的場合，具有普通電機不可比擬的優勢。
 6 堵轉轉矩倍數高。普通電機堵轉轉矩倍數一般是額定轉矩1.6~2.3倍，而永磁電機的堵轉轉矩一般可達2.4倍以上，有些規格甚至可達到3.5倍以上。有些場合稱異步起動永磁電機為“高效高起動轉矩永磁同步電機”，在一些設備上如石油抽油機，此性能發揮了不錯的效果。原來采用普通電機的設備，起動轉矩要求高的情況下，很多采用高滑差電機，但效率很低；再者就是增大容量，以增大起動轉矩，但實際運行時，負載率很低，效率和功率因數都很低，造成設施和能源的浪費。而使用永磁電機，達到同樣的轉矩，就可以不適當的減小電機容量，永磁電機功率因數和效率都較高，節能效果就很明顯。
 7 可以實現低速高效率。普通電機10極以上的電機很少，不是技術上達不到，而是轉速越低，效率做不高，而且機座號做的很大，功率很小，這在以前被認為劃不來的事。而永磁電機可以把極數做的很高，異步起動永磁電機有24極的，甚至32極。轉速做的很低，可以對一些設備采用直驅，省去減速設施，從節能的角度來講，這樣可以提高效率。而且永磁電機因為轉子損耗小，雖然極數高，效率也可以做的很高，節能前景很好。
 8 永磁電機成本高，加工工藝復雜。由于使用了高性能的稀土永磁材料釹鐵硼，所以制造成本較高。永磁體放置在轉子內部，設計和安裝工藝復雜，也增加了制造成本。
 9 永磁電機的起動有自己的特點。永磁電機不可以采用如星--三角等降壓起動方式，因為普通永磁電機（380V,50HZ),在電壓降低到330V時，起動困難，轉子抖動厲害。小功率的永磁電機一般采用直接起動的方式。大功率的永磁電機，在變壓器容量足夠大的情況下，而且對設備機械沖擊要求不嚴的情況下也可以直接起動。否則，建議采用變頻器驅動的軟起動方式。關于純軟啟動器對永磁電機的起動，目前正在研究中。
異步起動永磁電機的制造成本較高，目前還沒有在所有的場合得到推廣，用以替代普通三相感應電動機。它目前主要的應用場合：
1 對節能要求高的場合
  在工農業生產中，有大量的生產機械要求連續的以大致不變的速度運行，例如風機、泵、壓縮機、普通車床等。這類機械設備大量采用普通三相感應電動機驅動，但感應電動機的效率和功率因數較低，能源浪費厲害。隨著社會對節能的重視和國家對高效電機和永磁電機的推廣力度的加大，這些節能潛力大的設備都有被永磁電機和普通高效電機代替的需求。而這些機械采用永磁電機則可獲得比普通電機高得多的效率和功率因數。
在某些場合，負載率低，若采用普通電機，輕載時功率因數和效率低，經濟運行范圍窄，造成大量的電能浪費。若采用永磁電機，部分設備可適當的降低電機容量，可以實現高效、高功率因數和寬廣的經濟運行范圍，節約大量的電能。
2 多臺電動機同步運行的場合
在一些生產機械中，要求多臺電動機同步運行。普通電機的轉速和電源頻率之間沒有嚴格的固定關系，隨著負載的變化而變化，即使是同一廠家生產相同規格的感應電動機，其轉速也有一定的差別，難以保證多臺電動機以相同的轉速運行。永磁同步電動機的轉速與電源頻率之間有嚴格的固定關系，只要多臺電動機的供電電源頻率和電動機極對數相同，就可以方便的實現同步運行。這在某些紡織設備上已得到很好的推廣。既節約了能源，又能很方便的實現電動機同步運行。
 
目前異步起動永磁同步電機應用經典的場合是在油田的抽油機。抽油機是油田的主要生產機械，所消耗的電能約占油田電能消耗的60%左右。抽油機對電動機的要求是大起動轉矩、高效率和寬廣的經濟運行范圍。若采用普通電機，為滿足抽油機大起動轉矩的要求，需配置大功率的電機，而平時運行時負載率較低，大多在40%以下，有的甚至30%的負載率，效率和功率因數很低，造成大量浪費。與普通電機相比，將永磁電機用于抽油機，具有以下優點：（1）經過合理設計，可以獲得大起動轉矩。因而可以用小機座號的永磁電機代替比其大1~2個機座號的普通電機，在減小了體積的同時，提高了效率；（2）可以獲得高效率和高功率因數；（3）經濟運行范圍寬。這對于長期運行的抽油機來說，節能意義重大。
油田抽油機用380V系列永磁電機包括11KW、15KW、18.5KW、22KW、30KW、37KW、45KW共7個功率等級，每個功率等級都有6極8極兩個規格，與普通電機的替代關系見表一。表二為22KW 、6極永磁電機與其替代的37KW、6極普通電機的比較，可以看出，起動轉矩能夠滿足要求，起動電流與普通感應電流基本相當，效率和功率因數明顯高于感應電動機。
  表一抽油機用永磁同步電機與感應電機的替代關系