观察一下永磁电机的动向_泰兴减速机

文章出处：宝泰网络部人气：202发表时间：2020-04-16

关注泰兴减速机行业！观察永磁电机的发展趋势

　　永磁电机因其结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高、起动转矩大、经济运行范围广等优点，于2015年11月被工业和信息化部列为《节能机电设备（产品）推荐目录（第六批）》。它目前是推广节能新技术的关键产品。近年来，永磁同步电机上出现了许多高端电机，如六相永磁同步电机。用它为船舶提供动力，它的体积比传统的DC发动机小近60%，损耗减少近20%。船舶推进用永磁同步电机的最大安装容量为38MW。我国已经研制出3MW高速永磁风力发电机。目前，永磁同步电机正朝着更大的调速范围和更高的控制精度发展，高性能永磁材料受到青睐。然而，在减速器行业，随着永磁电机的发展，其热度确实令人恐惧。原因是永磁电机取代减速器的声音时有发生。今天的减速器盘点了一些行业中永磁电机替代减速器的相关情况：

泰兴减速机

　　起重行业传动系统减速器被替代

　　在起重行业的传统机械设备中，由异步电动机加机械减速机构组成的驱动系统占主导地位，但其结构复杂，转动惯量大，整体效率低，噪声大，润滑油泄漏污染大，维护频繁。

　　如果传统的起重机取消减速器，几乎不可能直接由异步电机驱动。这是因为当异步电动机低速运行时，电动机的极对数将相对较大。此时，电机的励磁电流比例很大，空载电流很大，电机的效率和功率因数很低。

　　那么用永磁同步电机代替起重机驱动电机就可以解决上述问题。由于永磁同步电动机的励磁是由永磁体产生的，并且不需要来自定子的额外励磁电流，所以永磁同步电动机的功率因数可以变得非常高。同时，由于电机定子电流的无功分量极低，其值明显低于相同极数和相同容量的感应电机，特别是当电机极数较大时，可降低定子铜耗30% ~ 50%。永磁同步电机易于实现多极数，在宽负载范围内具有良好的效率和功率因数特性，使得取消机械减速器，实现低速大转矩电机的直接驱动成为可能。

　　不同极槽起重机起升机构同步电机的比较研究

　　气隙磁通密度：永磁同步电机气隙磁通密度的分布对电机性能影响很大，理想的波形是正弦分布，但由于其磁路的特点，波形不是严格的正弦分布，需要采取一定的措施来优化磁通密度波形。

　　空载反电动势：空载反电动势由绕组中的气隙基波磁通产生。它的大小影响电机的动态性能，并决定电机是否处于工作退磁或退磁状态。合理的设计保证其正弦度可以降低定子电流，减少谐波引起的损耗和振动。

　　槽转矩：永磁电机绕组未通电时，永磁体和定子铁芯之间相互作用产生的转矩是由永磁体和电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的，导致转矩脉动。其波形周期等于极槽数的最小公倍数(LCM)。削弱齿槽转矩的有效方法包括：斜槽、斜极、不等厚永磁体、调整极弧系数等。

　　水泥行业更换磨煤机减速机

　　水泥厂有两台磨煤机，原电机驱动方式为“电机减速器”(YRKK560-6 900kW 6kV高压电机JCX80减速器，速比7)。原拖动式电机功率因数低，连续使用15年，设备磨损老化，运行电流大，波动范围大，功耗高。水泥厂决定改造两家磨煤机。此次改造的主要考虑是用永磁电机(TPYM900-30型900千瓦6kV)直接驱动取代传统的电机减速器驱动方式，从而节省减速器负载，提高传动效率。永磁电机的优势：

　　永磁电机的功率因数更高，频率由高压变频器调节，从而达到更好的节电效果。

　　永磁电机与机械负载直接相连，消除了低速大扭矩传动系统中电机与机械负载之间的所有传动环节，大大简化了机械设备的传动链。

　　低噪音、无污染、免维护。取消了减速机、液力耦合器等故障率高的机械设备，节省了日常维护费用、润滑费用和延迟的工作时间。

　　水泥厂拆除原电机和减速机后，由于永磁电机和原电机底座尺寸不同，电机底座需要改造。电机座的制造工艺包括：(1)用风镐和电镐松动原基础混凝土；(2)在原混凝土基础内表面种植钢筋，深度20d=400mm；(3) C40混凝土为新设计的混凝土基础混凝土；(4)新混凝土基础应有一个东西宽1500毫米、南宽1000毫米、根部150毫米、端部宽100毫米的悬臂板(5)在新基础施工期间，严格执行《混凝土结构工程施工规范》、《混凝土结构工程施工质量验收规范》和《建筑工程冬期施工规程》。基础施工完成后，通过4根10t倒链将永磁电机吊起并对准。

　　经过技术改造，永磁电机由高压变频器驱动，当生产运行时频率设定在45-46Hz时，可以达到原传统拖动方式下的磨机速度，满足生产需求，降低运行电流。在直接驱动驱动模式下没有减速器，这降低了传动负载并进一步降低了工作电流。与原电机相比，永磁电机功率因数更高，节能效果明显。本项目技术改造投资约140万元。水泥厂的煤磨主发动机将进行技术改造。技术改造完成后，一台永磁电机每年可节约约120万千瓦时，相当于70万元左右的电费，投资成本预计在两年内收回。年节电相当于165英镑左右。4吨标准煤，二氧化碳排放量减少约450吨

　　抽油机用永磁电机与减速器相比的优势

　　油田使用的大多数常规游梁式抽油机属于有载起动装置。稳定运行所需的扭矩相对较小，而启动所需的扭矩相对较大。因此，需要一个比稳定运行时功率高得多的电机。油田大量使用异步驱动电机，降低电网功率因数，增加无功功率消耗，导致电机平均负载率低于30%。“大马拉小车”现象严重，电能浪费巨大，使得开采成本非常高，影响了油田的综合经济效益。因此，永磁同步电机广泛应用于常规抽油机。

　　永磁电机采用封闭壳体结构，完全适合野外工作环境。其外部结构和安装尺寸与Y系列电机完全相同。现场安装方便，经久耐用。除此之外：效率高，额定效率为92%，比Y系列电机高4%左右。节能效果显著，综合节能率达到15%以上。

　　功率因数很高。当功率因数从1/4负载到额定负载时，保持在0.9以上，而异步电动机的平均运行功率因数只有0.4左右。

　　起动转矩大，过载能力强，起动转矩是额定转矩的3.0-4.0倍，起动转矩和过载能力都提高了1个机号，比额定功率大1-2级的Y系列异步电动机可以更换。

　　永磁电机的应用可以提高效率，减小体积，节约能源。不改变复杂的机械结构，只改变动力源，达到节能效果。

　　以低速大转矩永磁盘式电机为例。由于永磁盘式电机的电机半径大，可以通过电机圆周获得较大的输出。这种新型永磁同步电机的应用可以直接驱动抽油机悬梁，不仅提高了整个控制系统的工作效率，而且省去了结构复杂的减速器。为了获得更多的输出，电机的半径较大，但与传统的抽油机系统相比，体积仍然明显减小。

　　永磁电机替代低速大扭矩设备上的减速器

　　永磁同步电机具有节能、高效、低速直驱效果好的特点。某大型建材企业对大功率主电机进行了“更新-直驱”改造试验，即采用新型节能高效永磁同步电机替代原鼠笼式异步电机，去掉减速器及其稀油站系统，直接驱动球磨机运行。

　　本次改造中，永磁同步电机主要用于直接驱动球磨机小齿轮工作，取消了减速机及其稀油站系统，可显著降低能耗，大大提高工作效率，降低运行维护成本，实现真正的免维护。

　　改造前的系统：现有系统采用异步电机-减速器-小齿轮-大齿轮的方式驱动。由于异步电动机和减速器的效率非常低，以及频繁维修和漏油等一系列问题，严重影响了生产成本和经济效益。

　　改造后系统：为了提高传动环节的效率，本次改造计划采用低速大转矩永磁同步电机直接驱动小齿轮，带动大齿轮转动。

　　技术改造的经济效益分析

　　项目改造完成后，经过一段时间的运行和综合比较计算，改造取得了良好的经济效益。

　　年节电345600千瓦时，相当于172000元的电费。节约减速机稀油站油泵电机(功率2.2千瓦)，每年节约用电11000千瓦时(按年运行300小时和负荷率的75%计算)，相当于电费55000元；永磁直驱电机机械结构简单，省去了减速机、稀油站和慢车电机等环节，减少了设备维护的人工投入，节约了减速机和油站的备件成本和油耗等。18，000元/年。永磁直驱电机不仅满足了正常生产的要求，同时也满足了切料、减载、维修、定位、停机等要求，不需要岗位人员切换操作，降低了人员的劳动强度；永磁直驱电机的功率因数为0.952，远高于原鼠笼式电机的0.834。据估计，直驱电机逆变器输入侧的功率因数为0.99，供电变压器二次侧的功率因数满足要求，无需电容补偿，一次性购买电容可节省3万元，平均每年可节省1万元。主电机“更新-直驱”改造项目实施后，设备运行平稳、正常，能够满足生产要求，节能效果明显，平均节能率达到20%左右，可以显著降低设备维护成本和操作人员的劳动强度。该技术非常适用于低速大扭矩设备，具有很高的推广应用价值。

　　电梯驱动系统中的替换减速器

　　自日本三菱公司首次推出鼠笼式三相异步电机驱动变频调速电梯以来，交流电梯的舒适度已达到与DC电梯相当的水平，这完全是由于矢量控制技术的广泛应用。然而，与此同时，由于异步电机本身的种种缺陷，其主流地位受到了严重挑战。这意味着在电梯拖动过程中，永磁同步电机可以使异步电机和DC电机自行替代。

　　永磁同步电机的性能

　　永磁同步电机的转子采用稀土永磁体，与定子的旋转磁场同步工作。稀土永磁材料主要是钕铁硼。由于钕铁硼永磁体具有较高的磁性能，最大剩磁可达1.47吨，比感应电机所加的转子磁场更强，转子旋转角度容易确定(磁极与转子的相对位置已设定)，利用转子方向进行矢量控制也很容易。

　　永磁同步电机断电后，电机的三相定子绕组可能被接触器短路。当电梯由于错误而展开时，发动机进入发电制动状态。能量负载会产生较大的阻力矩。电机的角速度按照指数曲线，增加，角速度的绝对值逐渐减小，最终实现恒速运行。根据这个公式，稳定速度较低。根据相关数据，当电梯的上升或下降速度不超过额定速度的10%时，短路电梯可以具有良好的限速保护。

　　永磁同步电机的类型和区别。与电机定子绕组的电流波形和产生的反电动势波形相对应，梯形反电动势和方波电流无刷直流电机(短无刷DC电机)被称为永磁同步电机，而具有正弦反电动势和电流的曲线-axis同步电机被称为交流永磁同步电机(PMSM)。

　　由于普通电梯采用永磁同步无齿轮牵引传动(特别是1: 1传动)，其效率高于采用蜗轮减速器的异步电机驱动系统，曳引机采用2: 1卷绕方式。从提高机械效率的角度来看，作为电梯的驱动方式，使用永磁同步电机和高效减速器(行星齿轮减速器等)更为有效。)以节约能源。

　　半驱动永磁电机集成驱动系统完美地取代了传统

　　半驱动永磁电机是由中速永磁电机和行星减速器组成的一体化驱动装置，输出转速n200转/分，输出扭矩t=0.15 ~ 5502千牛米，可广泛替代传统的《异步电机+齿轮箱+液力偶合器》低速大扭矩驱动装置。运行效率高：在相同的负载和工作系统下，使用半驱式永磁电机比传统的异步电机驱动系统可以节省30%左右的功耗，完全符合国家有关节能减排的政策。

　　重量轻：在相同的工作条件下(相同的功率和转速)，半驱式永磁电机的体积和重量比全直驱永磁电机减少60%。与传统驱动系统相比，其体积和重量可减少50%。

　　智能控制系统：半驱式永磁电机驱动系统配有“专用控制系统”，可实现平稳启动、调速、智能运行和高可靠性。控制器可提供对各种通信接口的访问，如控制器局域网、RS485、现场总线数据传输等。它可以实现与上位机的通信，实现多个设备的集中控制操作，并将操作数据传输到地面调度室进行在线监控。

　　传统的驱动系统(异步电机齿轮箱)采用工频电直接起动，起动电流大，控制功能单一，不利于系统的智能化发展。

　　无级调速：半驱式永磁电机配有“专用控制系统”。通过调节变频器和改变其供电频率，可以在一定范围内实现无级调速，并能保持极高的效率。特别适用于水泵、风机等流体输送机械。

　　负载启动：当半驱式永磁电机启动时，电流随着负载逐渐增加，因此不会有大的电流冲击，可以保持高效率。然而，异步电动机主要用于传统的驱动系统。启动时电流为额定电流的5-7倍，电流冲击大，导致定子绕组漏阻抗压降增大，无法实现重载启动。为了保证设备的启动能力，通常选用供电能力较大的异步电动机或液力耦合器来实现重载启动。

　　永磁电机的缺点

　　尽管永磁体在低速时带来性能优势，但它们也是技术上的“致命弱点”。例如，随着永磁电机速度的增加，反电动势接近逆变器电源电压，因此绕组电流无法控制。这定义了通用永磁电机的基本速度，通常代表表面磁体设计中给定电源电压的最大可能速度。

　　当速度大于基本速度时，IPM使用主动磁场来减弱，此时转向定子电流有意抑制磁通量。能够可靠实现的速度范围被限制在大约41。如前所述，这种限制可以通过减少绕组匝数和接受逆变器中更高的成本和功率损耗来实现。

　　削弱磁场的需要与速度有关，无论扭矩如何，都会导致相关损失。这将降低高速时的效率，尤其是在轻负载时。这在高速公路上行驶的电动汽车中非常严重。电动汽车通常青睐永磁电机，但在计算实际行驶周期时，效率的好处值得怀疑。有趣的是，至少有一家著名的电动汽车制造商已经从永磁电机转向感应电机。其他缺点包括，由于其固有的反电动势，在故障条件下难以管理。即使变频器断开，只要电机旋转，电流就会继续流过绕组故障，导致齿槽转矩和过热，这是危险的。例如，由于逆变器关闭，高速下磁场的减弱将导致发电失控，逆变器的DC总线电压可能上升到危险水平。

　　除了那些配有钐钴磁铁的永磁电机之外，工作温度是另一个重要的限制因素。然而，逆变器故障导致的高电机电流会导致退磁。

　　永磁电机的最大速度受到机械磁铁保持力的限制。如果永磁电机损坏，修理它通常需要返回工厂，因为很难安全地取出和处理转子。最后，废料回收也很麻烦，尽管目前稀土材料的高价值可能使这种材料在经济上更加可行。

　　减速机行业必须有危机感。

　　以上是“今日减速器”中列出的一些行业中永磁电机代替减速器的相关情况。很明显，在某些行业中，减速器确实被永磁电机所取代。然而，永磁电机也有自己的问题。它们只在某些行业的某些产品中被替换。目前，说永磁电机代替减速器是不现实的。尽管有这些缺点，永磁电机在低速和低效率方面仍然保持着无与伦比的地位，当尺寸和重量至关重要时，它们都非常有用。然而，随着稀土电磁材料的性能和技术达到新的水平，电力电子、电力传输技术和自动控制技术的高速发展进一步提高了永磁同步电机的性能。因此，减速机行业必须有危机感！

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