能效提升與永磁電機

稀土永磁同步電動機電機能效提升計劃與本資料編輯：

周志民

教授級高工

享受國務院政府特殊津貼

有突出貢獻的中青年專家

愿將本資料與從事電機系統(tǒng)節(jié)能工程的同志們共享一、電機與電機系統(tǒng)以電機為核心的用能系統(tǒng)通過電動機將電能轉化為機械能，實現各種所需功能的系統(tǒng)包括：電動機、被拖動設備、控制裝置、管網、負載等電機系統(tǒng)電機被拖動裝置管網負荷負載控制裝置根據歐盟《提高高效電動機和驅動的市場份額》—即SAVEⅡ研究報告顯示，工業(yè)用電動機消耗電能占其工業(yè)用電消耗的73%，我國約為75%其中，歐盟工業(yè)部門中各電機驅動系統(tǒng)消耗電能的比例為：泵類22%，風機16%，空壓機18%，制冷壓縮機7%，輸送機2%，其它電機為35%，即風機、泵類、壓縮機類共占總消耗電能的63%。

近年來在國家政策的支持下，我國電機能效水平逐步提高，但總體能效水平任然很低。從電機自身看，我國電機效率平均水平比國外低3~5%，目前在用的高效電機僅占3%左右；從電機系統(tǒng)看，因匹配不合理、調節(jié)方式落后等原因，電機系統(tǒng)運行效率比國外先進水平低10~20%，低效電機的大量使用造成巨大的用電浪費。

工業(yè)領域電機能效每提高1%，可年節(jié)約用電260億千瓦時左右。通過推廣高效電機，淘汰在用低效電機，對低效電機進行高效再制造，以及對電機系統(tǒng)根據自身負載特點和運行工況進行匹配節(jié)能改造，可從整體上提升電機系統(tǒng)效率5~8%，年可實現節(jié)電1300~2300億千瓦時，相當于2~3個三峽電站的發(fā)電量。二、電機能效提升計劃1、基本原則堅持存量調整與增量提升相結合。從生產環(huán)節(jié)，嚴格執(zhí)行電機能效標準，淘汰低效電機生產，提高高效電機的供給能力；從使用環(huán)節(jié)，淘汰在用低效電機和改造提升相結合，鼓勵新增需求采用高效電機。2、主要目標實現電機產品升級換代，50%的低壓三相籠型異步電動機產品、40%的高壓電動機產品達到高效電機能效標準規(guī)范；

累計推廣高效電機1.7億千瓦，淘汰在用低效電機1.6億千瓦，實施電機系統(tǒng)節(jié)能技改1億千瓦，實施淘汰電機高效再制造2000萬千瓦。實現節(jié)電800億千瓦時，相當于節(jié)能2600萬噸標準煤，減排二氧化碳6800萬噸

3、電機能效提升的途徑（1）增加用銅用鐵量，以提升籠型三相異步電動機的效率（2）研制稀土永磁同步電動機，效率達到GB18613-2012的一級能效水（3）采用變頻調速器，以提高電機系統(tǒng)的能效水平四、三相稀土永磁同步電動機1、永磁電機

由永磁材料產生磁場無需勵磁電流，沒有勵磁繞組既節(jié)約能量，又簡化電機結構這就是

永磁電機2、永磁電機特點轉速恒定，為同步轉速。功率因數高：通過合理設計能達到極限值1.0。體積小，重量輕，噪聲低。效率高：正常運轉時，轉子無繞組銅耗；高功率因數，可使定子電流較小，定子繞組銅耗小。轉速與電機頻率保持恒定，可簡化控制系統(tǒng)。電機可制成多級、低速大轉矩，以直驅式取消齒輪箱，實現無齒化傳動。具有寬的經濟運行范圍電動機類別經濟運行區(qū)效率下降點25%負載時COSΦ情況異步電動機60%~100%35%由0.85下降至0.5左右永磁電動機25%~120%15%在0.9以上3、永磁電動機轉子結構

（1）表面式轉子結構（2）內置式轉子結構V型W型U型4、稀土永磁電動機節(jié)電的機理

⑴效率含義

電機的效率是電機的有功輸出功率和有功輸入功率之比，通常用百分數表示。三相異步電動機的效率也就是電動機軸上輸出的機械功率所占從電網取得的電功率的百分之幾?？捎孟率奖硎荆菏街蠵2——輸出功率

P1——輸入功率式中：

Pcu1——定子銅耗

Pcu2——轉子銅耗

Pfe1+Pfe2——鐵耗

Ps——雜散損耗

Pfw——風摩損耗⑵電動機的功率樹稀土永磁同步電動機的功率流程如圖一（a）所示

圖一：功率流量圖（a）永磁電動機（b）異步電動機說明：圖中Pem為電動機氣隙中電磁功率

與電磁式同步電動機相比，稀土永磁同步電動機無勵磁銅損耗Pcuf。

與異步電動機相比，稀土永磁同步電動機轉子無銅損耗Pcu2。稀土永磁同步電動機一般極弧系數較大，在相同在E0或電壓U時，φζ相同，Bζ小，鐵損PFe較異步電機小。由于稀土永磁同步電動機氣隙ζ較大，其雜散損耗較??；損耗的減少和cosφ的增加，使稀土永磁同步電動機定子電動機定子電流I1減少，定子銅損Pcu1減少。各種損耗的大幅度減少，導致稀土永磁電動機實實在在地節(jié)能。5、稀土永磁電機的研究開發(fā)進入了一個新階段：正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方向發(fā)展。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過1000kW，最高轉速已超過300000r/min，最低轉速低于0.01r/min，最小電機外徑只有0.8mm，長1.2mm。稀土永磁材料的磁性能優(yōu)異，它經過充磁后不再需要外加能量就能建立很強的永久磁場，用來替代傳統(tǒng)電機的電勵磁場所制成的稀土永磁電機不僅效率高，而且結構簡單、運行可靠，還可做到體積小、重量輕。既可達到傳統(tǒng)電勵磁電機所無法比擬的高性能(如特高效、特高速、特高響應速度)，又可以制成能滿足特定運行要求的特種電機。稀土永磁電機與電力電子技術和微機控制技術相結合，更使電機及傳動系統(tǒng)的性能提高到一個嶄新的水平。從而提高所配套的機械裝備的性能和水平，是電機行業(yè)調整產業(yè)結構的重要發(fā)展方向。同時也是節(jié)能機械鏈的一場變革。6、研發(fā)稀土永磁電機的發(fā)展趨勢⑴自主設計、自主創(chuàng)新，掌握稀土永磁電機設計的核心技術；⑵強化基礎研究和應用研究，突破技術瓶頸，向產業(yè)化方向發(fā)展；⑶以產品研制為主，向產品研制、工藝及裝備開發(fā)、標準、試驗方法、規(guī)范化方向發(fā)展，形成具有自主和知識產權的成套技術；⑷從民品入手，注意積累稀土永磁電機工程經驗，延伸軍用（民改軍），向軍民結合方向發(fā)展，向國家需要的特種電機方向發(fā)展。7、稀土永磁電機的上游技術業(yè)已成熟我國稀土資源豐富，稀土礦的儲量占世界儲量的80%，居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平，實現了產業(yè)化充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種節(jié)能電機，將資源優(yōu)勢轉化為經濟優(yōu)勢，對加快實現我國全面進入小康社會具有重要意義。

五、稀土永磁同步電動機

1、永磁電動機的設計步驟

實踐證明，永磁電動機要取得明顯的節(jié)能效果，必須充分認識電機系統(tǒng)內負載的特點，先研究負載，再設計永磁電動機。2、設計永磁電動機的技術措施采取一系列技術措施，把稀土永磁同步電動機的效率盡可能提高并獲得寬的經濟運行范圍：降低不變損耗降低可變損耗其他可能措施采用最大鐵損3.5W/kg的50W350冷軋硅鋼片，要比采用50W470矽片的最大鐵損4.7W/kg減少1.2W/kg，降低25.53%可變損耗包括銅耗和雜散損耗：—定子斜槽—適當放大氣隙長度—采用不等圓轉子，合理選擇極弧系數，使永磁電動機有良好的電動勢正弦波型可能采取的措施：—提高加工精度—定轉子對正工藝—采用節(jié)能風扇—合理選擇軸承游隙3、永磁電動機的效率曲線和功率因數曲線具有高而平的特點37KW4P異步電動機和30KW4P稀土永磁同步電動機

效率曲線、功率因數曲線比較圖

電動機效率水平本公司研制的XYT系列稀土永磁同步電動機效率（以四極機為列）歐洲電動機效率標準和IEC60034－30標準高效率、超高效率等級的比較：2010年9月，上海電器科學研究院上海電器檢測所，國家中小型電機及系統(tǒng)工程技術研究中心檢測部對本公司XYT系列抽查了六個機座號的永磁電動機，進行了型式試驗，電機指標全部合格，其中效率實測值與IEC60034—30標準中IE4的比較為：

可以看出，稀土永磁同步電動機的效率特性具有高而平的特點。當負載大范圍變化時，節(jié)能效果更為明顯。

電動機功率因數

產品標準為＞0.95，實測達到0.976～0.998，接近極限值1.0，優(yōu)于高效電動機0.86的水平，并能在120%20%負荷區(qū)展寬。

4、堵轉轉矩倍數針對不同的負載，設計成不同的堵轉倍數，如紡織細紗機用電動機為2.2~2.5倍，油田抽油機用電動機為3.6~4.0倍。5、失步轉矩倍數失步轉矩用以表征永磁電機的過載能力，本公司設計的永磁電機的失步轉矩為2.2~2.5倍，有足夠的過載能力。6、電流波形為正弦波，波形畸變小。

7、根據永磁電動機的性能，質量和價格的優(yōu)勢，本著“選的準，跨的穩(wěn)”的原則，通過對市場的調查和分析，研發(fā)了適應不同負載的專用永磁同步電動機：

（1）高牽入轉矩三相稀土永磁同步電動機主要用于：紡織行業(yè)的細紗機和化纖紡機節(jié)能改造、金屬拉絲機的節(jié)能改造和配套。經細紗機上實測，相對于效率不同的紡織專用異步電動機，有功節(jié)電率在10%—19%之間﹙視原配套電動機是否是高效紡織專用異步電動機﹚。

（2）風機、水泵類負載根據沈陽水泵研究所提供的數據：一臺額定功率為5KW的水泵，其選用的異步電動機一般為7.5KW，而水泵通常運行于3KW，大馬拉小車的現象嚴重，異步電動機經濟運行范圍為60%—100%，平均為68%，而目前這臺泵的運行負載點下滑到40%。效率和功率因數顯著下降到非常低。（3）高失步轉矩三相稀土永磁同步電動機負載主要適用于下列細分市場：塑膠行業(yè)的開煉機驅動電動機的配套或節(jié)能改造，經試驗，有功節(jié)電率達28.2%沖床、壓床和車床驅動電動機等機床的配套或節(jié)能改造，有功節(jié)電率達18.4%

注塑機、攪拌機、吹風機等輕工機械類產品的配套或節(jié)能改造，有功電率達24%

在這一類細分市場上，由于有沖擊式或間斷性加載，因本產品高失步轉矩稀土電動機具有較強的過載能力，而很好地適應了這一類細分市場負載的要求：（4）壓縮機配套專用永磁同步電動機﹙包括無軸承永磁電動機﹚考慮了工作系數SF考慮了加壓帶載條件下的頻繁啟動考慮了環(huán)溫46℃和相對濕度≤95%的環(huán)境要求考慮了轉子無位置傳感器和變頻調速器的匹配考慮了無軸承永磁電動機的隔磁措施經永磁電動機與空調冷凍壓縮機（名義工況下制冷量為2285Kw）配套試驗節(jié)電率達到38%8、永磁同步電動機的啟動方式（1）直接啟動（2）軟啟動（3）變頻調速啟動

（4）雙扭矩啟動雙扭矩啟動系本公司專有技術9、從理論到實踐，本公司妥善解決了永磁體的不可逆失磁問題，客觀地講；凡是磁性材料都會隨時間推移而發(fā)生退磁，但這種退磁不應該影響永磁電動機性能的退化，運行壽命的縮短，這方面我們的技術措施是：（1）在設計中我們根據多年工程積累，正確選擇了永磁體工作點，根據磁路計算結果對電機設計方案進行優(yōu)化設計，達到了既保證永磁體不會退磁，又能使永磁體用量最少，力爭達到在永磁電機在可靠的前提下成本最低（2）正確選擇永磁體供應商，按“永磁體訂貨技術要求”訂貨，不盲目采購。同時，采取了磁穩(wěn)定工藝

“永磁體訂貨技術要求”中除明確“外形尺寸及公差”、“技術性能”外。還明確了“輔助磁性能”、“物理性能”、“可靠性要求”、“一致性要求”和“磁鋼最高工作溫度”要求，這在永磁電機行業(yè)中是最完整的磁鋼技術要求，尤其是150℃／5h的磁鋼熱老化工藝﹙又稱磁穩(wěn)定工藝﹚，對永磁體整個壽命周期中穩(wěn)定運行，關系重大。經磁穩(wěn)定工藝后，永磁體磁損≤2.5%

N35UH永磁材料磁穩(wěn)定前后的性能曲線顯而易見，人工時效處理要損失小部分磁性能，一般在3%以內。但此后磁性能基本不再變化，性能穩(wěn)定。

為了盡量在永磁體所處工作環(huán)境相似的條件下進行，以取得很好的效果，同時以求得永磁電動機較高的可靠性，我們采用150℃/5h人工時效方法，在目前國內外缺少得到行業(yè)內共同認可的磁老化國際、國內及行業(yè)標準的情況下，實踐證明，本工藝是有效的磁老化工程措施。（3）在制造工藝中，對永磁體進行嚴格的化學穩(wěn)定處理釹鐵硼永磁材料中含有大量的釹和鐵，易銹蝕，化學穩(wěn)定性不好。其表面通常需作電泳或電鍍處理，也可以噴涂環(huán)氧樹脂以減慢氧化速度，通常涂層厚度為10～40μm。永磁體不作涂層或其他防氧化處理，暴露在空氣中時，就會很快氧化銹蝕，隨著時間的推移和氧化銹蝕層的增加，永磁體的剩磁磁通也快速下降。為此，必須對永磁體進行化學穩(wěn)定工藝處理。永磁體暴露在空氣中時剩磁磁通的變化

不同涂層的抗腐蝕能力不同：電泳涂層抗溶劑、抗沖擊能力良好，抗鹽霧能力極好；電涂涂層抗溶劑、抗沖擊能力極好，但抗鹽霧能力較差；環(huán)氧樹脂涂層抗溶劑、抗沖擊能力和抗鹽霧能力都良好，但工藝性較差，且不易拆卸磁鋼。

本公司采用電涂涂層（NiCuNi），在轉子磁鋼槽口非磁材料的隔磁板封堵，使磁鋼得到很好的防氧化保護。

具有創(chuàng)新性的防止永磁體氧化工藝要求磁鋼進行表面處理，如鍍鋅、鍍鎳等，這是行業(yè)內永磁電機制造廠都能做到的，但這是做到了防止永磁體外表被氧化，但忽視了從永磁體內部的氧化過程，而永磁體銹蝕厚度的增加，會使永磁體剩磁強度Br快速下降，為此本公司對永磁體母體材料——純鐵粉也提出了配方要求，得到了很好的效果；（4）營造一個低溫升工作環(huán)境，是防止永磁體失磁的重要一環(huán)。稀土永磁有很多優(yōu)點，但是怕氧化、怕高溫環(huán)境也是它的明顯缺點。本公司采取了嚴密的化學穩(wěn)定工藝，保證其被氧化的速度極其緩慢。工藝實踐證明，已經取得了效果，本公司在永磁體工作溫度方面采取了一整套技術措施：提高稀土永磁體的工作溫度。制造商研制成功了用于電機的專用稀土永磁體配方，在釹鐵硼永磁體中加入了少量Sm、Co等重稀土元素，大幅提升永磁體的耐熱性能和抗電樞反應的能力。本公司將采用居里溫度為400℃、工作溫度為200℃的稀土永磁體用于用戶采購的永磁電動機。稀土永磁電動機通過采取設計措施，使其溫升被控制在50K以內（經常被控制在40K以內）。轉子磁鋼設計采用了通風溝，使永磁體有良好的通風，還具備了隔磁作用，防止磁路短（已申請了發(fā)明專利）。

通過上述四個方面的技術措施，取得了明顯的效果，永磁電動機從機理到實踐上，基本杜絕了不可逆失磁現象?；谏鲜鲆幌盗屑夹g措施和實踐，制造商承諾：永磁電動機的壽命周期和異步電動機一樣為20年；永磁電動機在運行一年內，或出廠二年內，如有因制造而產生的質量問題制造商為用戶免費服務；