永磁同步电动机

工业设备

永磁同步电动机具有结构简单，体积小、效率高、功率因数高等优点。永磁同步电动机已经在冶金行业（炼铁厂和烧结厂等）、陶瓷行业（球磨机）、橡胶行业（密炼机）、石油行业（抽油机）、纺织行业（倍捻机、细纱机）等行业的中、低压电动机中获得业绩，并逐步积累设计和运行经验。

分类

按照永磁体结构分类：表面永磁同步电动机（SPMSM）、内置式永磁同步电动机（IPMSM）。

按照定子绕组感应电势波形分类：正弦波永磁同步电动机、无刷永磁直流电动机。

结构

永磁同步电动机（英文名称为permanent mag⁃net synchronous motor，简称PMSM）主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。永磁同步电动机的定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似，转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极，根据在转子上安放永磁体的位置的不同，永磁同步电动机通常被分为表面式转子结构和内置式转子结构。

永磁体的放置方式对电动机性能影响很大。表面式转子结构—永磁体位于转子铁芯的外表面，这种转子结构简单，但产生的异步转矩很小，仅适合于启动要求不高的场合，很少应用。内置式转子结构—永磁体位于鼠笼导条和转轴之间的铁芯中，启动性能好，绝大多数永磁同步电动机都采用这种结构。永磁同步电动机，其结构见图1。

工作原理

永磁同步电动机的启动和运行是由定子绕组、转子鼠笼绕组和永磁体这三者产生的磁场的相互作用而形成。电动机静止时，给定子绕组通入三相对称电流，产生定子旋转磁场，定子旋转磁场相对于转子旋转在笼型绕组内产生电流，形成转子旋转磁场，定子旋转磁场与转子旋转磁场相互作用产生的异步转矩使转子由静止开始加速转动。在这个过程中，转子永磁磁场与定子旋转磁场转速不同，会产生交变转矩。当转子加速到速度接近同步转速的时候，转子永磁磁场与定子旋转磁场的转速接近相等，定子旋转磁场速度稍大于转子永磁磁场，它们相互作用产生转矩将转子牵入到同步运行状态。在同步运行状态下，转子绕组内不再产生电流。此时转子上只有永磁体产生磁场，它与定子旋转磁场相互作用，产生驱动转矩。由此可知，永磁同步电动机是靠转子绕组的异步转矩实现启动的。启动完成后，转子绕组不再起作用，由永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用产生驱动转矩。

工作方式

发电机获得励磁电流的几种方式

1、直流发电机供电的励磁方式

这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。

2、交流励磁机供电的励磁方式

现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。

3、无励磁机的励磁方式

在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。

优点

1、损耗低、温升低

由于永磁同步电动机的磁场是由永磁体产生的，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗，即铜耗；转子运行无电流，显著降低电动机温升，在相同负载情况下温升低20K以上。

2、功率因数高

永磁同步电动机功率因数高，且与电动机级数无关，电动机满负载时功率因数接近1，这样相比异步电动机，其电动机电流更小，相应地电动机的定子铜耗更小，效率也更高。而异步电动机随着电动机级数的增加，功率因数越来越低。而且，因为永磁同步电动机功率因数高，电动机配套的电源（变压器）容量理论上是可以降低，同时可以降低配套的开关设备和电缆等规格。

3、效率高

相比异步电动机，永磁同步电动机在轻载时效率值要高很多，其高效运行范围宽，在25%～120%范围内效率大于90%，永磁同步电动机额定效率可达现行国标的1级能效要求，这是其在节能方面，相比异步电动机最大的一个优势。实际运行中，电动机在驱动负载时很少以满功率运行。其原因是：一方面，设计人员在电动机选型时，一般是依据负载的极限工况来确定电动机功率，而极限工况出现的机会是很少的，同时，为防止在异常工况时烧损电动机，设计时也会进一步给电动机的功率留裕量；另一方面，电动机制造商为保证电动机的可靠性，通常会在用户要求的功率基础上，进一步留一定的功率裕量。这样就导致实际运行的电动机，大多数工作在额定功率的70%以下，特别是驱动风机或泵类负载，电动机通常工作在轻载区。对异步电动机来讲，其轻载效率很低，而永磁同步电动机在轻载区，仍能保持较高的效率。

4、其它优势

永磁同步电动机还具有高启动转矩、启动时间较短、高过载能力的优点，可以根据实际轴功率降低设备驱动电动机的装机容量，节约能源同时减少固定资产的投资。永磁同步电动机控制方便，转速恒定，不随负载的波动、电压的波动而变化，只决定于频率，运行平稳可靠。由于转速严格同步，动态响应性能好，适合变频控制。永磁同步电动机的安装外形尺寸符合IEC标准，可以直接替换三相异步电动机，防护等级可以做到IP54和IP55，个别厂家还生产防爆型永磁同步电动机。

注意事项

（1）发布的永磁同步电动机能效等级国家标准仅为GB30253-2013《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》，适用于1140V及以下的0.55～375kW、2～16极的异步起动三相永磁同步电动机。高压永磁同步电动机的效率，只能参照中国电器工业协会标准CEEIA229-2015《TYC系列（IP23）高效高压永磁同步电动机技术条件》和CEEIA230-2015《TYCKK系列（IP44）高效高压永磁同步电动机技术条件》。

（2）永磁同步电动机的启动电流倍数约为9倍，较异步电动机的启动电流大10%。

（3）永磁同步电动机不能采用降压启动方式。因为在降压供电条件下，其异步启动转矩下降比异步电动机大，会造成启动困难。

（4）关于永磁同步电动机的自启动特性和系统短路时的反馈电流，不同设备制造厂的参数差别较大，且由于相关数据获取较难，永磁同步电动机的应用，对厂用电系统的短路水平和启动计算校验带来一些不确定的因素。

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