永磁电动机的高效率化技术

58 2011 年第 1 期 动态与信息 摘 要：介绍了日产PMM-ED系列永磁电动机降低 损耗（主要为铜损与铁损）、提高效率的具体方法，以及 实现高效率化以后的节能效果。不仅有利于环境的保护 和改善，而且可望达到显著的经济效益。 关键词：稀土永磁电动机 铜损 铁损 效率 中图分类号：TM351 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2011.01.023 Abstract: How to reduce the loss (Copper and iron losses) and increase the effi ciency of the PMM-ED Series permanent magnet motors produced by Japan, was intro- duced. The energy-saving result by the realization of the motor’s high effi ciency was benefi ted not only in the fi eld of the environment improvement but also in the fi eld of eco- nomic income. Keywords: Rare earth permanent magnet motors Copper loss Iron loss Effi ciercy 永磁电动机的高效率化技术 邓隐北1 唐庆伟2 尚俊梅1 1 河南森源电气股份有限公司（450016） 2 中国社会新闻网河南分部（450000） High Efficiency Technology of the Permanent Magnet Motors Deng Yinbei Tang Qingwei Shang Junmei Henan Senyuan Electric Co., Ltd Henan Branch of China Social News Network 永磁电动机的结构与同步电动机相同，一般 由定子和转子组成。定子线圈嵌入定子铁心槽 内，通三相交流电以形成旋转磁场，转子上装有 永磁体，产生励磁磁通。图1所示为PMM的铁心 断面图，定子采用传统的分布线圈，嵌入36槽中， 转子有6个磁极，为一内置式永磁（IPM）结构。 也有用集中线圈代替分布线圈的例子而感应电 动机（IM）通常采用分布线圈。 永磁电动机是利用永磁体产生磁场的电动 机。永磁电动机由于其效率高于感应电动机（IM） 为实现高效率，通常常用它替代IM。 它在提高效率与节能、节电方面表现突出。 一般的直流电动机效率为85%~89%，感应电动 机效率为90%~94%，而永磁电动机效率约为 95%~ 97%。 1 永磁电动机的结构与特点 图1 铁心断面图 图2所示的结构图与IM的差别不大，冷却结 构也相同于IM的外表散热，采用外置风扇电机 的冷却方式。这样，即使在极低转速下，也能实 现连续的输出额定转矩。 图2中的轴承为深沟滚珠轴承，径向负荷 大则机型的输出端应采用滚柱轴承，这与IM相 同。 永磁电动机因由永磁铁供给励磁能量，故气 隙长度比IM的要较大；而IM是由定子提供励磁 2011 年第 1 期 59 动态与信息 少；ED系列电动机的特点是效率降低的幅度较 小，即使在低负荷率下，效率的下降也较小。 为比较电动机的尺寸，图5给出轴的高度（中 心高）对比。无论在哪个功率下，PMM轴的高度 均小于IM轴的，显然PMM可实现小型化。 能量，气隙加大和励磁能量增加会导致功率因数 的滞后，故一般力求减小气隙。但永磁电机相应 要求轴承的间隙小，机械加工和安装的精度高， 应根据实际需要确定气隙长度。 与IM类似，PMM的轴采用在其临界转速下 运行的钢性轴，PMM是从0到最高转速以内可变 速的电动机，此转速范围可能存在弯曲共振，运 转应避开这一部分，要求采用钢性轴。 PMM-ED电动机系列实现了高效率且超过高 效率NEMA规格电动机的水平，图3为额定转速和 转矩下，PMM、IM和NEMA规格电动机的效率对 比；图4为额定转速下改变转矩时的效率对比。 图2 永磁电动机的结构断面图 图4 不同负荷率下的效率对比 100 95 90 85 80 75 70 100kW/ED UF 0 UF 900min-1 UF 1350min-1 UF 1750min-1 ED 900min-1 ED 1350min-1 ED 1750min-1 10080604020 综合效率比较 效 率 /% 负荷转矩/% 图5 轴高度（中心高）的比较 450 400 350 300 250 200 150 50 0 100 ED motor UF series IM 800700600500400300200 中心高度的比较 中 心 高 度 /m m 功率/kW 图6为5年期间电费节约效果图示。由图可 知，PMM与IM的差额，75kW以上1年可节约电费 超过10万日元。电动机的容量越大，节约的电费 越大；对小容量的电动机，PMM与IM的效率差 如图3。单台电机的节约费用虽小，但就整体而 言，节约费用就很可观了。从IM到PMM的变换， 不仅有利于地球环境的改善，还可望实现经济上 的效益。 图3 不同功率下的效率对比 2 永磁电动机的高效率化技术 永磁电动机的发展历史，是随着永磁材料的 研究开发而不断进步的。特别1980年代后半期随 着NdFeB永磁的开发，比原SaCo永磁的磁能积超 过1倍以上，为研制高效PMM创造了条件。 永磁电动机的功率是永磁体的磁通与电枢 电流的矢量积，电动机的效率η=输出功率/（输出 功率+损耗）。为了提高效率，必须减小损耗。电 动机的损耗主要包括铜损和铁损，铜损可由电阻 图6 5年期间的节能效果 IM（UF系列）的转矩下降，效率会急剧减 60 2011 年第 1 期 动态与信息 值与电流值平方的乘积求得，要降低铜损，必须 减少电阻或是减少电流。 因此，首先要考虑从减小电阻下功夫，绕线 的电阻与长度成正比，与截面积成反比。缩短绕 线长度与增大其截面积是有效的降损方法。 要缩短线圈的长度，可通过增加磁极数实 现。图7为将定子从中心向外的展开图，作为例 子，给出了4极和6极的线圈。4极线圈为8/9的短 矩线圈；6极则为5/6的短矩线圈，二者的总槽数 均为36。图7中标出了铁心表面至线圈端部的各 段长度，4极时为H4，6极时为H6，公共的直线长 为H0。由图7可知，线圈极距小的，铁心表面至线 圈端部的距离短，故线圈的全长就能缩短。 图8 定子线圈端部长度的比较 度，使用低铁损的铁心材料（硅钢片）等。铁损与 磁通密度的平方成正比，主要包含磁滞损耗和涡 流损耗两部分，其计算公式如下： Wj=B2{δh(f/100)+δed2(f/100)2} W/kg （1） 式中： B—磁通密度 T； f—频率 Hz； δh—磁滞损耗系数； δe—涡流损耗系数； d—电磁钢片（硅钢片）的厚度 mm。 磁滞损耗的铁损与频率成正比，涡流损耗的 铁损与频率的二次方成正比。而且，铁损是以每 单位重量来计算的，实际的铁损需考虑铁心的重 量。 在不减少磁通量而减少磁通密度时，应使铁 心重量增加，故式（1）中每单位重量的铁损按B 的平方减少。但应注意，铁心重量的增加不可能 大幅度减小实际的铁损。因此，提升硅钢片的规 格，选用低铁损的优质硅钢片而不改变铁心重 量，可降低单位铁损，但这将提高产品成本。此 外，在涡流损耗计算的那一项，须考虑到硅钢片 厚度的平方，在高频场合下，减薄硅钢片的厚度 也是减少铁损的有效方法。 PMM中因转子上有永磁体，可望在理想情况 下无转子损耗。但目前广泛应用的钕铁硼永磁， 因有涡流流过，会产生涡流损耗。在小型、低速 旋转的电动机中，不存在永磁的涡流损耗问题， 但随着大型、高速化的进展，该问题会日益突出。 为减少涡流，应尽量减薄铁心硅钢片的厚度，通 常由原来的0.5mm~0.35mm减小到0.2mm。 除涡流损耗会降低效率以外，磁体本身还 存在受温度等环境影响的减磁问题。一般，为了 减低磁体的涡流损耗，对磁体可采用分割分片方 式，必要时可考虑对磁体采取冷却。 参 考 文 献 1 中村雅宪．永久磁石（PM）モ一タの高效率化技术．省ェネルギ 一．vol.61，2009（11）：30-33． 2 百日鬼英雄．电力の有效活用を实现するモ一タの高效率化技术． 省ェネルギ一．VOL.61，2009（11）：29-30． 3 邓隐北．节能型异步电动机．中小型电机．2002，1． 4 邓隐北．电动机技术的回顾与展望．电机技术．2003，2． （收稿日期：2010-04-27） 图7 定子线圈的展开图 图8所示为定子的断面，上面是6极的，下面 为4极，6极线圈端部的长度比4极的短。 另一种减小铜损的方法是提高槽内的容积 率。增加线圈的面积，从而减少槽内的空隙，铜 线部分增大，其电阻值减少，达到降低铜损的目 的。 绕线技术和电动机的制造技术也在不断发 展，原来的绕线方法容积率约40~50%，采用高密 度的绕线技术以后，可将容积率提高到80%。该 技术多少能使主磁通减少，采用高密度绕线方式 与常规绕线方式相比，额定转矩能提高约20%， 或铜损耗减少30%以上。 降低铁损的方法还有：降低铁心中的磁通密