三相異步起動永磁同步電動機設計與試制

三相異步起動永磁同步電動機

設計與試制

廣東工業(yè)大學黃開勝內容提要三相異步起動永磁同步電動機及其特點開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景高效三相異步起動永磁同步電動機

廣東美芝制冷設備有限公司委托項目“自起動三相永磁同步電動機設計開發(fā)”（美芝制冷設備有限公司合作）粵港關鍵領域重點突破招標項目“高效節(jié)能異步起動永磁同步電動機”（2007168404）（東莞電機有限公司合作）。內容提要2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機設計、試制與結論

YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機設計、試制與結論內容提要三相異步起動永磁同步電動機及其特點開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景高效三相異步起動永磁同步電動機2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機三相異步起動永磁同步電動機及其特點1.傳統(tǒng)同步電動機（1.1）直流電通過電刷進入轉子激磁繞組，產生直流磁場。同步電動機直流磁場可以調節(jié)。（1.2）電動機（即轉子）以一個速度（即同步速度）旋轉。（1.3）功率因數(shù)高，甚至可以發(fā)出感性無功功率。同步電動機有時用作調相機。（1.4）比異步電動機更易于實現(xiàn)矢量控制。（1.5）同步電動機起動困難。三相異步起動永磁同步電動機及其特點2.永磁同步電動機（2.1）傳統(tǒng)同步電動機轉子激磁繞組產生的直流磁場由永磁材料（永磁體）產生的直流磁場來代替。因此，永磁同步電動機轉子上沒有激磁繞組，也沒有電刷。（2.2）不需要激磁功率，損耗低、效率高。（2.3）沒有激磁繞組，也沒有電刷，體積小、重量輕、損耗低、效率高。（2.4）永磁同步電動機激磁磁場調節(jié)困難。三相異步起動永磁同步電動機及其特點3.三相異步起動永磁同步電動機（3.1）三相異步起動永磁同步電動機，是一種轉子上放置鼠籠繞組（起動繞組），在工頻下可以自行起動的永磁同步電動機，又稱為直接起動永磁同步電動機。三相異步起動永磁同步電動機及其特點3.三相異步起動永磁同步電動機（3.2）自20世紀80年代后期起，國內外有很多機構和學者開展三相異步起動永磁同步電動機的研究工作：轉子結構；設計原理；性能分析方法。

三相異步起動永磁同步電動機及其特點

三相異步起動永磁同步電動機轉子形式

(a)徑向式(b)切向式(c)混合式三相異步起動永磁同步電動機及其特點3.三相異步起動永磁同步電動機（3.3）經過近20年的發(fā)展，尤其是NdFeB的進步和應用，既具有永磁同步電動機轉子損耗低，定子電流小，力能指標高，節(jié)能效果好的優(yōu)點，又具備三相異步電動機起動方便、運行可靠的優(yōu)點，在小功率和中等功率場合，有替代鼠籠轉子三相異步電動機的趨勢。

三相異步起動永磁同步電動機及其特點日本明電舍公司100系列永磁同步電動機（1）0.6kW-22kW，21個品種；（2）結構堅固：機座、定子鐵心、定子繞組與鼠籠三相異步電動機一樣；（3）控制性好：無須速度反饋，速度不變；（4）和鼠籠三相異步電動機一樣，維護簡單，用途廣泛；（5）效率高和功率因數(shù)高，耗電少，起動電流小，電源容量小。三相異步起動永磁同步電動機及其特點法國ISOSYN系列NdFeB同步電動機

4極，功率等級為3kW至15kW，共5個規(guī)格，比普通三相異步電動效率提高5%至8%，功率因數(shù)提高18%至25%，力能指標（效率×功率因數(shù)）提高30%以上。

三相異步起動永磁同步電動機及其特點

法國ISOSYN系列NdFeB同步電動機功率/kW三相異步電動機NdFeB永磁同步電動機效率/%功率因數(shù)效率/%功率因數(shù)3780.8850.88-0.984.579.50.83860.9-15.583.50.84880.9-17.5850.84900.9-11186.20.83910.9-1內容提要三相異步起動永磁同步電動機及其特點開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景高效三相異步起動永磁同步電動機2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景1.節(jié)能和環(huán)保已經成為當前經濟社會發(fā)展的兩大主題。高效節(jié)能電動機不僅能夠減少電動機損耗，提高運行可靠性，延長使用壽命，減少電能消耗，而且可以直接帶來巨大的環(huán)保效益。據(jù)測算，英國1995年電動機總用電1300億kW·h，為生產這些電能排放到空氣中的碳為2400萬噸，相當于英國1995年所有能源排放碳總量的17%。開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景2.我國能源利用率僅為30%，比發(fā)達國家低約10個百分點，“產值能耗比”比世界平均水平高2倍多。我國交流電動機的用電量約占發(fā)電量的60%，是用電大戶，也是節(jié)能潛力最大的產業(yè)。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景3.我國具有稀土資源大國的資源優(yōu)勢和后發(fā)優(yōu)勢，利用永磁體可以代替激磁鐵心（省鐵）和激磁繞組（省銅），代替激磁電流（省電）等優(yōu)點，開發(fā)高效三相異步起動三相永磁同步電動機（節(jié)能降耗），跨過開發(fā)高效鼠籠轉子三相異步電動機，直接達到甚至超過美國超高效電機的當今世界的最高水平。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景4.0.75-37kW三相異步電動機臺數(shù)多用電多根據(jù)美國1988年、歐盟1998對電動機數(shù)量和用電情況的調查統(tǒng)計結果，在三相異步電動機中，功率在0.75kW（1hp）-37kW（50hp）范圍的電動機在數(shù)量上占電動機總裝機數(shù)的95%以上，用電量占30-50%左右。開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景

美國1988年電動機的數(shù)量和用電量比例功率范圍/hp電動機臺數(shù)用電量1-576.4125.1-2015.3721-505.11251-125326>1250.243合計100100開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景

歐盟1994年電動機的數(shù)量和用電量比例功率范圍/kW電動機臺數(shù)用電量0.75-7.58327>7.5-371324>37-75315>75134合計100100開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景5.0.75-37kW的電動機節(jié)能潛力巨大以歐盟地區(qū)4極電動機的平均效率為例，1.1kW電動機的效率為77%左右，90kW電動機的效率則達到94%左右。功率范圍0.75-7.5kW電動機可以取得7%的節(jié)能效果，7.5-37kW電動機節(jié)能3%，37-75kW電動機節(jié)能2%，75kW以上電動機節(jié)能1%。開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景

0.75-37kW的電動機節(jié)能潛力巨大功率范圍/kW標準電動機效率/%高效電動機效率/%電動機用電量/億kW·h節(jié)能預測/億kW·h0.75-7.580862530170(7%)>7.5-379093213056(3%)>37-759395130020(2%)>759596276030(1%)合計8720276(3%)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景6.歐盟對2010年三相異步電動機節(jié)電預測歐盟在1997年曾預測，到2010年時工業(yè)和第三產業(yè)中三相異步電動機的用電量將達到8720億kW·h，如果將不同功率電動機效率提高1%-6%，則可以節(jié)電3%左右，節(jié)電276億kW·h，相當于4座100萬kW發(fā)電廠的年發(fā)電量。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景

歐盟2010年三相異步電動機節(jié)能預測

功率范圍/kW標準電動機效率/%高效電動機效率/%電動機用電量/億kW·h節(jié)能預測/億kW·h0.75-7.580862530170(7%)>7.5-379093213056(3%)>37-759395130020(2%)>759596276030(1%)合計8720276(3%)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景7.發(fā)展高效節(jié)能交流電動機前景

發(fā)展高效節(jié)能交流電動機是節(jié)約能源和保護環(huán)境，人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的客觀要求，也是綠色制造技術發(fā)展的必然結果，因此，是量大面廣的三相交流電動機的發(fā)展方向。自20世紀90年代以來，以美國為代表的發(fā)達國家先后制定和頒布法令，禁止生產和銷售普通三相異步電動機，只能生產和銷售高效三相異步電動機。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景7.發(fā)展高效節(jié)能交流電動機前景

美國高效率電動機，與普通電動機相比，損耗下降20-30%，效率提高1.5-5%。美國超高效電動機，效率比高效率電動機再提高1-3個百分點，損耗較高效率電動機再下降20%左右。開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景7.發(fā)展高效節(jié)能交流電動機前景

我國0.75-75kW三相交流電動機向美洲地區(qū)的出口額由1997年（美國能源政策法令生效前）占全球出口總額的11.1%下降到2002年（美國能源政策法令生效后第5年）的6.82%；單相交流電動機向美洲地區(qū)的出口額已由1997年占全球出口總額的5.9%猛增到2002年的16.4%。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景8.高性能永磁材料發(fā)展迅速

NdFeB在1980’s初問世，“三高”優(yōu)勢明顯：高剩磁，高矯頑力和高磁能積，雖然溫度系數(shù)大，居里點低，容易氧化生銹而需涂復處理，但是，經過不斷改進，這些缺點得到有效克服，比如，NdFeB工作溫度已經可以達到180度，一般也可以達到150度，能夠滿足大多數(shù)電動機的要求。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景

永磁材料主要性能比較

永磁材料剩磁Br/T矯頑力kA/m最大磁能積kJ/m3居里溫度℃最高水平的鋁鎳鈷1.0812085850最高水平的鐵氧體0.4130032450較高水平的釤鈷1.00746210850中等水平的NdFeB1.26967310350內容提要三相異步起動永磁同步電動機及其特點開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機背景高效三相異步起動永磁同步電動機2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機高效三相異步起動永磁同步電動機

充分發(fā)揮我國是稀土資源大國的資源優(yōu)勢和后發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)生產高效三相異步起動三相永磁同步電動機，重點開發(fā)生產功率范圍在0.75-37kW之間的高效三相異步起動三相永磁同步電動機，效率提高3%-10%，使我國高效節(jié)能電機的效率指標跨過美國高效電機而直接達到美國超高效電機，即NEMAPremium當今世界的最高水平。

高效三相異步起動永磁同步電動機

美國超高效電動機效率功率/hp6極4極2極182.585.577.01.587.586.584.0288.586.585.5389.589.586.5589.589.588.57.591.091.789.5高效三相異步起動永磁同步電動機

美國超高效電動機效率功率/hp6極4極2極1091.091.790.21591.792.491.02091.793.091.02593.093.691.73093.093.691.74094.194.192.45094.194.593.0高效三相異步起動永磁同步電動機

美國超高效電動機效率功率/hp6極4極2極6094.595.093.67594.595.493.610095.095.494.112595.095.495.015095.895.895.020095.896.295.4內容提要三相異步起動永磁同步電動機及其特點開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機的背景高效三相異步起動永磁同步電動機2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機樣機效率91.3%，比相同規(guī)格壓縮機用三相異步電動機提高5.35%，比Y100L-23Kw標準值提高9.3%，比Y2100L-23Kw標準值提高8.3%。超過相同規(guī)格美國超高效電動機效率指標4.8%，超過法國ISOSYN系列NdFeB永磁同步電動機（4極，功率等級為3kW至15kW，共5個規(guī)格）比普通三相異步電動機效率提高4%至8%的水平。2008.11.6完成《自起動三相永磁同步電動機設計開發(fā)研究總結報告》。

2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

美國超高效電動機效率功率/hp6極4極2極182.585.577.01.587.586.584.0288.586.585.5389.589.586.5589.589.588.57.591.091.789.52極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

主要技術指標要求

功率因數(shù)0.88-1.0高功率因數(shù)，功率因數(shù)（實測值）比量產三相異步電動機提高0.06至0.185效率89-92%高效率，效率（實測值）比量產三相異步電動機提高3%至6%起動轉矩≥2.5N?m保證起動順利，正常牽入同步最大轉矩≥18N?m負荷特性在0.85-1.0額定轉矩負載范圍內，效率波動范圍在±1.0%之間2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

推薦樣機主要技術指標（實測值）

功率因數(shù)0.958合格（比量產三相異步電動機提高0.143）效率91.31%合格（比量產三相異步電動機提高5.35%）起動轉矩合格（起動順利，正常牽入同步）最大轉矩負荷特性合格（滿足要求）2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機推薦樣機效率（實測值）1.達到91.3%，比量產三相異步電動機提高5.35%，達到合同書提高3-6%的要求。2.比Y100L-23Kw三相異步電動機效率標準值（82%）提高9.3%，比Y2100L-23Kw三相異步電動機效率標準值（83%）提高8.3%。2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機推薦樣機效率（實測值）3.比美國超高效電動機相同規(guī)格三相交流電動機（2極3HP電動機）的效率標準值（86.5%）提高4.8%。4.超過法國ISOSYN系列NdFeB永磁同步電動機（4極，功率等級為3kW至15kW，共6個規(guī)格）比普通三相異步電動機效率提高4%至8%的水平。2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

轉子沖片

2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

樣機主要技術經濟指標對比

項目電流/A效率/%功率因數(shù)銅重/kg量產三相異步電動機5.0985.960.8151.92樣機1計算值4.50789.870.95661.55試驗值4.4388.400.9541.56樣機2計算值4.30290.300.99761.80試驗值3.4789.510.9991.80樣機3計算值4.36490.920.97651.92試驗值4.3386.230.9991.89樣機4計算值4.39792.050.95733.15試驗值4.9885.560.8693.18樣機5/推薦樣機計算值4.29590.810.99362.01試驗值4.1291.310.9581.972極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

樣機效率（實測值）對比

2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

樣機材料消耗與成本對比

部件名三相異步機樣機3樣機4樣機1樣機2推薦樣機硅鋼板重量(kg)13.713.715.113.715.115.1單價6.91元/Kg(t0.5寶鋼材，08/04月價格,不含稅)成本/元94.6794.6104.1394.67104.13104.13電磁線重量1.921.893.181.561.801.965單價63.38元/Kg（08/04月價格,不含稅）成本121.69119.79201.5598.87114.08124.54轉子磁鐵(稀土寧波永久)數(shù)量--8件8件8件8件8件單價--20.920.115.416.920.1成本--167.2160.8123.2135.2160.8絕緣材料成本3.213.213.533.533.533.53綁線成本0.730.730.730.730.730.73引出線成本1.641.641.641.641.641.64電機浸漆成本4.234.234.234.234.234.23總直材成本226.17391.47476.61326.9363.5399.6成本差/元--165.3250.4100.7137.3173.42極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機分析設計程序驗證對目前國內主要教材和設計手冊提供的自起動三相永磁同步電動機算例（1和2）進行了核算，同時對先期試制的樣機1進行了核算。算例1選自《現(xiàn)代永磁電機理論與設計》（唐任遠等著，北京：機械工業(yè)出版社，1997年），算例2選自《永磁電機》（王秀和等著，北京：中國電力出版社，2007年）。2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

分析設計程序驗證項目電流/A效率功率因數(shù)起動力矩失步轉矩起動電流算例1計算值24.7893.910.97942.891.858.67核算值24.7893.910.97942.891.858.67比較/%000000算例2計算值50.0894.880.9593.571.629.1核算值50.1395.130.9563.521.628.9比較/%0.440.26-0.31-1.40-2.19樣機1試驗值4.4788.180.954———核算值4.50789.870.95660.941.743.81比較/%0.81.90.3———樣機5/推薦試驗值4.1291.310.958———設計值4.29590.810.99360.671.642.84比較/%4.2-0.53.7———2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機分析設計誤差分析

樣機3和樣機4效率實測值分別只有86.23%和85.56%，沒有達到合同書89%至92%要求，其中樣機4的效率實測值甚至比量產三相異步電動機低0.4個百分點。此外，樣機3和樣機4效率實測值與計數(shù)值相差很大，分別相差4.69和6.49個百分點。

2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機

分析設計誤差分析比較項目電流/A效率/%功率因數(shù)樣機3計算值4.36490.920.9765試驗值4.3386.230.999誤差-0.03-4.690.022樣機4計算值4.39792.050.9573試驗值4.9885.560.869誤差0.58-6.49-0.0882