三相異步起動永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)與試制

三相異步起動永磁同步電動機(jī)

設(shè)計(jì)與試制

廣東工業(yè)大學(xué)黃開勝內(nèi)容提要三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)背景高效三相異步起動永磁同步電動機(jī)

廣東美芝制冷設(shè)備有限公司委托項(xiàng)目“自起動三相永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)”（美芝制冷設(shè)備有限公司合作）粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破招標(biāo)項(xiàng)目“高效節(jié)能異步起動永磁同步電動機(jī)”（2007168404）（東莞電機(jī)有限公司合作）。內(nèi)容提要2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)、試制與結(jié)論

YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)、試制與結(jié)論內(nèi)容提要三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)背景高效三相異步起動永磁同步電動機(jī)2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機(jī)三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)1.傳統(tǒng)同步電動機(jī)（1.1）直流電通過電刷進(jìn)入轉(zhuǎn)子激磁繞組，產(chǎn)生直流磁場。同步電動機(jī)直流磁場可以調(diào)節(jié)。（1.2）電動機(jī)（即轉(zhuǎn)子）以一個速度（即同步速度）旋轉(zhuǎn)。（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(jī)有時(shí)用作調(diào)相機(jī)。（1.4）比異步電動機(jī)更易于實(shí)現(xiàn)矢量控制。（1.5）同步電動機(jī)起動困難。三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)2.永磁同步電動機(jī)（2.1）傳統(tǒng)同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子激磁繞組產(chǎn)生的直流磁場由永磁材料（永磁體）產(chǎn)生的直流磁場來代替。因此，永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)激磁磁場調(diào)節(jié)困難。三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)3.三相異步起動永磁同步電動機(jī)（3.1）三相異步起動永磁同步電動機(jī)，是一種轉(zhuǎn)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(jī)，又稱為直接起動永磁同步電動機(jī)。三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)3.三相異步起動永磁同步電動機(jī)（3.2）自20世紀(jì)80年代后期起，國內(nèi)外有很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者開展三相異步起動永磁同步電動機(jī)的研究工作：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)原理；性能分析方法。

三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)

三相異步起動永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)及其特點(diǎn)3.三相異步起動永磁同步電動機(jī)（3.3）經(jīng)過近20年的發(fā)展，尤其是NdFeB的進(jìn)步和應(yīng)用，既具有永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子損耗低，定子電流小，力能指標(biāo)高，節(jié)能效果好的優(yōu)點(diǎn)，又具備三相異步電動機(jī)起動方便、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，在小功率和中等功率場合，有替代鼠籠轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的趨勢。

三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)日本明電舍公司100系列永磁同步電動機(jī)（1）0.6kW-22kW，21個品種；（2）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固：機(jī)座、定子鐵心、定子繞組與鼠籠三相異步電動機(jī)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(jī)一樣，維護(hù)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(jī)及其特點(diǎn)法國ISOSYN系列NdFeB同步電動機(jī)

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(biāo)（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(jī)及其特點(diǎn)

法國ISOSYN系列NdFeB同步電動機(jī)功率/kW三相異步電動機(jī)NdFeB永磁同步電動機(jī)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(nèi)容提要三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)背景高效三相異步起動永磁同步電動機(jī)2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機(jī)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)背景1.節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的兩大主題。高效節(jié)能電動機(jī)不僅能夠減少電動機(jī)損耗，提高運(yùn)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(jī)總用電1300億kW·h，為生產(chǎn)這些電能排放到空氣中的碳為2400萬噸，相當(dāng)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(jī)背景2.我國能源利用率僅為30%，比發(fā)達(dá)國家低約10個百分點(diǎn)，“產(chǎn)值能耗比”比世界平均水平高2倍多。我國交流電動機(jī)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(chǎn)業(yè)。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)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(diǎn)，開發(fā)高效三相異步起動三相永磁同步電動機(jī)（節(jié)能降耗），跨過開發(fā)高效鼠籠轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)，直接達(dá)到甚至超過美國超高效電機(jī)的當(dāng)今世界的最高水平。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)背景4.0.75-37kW三相異步電動機(jī)臺數(shù)多用電多根據(jù)美國1988年、歐盟1998對電動機(jī)數(shù)量和用電情況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在三相異步電動機(jī)中，功率在0.75kW（1hp）-37kW（50hp）范圍的電動機(jī)在數(shù)量上占電動機(jī)總裝機(jī)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(jī)背景

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

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

0.75-37kW的電動機(jī)節(jié)能潛力巨大功率范圍/kW標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)效率/%高效電動機(jī)效率/%電動機(jī)用電量/億kW·h節(jié)能預(yù)測/億kW·h0.75-7.580862530170(7%)>7.5-379093213056(3%)>37-759395130020(2%)>759596276030(1%)合計(jì)8720276(3%)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)背景6.歐盟對2010年三相異步電動機(jī)節(jié)電預(yù)測歐盟在1997年曾預(yù)測，到2010年時(shí)工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)中三相異步電動機(jī)的用電量將達(dá)到8720億kW·h，如果將不同功率電動機(jī)效率提高1%-6%，則可以節(jié)電3%左右，節(jié)電276億kW·h，相當(dāng)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(jī)背景

歐盟2010年三相異步電動機(jī)節(jié)能預(yù)測

功率范圍/kW標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)效率/%高效電動機(jī)效率/%電動機(jī)用電量/億kW·h節(jié)能預(yù)測/億kW·h0.75-7.580862530170(7%)>7.5-379093213056(3%)>37-759395130020(2%)>759596276030(1%)合計(jì)8720276(3%)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)背景7.發(fā)展高效節(jié)能交流電動機(jī)前景

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

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

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

我國0.75-75kW三相交流電動機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)低，容易氧化生銹而需涂復(fù)處理，但是，經(jīng)過不斷改進(jìn)，這些缺點(diǎn)得到有效克服，比如，NdFeB工作溫度已經(jīng)可以達(dá)到180度，一般也可以達(dá)到150度，能夠滿足大多數(shù)電動機(jī)的要求。

開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)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(nèi)容提要三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)背景高效三相異步起動永磁同步電動機(jī)2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機(jī)高效三相異步起動永磁同步電動機(jī)

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(chǎn)高效三相異步起動三相永磁同步電動機(jī)，重點(diǎn)開發(fā)生產(chǎn)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(jī)，效率提高3%-10%，使我國高效節(jié)能電機(jī)的效率指標(biāo)跨過美國高效電機(jī)而直接達(dá)到美國超高效電機(jī)，即NEMAPremium當(dāng)今世界的最高水平。

高效三相異步起動永磁同步電動機(jī)

美國超高效電動機(jī)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(jī)

美國超高效電動機(jī)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(jī)

美國超高效電動機(jī)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(nèi)容提要三相異步起動永磁同步電動機(jī)及其特點(diǎn)開發(fā)三相異步起動永磁同步電動機(jī)的背景高效三相異步起動永磁同步電動機(jī)2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)YXT132M-47.5kW三相異步起動永磁同步電動機(jī)2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)樣機(jī)效率91.3%，比相同規(guī)格壓縮機(jī)用三相異步電動機(jī)提高5.35%，比Y100L-23Kw標(biāo)準(zhǔn)值提高9.3%，比Y2100L-23Kw標(biāo)準(zhǔn)值提高8.3%。超過相同規(guī)格美國超高效電動機(jī)效率指標(biāo)4.8%，超過法國ISOSYN系列NdFeB永磁同步電動機(jī)（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(jī)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(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)研究總結(jié)報(bào)告》。

2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)

美國超高效電動機(jī)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(jī)

主要技術(shù)指標(biāo)要求

功率因數(shù)0.88-1.0高功率因數(shù)，功率因數(shù)（實(shí)測值）比量產(chǎn)三相異步電動機(jī)提高0.06至0.185效率89-92%高效率，效率（實(shí)測值）比量產(chǎn)三相異步電動機(jī)提高3%至6%起動轉(zhuǎn)矩≥2.5N?m保證起動順利，正常牽入同步最大轉(zhuǎn)矩≥18N?m負(fù)荷特性在0.85-1.0額定轉(zhuǎn)矩負(fù)載范圍內(nèi)，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(jī)

推薦樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)（實(shí)測值）

功率因數(shù)0.958合格（比量產(chǎn)三相異步電動機(jī)提高0.143）效率91.31%合格（比量產(chǎn)三相異步電動機(jī)提高5.35%）起動轉(zhuǎn)矩合格（起動順利，正常牽入同步）最大轉(zhuǎn)矩負(fù)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(jī)推薦樣機(jī)效率（實(shí)測值）1.達(dá)到91.3%，比量產(chǎn)三相異步電動機(jī)提高5.35%，達(dá)到合同書提高3-6%的要求。2.比Y100L-23Kw三相異步電動機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)值（82%）提高9.3%，比Y2100L-23Kw三相異步電動機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)值（83%）提高8.3%。2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)推薦樣機(jī)效率（實(shí)測值）3.比美國超高效電動機(jī)相同規(guī)格三相交流電動機(jī)（2極3HP電動機(jī)）的效率標(biāo)準(zhǔn)值（86.5%）提高4.8%。4.超過法國ISOSYN系列NdFeB永磁同步電動機(jī)（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(jī)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(jī)

轉(zhuǎn)子沖片

2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)

樣機(jī)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

項(xiàng)目電流/A效率/%功率因數(shù)銅重/kg量產(chǎn)三相異步電動機(jī)5.0985.960.8151.92樣機(jī)1計(jì)算值4.50789.870.95661.55試驗(yàn)值4.4388.400.9541.56樣機(jī)2計(jì)算值4.30290.300.99761.80試驗(yàn)值3.4789.510.9991.80樣機(jī)3計(jì)算值4.36490.920.97651.92試驗(yàn)值4.3386.230.9991.89樣機(jī)4計(jì)算值4.39792.050.95733.15試驗(yàn)值4.9885.560.8693.18樣機(jī)5/推薦樣機(jī)計(jì)算值4.29590.810.99362.01試驗(yàn)值4.1291.310.9581.972極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)

樣機(jī)效率（實(shí)測值）對比

2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)

樣機(jī)材料消耗與成本對比

部件名三相異步機(jī)樣機(jī)3樣機(jī)4樣機(jī)1樣機(jī)2推薦樣機(jī)硅鋼板重量(kg)13.713.715.113.715.115.1單價(jià)6.91元/Kg(t0.5寶鋼材，08/04月價(jià)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(jià)63.38元/Kg（08/04月價(jià)格,不含稅）成本121.69119.79201.5598.87114.08124.54轉(zhuǎn)子磁鐵(稀土寧波永久)數(shù)量--8件8件8件8件8件單價(jià)--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(jī)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(jī)分析設(shè)計(jì)程序驗(yàn)證對目前國內(nèi)主要教材和設(shè)計(jì)手冊提供的自起動三相永磁同步電動機(jī)算例（1和2）進(jìn)行了核算，同時(shí)對先期試制的樣機(jī)1進(jìn)行了核算。算例1選自《現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)》（唐任遠(yuǎn)等著，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997年），算例2選自《永磁電機(jī)》（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(jī)

分析設(shè)計(jì)程序驗(yàn)證項(xiàng)目電流/A效率功率因數(shù)起動力矩失步轉(zhuǎn)矩起動電流算例1計(jì)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(jì)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(jī)1試驗(yàn)值4.4788.180.954———核算值4.50789.870.95660.941.743.81比較/%0.81.90.3———樣機(jī)5/推薦試驗(yàn)值4.1291.310.958———設(shè)計(jì)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(jī)分析設(shè)計(jì)誤差分析

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

2極2.45KW三相異步起動永磁同步電動機(jī)

分析設(shè)計(jì)誤差分析比較項(xiàng)目電流/A效率/%功率因數(shù)樣機(jī)3計(jì)算值4.36490.920.9765試驗(yàn)值4.3386.230.999誤差-0.03-4.690.022樣機(jī)4計(jì)算值4.39792.050.9573試驗(yàn)值4.9885.560.869誤差0.58-6.49-0.0882