异步电机永磁化的节能探索

异步电机永磁化的节能探索

陈振超 张钰清 伊然

河南黄河旋风股份有限公司 河南 长葛 461500；

摘要：电机作为工业设备的主要动力源，其消耗近70%的工业电量，超过了50%的社会总用电量；在工业领域，风机、泵、压缩机、机床、传输带等是用电量最大的耗电设备，电机作为这些设备的驱动装置，但这些电机绝大多数为落后需淘汰的低能效异步电机。尽管国家大力推广高效电机，但目前我国存量电机中高效电机的占比不足10%，而电机能效每提高一个点就可以节约用电近300亿千万时，加大高效电机的推广将有着重大的社会意义和经济效益；为更好的满足国家节能减排的要求，推广高效永磁类电机是行之有效的好方案，相比直接切换全新的永磁电机带来成本的较大增加，在感应电机基础上开展永磁化既降低了成本又提高了电机能效，可谓是一种全新的节能思路。

关键词：异步电机；节能减排；永磁化

0 引言

永磁电机具有高功率密度、高转矩、低损耗等优点，其采用钕铁硼等强磁材料励磁，不需要外界能量即可维持其磁场，而异步电机则需要消耗额外电能进行励磁，永磁电机没有转子损耗，功率因数很高，运行电流明显低于异步电机，电机总损耗更小，很适合作为节能电机；而异步电机能效提升主要通过增加有效材料用量，采用高性能电磁材料，优化电磁设计，改善冷却，优化工艺，提高制造精度等方面实现，这明显增大电机尺寸和成本，通常情况下，同功率、同转速的永磁电机相比异步电机有着更小的体积。异步电机、永磁电机在进行能量转换时，都是以电磁能的形式通过定转子之间的气隙进行传递的，两种电机在定子组件方面很类似，主要区别在于转子上面；那么，将现有感应电机的换装永磁转子，仍借用该异步电机的现有部件，实现异步电机永磁化，这将对电机高效化带来一场变革，因此在现有异步电机上面经改造辅之以永磁材料实现电机永磁同步化很具有验证意义。

本文以一台4极37kW水泵用异步电机为改造对象，首先对该电机完成测试获得电机改造前性能数据，然后利用该电机定转子等尺寸建立二维有限元仿真模型，其中转子部分开槽加入钕铁硼永磁材料，建立了异步电机永磁化仿真模型，并仿真计算电机性能参数，最后完成异步电机永磁化改造，对改造后电机进行测试，得出改造后效率提升数据，验证异步电机永磁化的可行性。

2 永磁化异步电机二维瞬态磁场的有限元模型建立

本文分析研究的样机是一台4极、37kW三相异步电机，对其进行永磁化设计改造，改造后电机相关参数如表1所示，使用Ansoft Maxwell建立电机有限元模型，如图1（a），该二维瞬态模型为异步电机永磁化改造后的模型。

表1 电机参数

（a）异步电机永磁化改造后有限元模型及剖分

40kW测功机

37kW异步电机永磁化改造后电机

（b）永磁化改造后电机及实验平台

图1 永磁化异步电机有限元模型及实物

3 37kW异步电机永磁化改造前后负载测试

由于永磁电机没有转子损耗，高功率因数、低运行电流使得定子铜耗更小，预计永磁化改造后的异步电机将具有更高的效率；分别对37kW异步电机永磁化改造前后进行负载测试，见下表1和表2。

3.1 电机永磁化改造前负载测试

表2 异步电机永磁化改造前负载测试

3.2 电机永磁化改造后负载测试

表3 异步电机永磁化改造后负载测试

从表2和表3的测试数据可以看出，同样一台电机通过永磁化改造后，效率提升了3.8%，且功率因数接近1、电流降低15.6%，永磁化改造后电机正好可达到最新GB/18613-2020能效标准中一级能效；若本次不采用原异步电机低牌号定子而换用高牌号定子，那么将会有更高的效率完全可超出一级能效；通过数据可以看出，永磁化改造后电机在额定运行点位置对异步电机的效率高出有限，但在低负载区域效率高出更多。

4 异步电机永磁化推广可行性

下图2为感应电机永磁再造的示意图，其中除了鼠笼转子组件被替换为重新设计的永磁转子组件、定子绕组电磁参数调整并进行重新下线外（其中电机所用轴承建议拆卸进行重新更换），原先感应电机的所有部件均进行必要的保养后进行回用。装配方面除了异步电机永磁化需要安装永磁体和解决转子入定子外，异步电机永磁化再制造的工艺流程与常规异步电机大体相同。

图2 异步电机永磁改造示意图

异步电机永磁化再造相比于全新的永磁电机，在保证电机性能基本相当的前提下，基本免去了电机本体除转子组件以外的成本，也不存在电机安装的不匹配性；物料成本的增加主要在于永磁体的使用，而我国又是稀土大国，占全球80%的储量，所以永磁电机具有很大的推广意义。

5 结论

本文针对4极37kW异步电机，开展永磁化改造探索，首先完成了异步电机永磁化的仿真设计，主要侧重于转子部件的设计，其次通过对电机改造前后负载测试，得出异步电机永磁化后的效率得到了提升，并且达到了一级能效。在研究过程中，得到以下结论：

（1）对现有中小型异步电机开展永磁化改造可实现电机效率的提高，保守可提高3个点以上，且具有很大的改造可行性；

（2）相比直接切换全新永磁电机，对现有异步电机改造由于可实现原电机零部件的回用，既降低改造成本又可基本达到全新永磁电机的性能；

（3）异步电机永磁化后具有很宽的高效运行区域，可实现低能效向二级能效甚至一级能效的跨越，且功率因数更高、运行电流会更低。

参考文献

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姓名：陈振超（1990.11.02）；性别：男，民族：汉，籍贯：河南省滑县，学历：本科，毕业于郑州轻工业大学；现有职称：初级工程师；研究方向：永磁交流伺服电动机及其控制