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【摘要】永磁同步电机以其体积小，结构简单，动态响应快，高效节能等优点，在很多行业得到了应用。通过对永磁同步电机节能改造的研究，建立详细的节能数据与购置回收数据，其结果表明，永磁同步电机节能降耗的效果非常明显，不仅短期可以收回改造费用，而且节能效应影响深远。
【关键词】永磁同步电机;电梯;节能
Discussion about The Permanent Magnetic Synchronous Motor for Elevator Conservation
LI Guang-wei
(Guang Zhou Academy Of Special Equipment Inspection & Testing China,Guang Dong ProvinceGuangｚhou510000)
【Abstract】Permanent Magnetic Synchronous Motor（PMSM） has been applied in many industries with its small size, simple structure, quick dynamic response, high efficiency and saving energy. Based on energy saving transformation of permanent magnet synchronous motor, a detailed energy-saving data and purchase recovery data, and the results show that the effects of the energy conservation of permanent magnet synchronous motor is very obvious, not only short-term can withdraw reconstruction expenses, and energy saving effect have far-reaching influence.
【Key words】Permanent Magnetic Synchronous Motor；Elevator；Conservation
0.引言
节能，是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以接受的措施，减少从能源生产到消费各个环节的损失，更有效、合理地利用能源。2005年7月，国家发改委在《建设节约型社会近期重点工作分工》的通知中明确提出：节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针。全国人大常委会于2007年10月28日通过的《中华人民共和国节约能源法》中规定，“ 对高耗能的特种设备，按照国务院的规定实行节能审查和监管”。
1.永磁同步电机的概况
1.1永磁同步电机的概念及特点
所谓永磁同步电机就是指采用永磁体代替通电线圈励磁的电机。由于永磁电机的转子是永磁体，所以永磁电机发展与永磁材料的发展密不可分。虽然之前有很多关于永磁电机的研究，但直到1983年铷铁硼（NdFeB）的出现，才使得永磁电机真正的被人们重视，也才使得永磁电机真正的被各行各业所采用。我国是稀土资源大国，目前探测的稀土储量占世界总量的85%，在研究高磁场永磁材料方面有着得天独厚的优势，这就为我国的永磁电机的研究和发展奠定了坚实的基础。
目前在工程上常用的伺服电机主要有感应异步电机（Induction Motor）和永磁同步电机（Permanent Magnetic Synchronous Motor）两种。由于永磁交流伺服系统在转矩波动、调速范围、损耗和效率等方面都有明显的优势，随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛[1]。永磁同步电机较感应异步电机主要有以下优点：
（1）永磁同步电机结构简单，重量轻，体积小，应用范围更为广泛。例如10Kw的异步电机重量为220kg，而永磁电机仅为92kg，相当于异步电机重量的45.8%。
（2）永磁同步电机转子为永磁体，无需励磁，因此减少了定子电流和定子电阻的损耗，电机效率更高。
（3）永磁同步电机具有较低的惯性，转矩一定，响应速度快，即转矩/惯性比高，无转子损耗和发热现象，能源利用率高。
（4）随着新型永磁材料铷铁硼的大量使用，使得转子永磁体的剩余磁密，矫顽力，最大磁能积等性能有了很大的提高，在提高电机性能的同时减小了电机的体积。随着铷铁硼永磁材料的发展，永磁同步电机的应用会越来越广泛[2]。
表1 同步电机与异步电机参数比较
如表1所示，永磁同步电机比感应异步电机重量减轻30%，体积减少78%，节电率30%。
1.2 永磁同步电机节能机理
三相永磁同步电机属于涡流启动、同步运转，转子实现了稀土永磁化，所以无滑差，无电励磁、转子无基波铁、铜损耗。转子由永磁体励磁，无需无功励磁电流，功率因数提高，无功功率减少，定子电流大幅下降，定子铜耗大为减少，效率明显提高。
由于永磁电机的极弧系数大于异步电机的极弧系数，当电压和定子结构一定时，同步电机的平均磁感应强度比异步电机的小，铁损耗小。
由于永磁电机的不变损耗小，可变损耗比异步电机低，这样效率特性可在20%~120%额定负载区间内呈现高而平，节能效果十分明显。
2.永磁同步电机在电梯行业的节能调查
众所周知，电梯是现代建筑最大的用电设备之一。美国和香港权威机构提供的统计数据显示，电梯耗电要占到大楼总能耗的3～7％；据调查，我国仅三星级以上的酒店，空调和电梯两项耗电量就占城市耗电量的三分之一。因此，电梯节能降耗的研究已引起社会各界的关注。
文献[3]中介绍了节能降耗有两个方面，一是改进机械传动和电力拖动系统。如将涡轮蜗杆传动改为无齿轮传动，机械效率可提高15%~25%；将AC-2系统改为变压变频（VVVF）电力拖动，电能损耗可减少20%以上。二是利用电梯的位能负载发电回收。节能最有效、最有潜力、替代成本最低的办法，就是研制和推广高效节能电机。由此可见，将永磁同步电机应用于电梯并替代或者改造现有的异步感应电机，将会达到很好的节能降耗效果。
表2 电机改造与节能购置费用回收清单
表2为某公司电机改造与节能购置费回收的清单，从表2中能够看出：
（1）改造435台（380V，50Hz）异步电机，将其全部换用永磁同步电机，以年运行小时和平均电价0.63元/KW·h计算，年总耗电费用为7330379元，改造更换永磁同步电机后，年总节电费用为1869025元，平均节电率为25.5%。
（2）购置435台永磁同步电机的总费用为3264085元，平均可在1.754年（21个月）内从节约的电费中回收，因节能效果明显，投资回报率高。
（3）以产品寿命周期20年计算，总共可节约电费1869025元×（20-1.75）=34109706.25元，节电效果十分可观。
3.结论
永磁同步电机以其特定的电磁结构，与感应异步电机相比，其在很多方面，特别是节能降耗方面比感应异步电机具有非常明显的优势。通过对某公司电机的改造数据表明，永磁同步电机在节能降耗方面确实达到了良好的效果，对今后电梯行业乃至整个电机行业都有着很好的启示作用。■
【参考文献】
［１］张宏宇,闫镔,陆利忠.永磁同步电机控制策略及应用研究综述[J].微电机，2008,(04):69-73.
［２］赵言.永磁同步电机直接转矩控制的改进研究[D].山东大学硕士学位论文，2009:5.
［３］孙立新.关于电梯能效评价的探讨[J].中国电梯.2008,19(04):43-45.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】永磁同步电机;电梯;节能
Discussion about The Permanent Magnetic Synchronous Motor for Elevator Conservation
LI Guang-wei
(Guang Zhou Academy Of Special Equipment Inspection & Testing China,Guang Dong ProvinceGuangｚhou510000)
【Abstract】Permanent Magnetic Synchronous Motor（PMSM） has been applied in many industries with its small size, simple structure, quick dynamic response, high efficiency and saving energy. Based on energy saving transformation of permanent magnet synchronous motor, a detailed energy-saving data and purchase recovery data, and the results show that the effects of the energy conservation of permanent magnet synchronous motor is very obvious, not only short-term can withdraw reconstruction expenses, and energy saving effect have far-reaching influence.
【Key words】Permanent Magnetic Synchronous Motor；Elevator；Conservation
0.引言
节能，是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以接受的措施，减少从能源生产到消费各个环节的损失，更有效、合理地利用能源。2005年7月，国家发改委在《建设节约型社会近期重点工作分工》的通知中明确提出：节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针。全国人大常委会于2007年10月28日通过的《中华人民共和国节约能源法》中规定，“ 对高耗能的特种设备，按照国务院的规定实行节能审查和监管”。
1.永磁同步电机的概况
1.1永磁同步电机的概念及特点
所谓永磁同步电机就是指采用永磁体代替通电线圈励磁的电机。由于永磁电机的转子是永磁体，所以永磁电机发展与永磁材料的发展密不可分。虽然之前有很多关于永磁电机的研究，但直到1983年铷铁硼（NdFeB）的出现，才使得永磁电机真正的被人们重视，也才使得永磁电机真正的被各行各业所采用。我国是稀土资源大国，目前探测的稀土储量占世界总量的85%，在研究高磁场永磁材料方面有着得天独厚的优势，这就为我国的永磁电机的研究和发展奠定了坚实的基础。
目前在工程上常用的伺服电机主要有感应异步电机（Induction Motor）和永磁同步电机（Permanent Magnetic Synchronous Motor）两种。由于永磁交流伺服系统在转矩波动、调速范围、损耗和效率等方面都有明显的优势，随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛[1]。永磁同步电机较感应异步电机主要有以下优点：
（1）永磁同步电机结构简单，重量轻，体积小，应用范围更为广泛。例如10Kw的异步电机重量为220kg，而永磁电机仅为92kg，相当于异步电机重量的45.8%。
（2）永磁同步电机转子为永磁体，无需励磁，因此减少了定子电流和定子电阻的损耗，电机效率更高。
（3）永磁同步电机具有较低的惯性，转矩一定，响应速度快，即转矩/惯性比高，无转子损耗和发热现象，能源利用率高。
（4）随着新型永磁材料铷铁硼的大量使用，使得转子永磁体的剩余磁密，矫顽力，最大磁能积等性能有了很大的提高，在提高电机性能的同时减小了电机的体积。随着铷铁硼永磁材料的发展，永磁同步电机的应用会越来越广泛[2]。
表1 同步电机与异步电机参数比较
如表1所示，永磁同步电机比感应异步电机重量减轻30%，体积减少78%，节电率30%。
1.2 永磁同步电机节能机理
三相永磁同步电机属于涡流启动、同步运转，转子实现了稀土永磁化，所以无滑差，无电励磁、转子无基波铁、铜损耗。转子由永磁体励磁，无需无功励磁电流，功率因数提高，无功功率减少，定子电流大幅下降，定子铜耗大为减少，效率明显提高。
由于永磁电机的极弧系数大于异步电机的极弧系数，当电压和定子结构一定时，同步电机的平均磁感应强度比异步电机的小，铁损耗小。
由于永磁电机的不变损耗小，可变损耗比异步电机低，这样效率特性可在20%~120%额定负载区间内呈现高而平，节能效果十分明显。
2.永磁同步电机在电梯行业的节能调查
众所周知，电梯是现代建筑最大的用电设备之一。美国和香港权威机构提供的统计数据显示，电梯耗电要占到大楼总能耗的3～7％；据调查，我国仅三星级以上的酒店，空调和电梯两项耗电量就占城市耗电量的三分之一。因此，电梯节能降耗的研究已引起社会各界的关注。
文献[3]中介绍了节能降耗有两个方面，一是改进机械传动和电力拖动系统。如将涡轮蜗杆传动改为无齿轮传动，机械效率可提高15%~25%；将AC-2系统改为变压变频（VVVF）电力拖动，电能损耗可减少20%以上。二是利用电梯的位能负载发电回收。节能最有效、最有潜力、替代成本最低的办法，就是研制和推广高效节能电机。由此可见，将永磁同步电机应用于电梯并替代或者改造现有的异步感应电机，将会达到很好的节能降耗效果。
表2 电机改造与节能购置费用回收清单
表2为某公司电机改造与节能购置费回收的清单，从表2中能够看出：
（1）改造435台（380V，50Hz）异步电机，将其全部换用永磁同步电机，以年运行小时和平均电价0.63元/KW·h计算，年总耗电费用为7330379元，改造更换永磁同步电机后，年总节电费用为1869025元，平均节电率为25.5%。
（2）购置435台永磁同步电机的总费用为3264085元，平均可在1.754年（21个月）内从节约的电费中回收，因节能效果明显，投资回报率高。
（3）以产品寿命周期20年计算，总共可节约电费1869025元×（20-1.75）=34109706.25元，节电效果十分可观。
3.结论
永磁同步电机以其特定的电磁结构，与感应异步电机相比，其在很多方面，特别是节能降耗方面比感应异步电机具有非常明显的优势。通过对某公司电机的改造数据表明，永磁同步电机在节能降耗方面确实达到了良好的效果，对今后电梯行业乃至整个电机行业都有着很好的启示作用。■
【参考文献】
［１］张宏宇,闫镔,陆利忠.永磁同步电机控制策略及应用研究综述[J].微电机，2008,(04):69-73.
［２］赵言.永磁同步电机直接转矩控制的改进研究[D].山东大学硕士学位论文，2009:5.
［３］孙立新.关于电梯能效评价的探讨[J].中国电梯.2008,19(04):43-45.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文