高速永磁同步电机在泵行业的应用

（耐驰泵阀科技（天津）有限公司）

摘要：应用永磁同步电机驱动的各类水泵及化工石油泵，具有效率高，体积小，性能优越，是泵行业发展的方向。

关键词：永磁同步电机  高速离心泵   率   节能

在工农业生产及生活的各个方面，泵的应用随处可见，在许多设备上也有泵的使用，泵在能耗方面是仅次于动力电机的设备能耗，据考证有占18-21%发电能耗，是耗能大户。在当前节能减排的严峻形势下，降低泵的能耗，对节能减排有着重大的意义。

泵主要有离心泵、潜水泵、管道泵、多级泵、旋涡泵、混流泵、轴流泵等。各种泵的叶轮在泵体里的电机轴上，电机旋转作功使液体提升，电机是泵的最重要部件。泵的电机常用有单相异步电机和三相异步电机，是一种感应电机。由于直流电机、串接电机等可靠性差，效率低或价位高等原因很少采用，所以泵电机基本上是使用这种感应的异步电机。感应电机是根据电磁感应原理，转子上铝或铜的环形导体在定子旋转的磁场里跟着旋转，总慢于磁场旋转称为异步电机。永磁无刷同步电机的转子是稀土磁钢，由驱动器根据转子和各绕组相对位置来驱动旋转的无刷的直流电机，它的转速由驱动器的参数而定，转子和定子旋转磁场保持同步，不象异步电机一样的慢一点，因此叫变频驱动永磁同步电机。永磁同步电机又分为异步起动永磁同步电机和变频驱动永磁同步电机，

永磁同步电机应用于设备动力是近十年来的事，目前常见到有加装有位置编码器的数控铣床、车床上用的伺服电机，以及注塑机上用的永磁同步电机。机床上用的是需要精准位置定位的伺服电机，考虑主要在于功能性方面，而注塑机上用的永磁同步电机则主要是为了节能提率而装的。永磁同步电机在其他设备方面的应用还是比较少见。

本文介绍的是永磁同步电机在泵上的应用。永磁同步电机需要配套变频控制器，它和普通矢量变频器不一样，是直流变频技术，采用诸如模控制理论、自适应技术、速度、电流开环或闭环控制技术等无霍尔直流无刷电机控制的最新技术，可以以恒功率、恒转速、恒扭矩等工作方式工作，具有响应速度快，控制精确的特点，它在整个功率负载段输出功率曲线都平坦，电机效率方面，就7.5KW的电机的实验表明，在额定功率的20%以上时都有＞80%的效率，10%的额定功率时效率有＞70%，3%的额定功率时有＞60%的效率，在整个功率段都是率的，这些都是其他电机所望尘莫及的。永磁同步电机具有率，和一般常用功率的异步电机相比，效率要高很多。普通交流电机的效率是工频供电下测试的，如果用变频器供电时，波形不如工频好，效率要下约2个点，加变频器本身损耗，整个就要损耗至少5%。永磁同步电机的效率是包括变频控制器损耗，它比单相异步电机效率高15-20%，比三相异步电机的效率要高7-10%，如果三相异步电机也配用变频控制的话，相比效率就要高12-15%。如果在低频段工作时，相差还要大很多，因异步电机在低频工作时效率很低。见电机负载特性表。泵的效率除泵体结构的特性外，主要是电机的效率，用了的电机作泵动力，泵的机组效率就高了。泵体一般效率是在50-70%，如果选用效率比异步电机高10%的永磁同步电机，那泵的机组效率就能提高5-7%。

永磁同步电机还有一个特点就是速度越高优势越明显，它的转速可以根据要求来设计，速度高时，电机体积小，耗材少，单位功率的成本低。普通异步电机的转速由磁极数决定，常用2极或4极，异步电机的转速在50Hz时2极的最高工作转速不会超过2900转/分，泵的叶轮的设计只能根据这个转速来设计。如果再提高转速，则要采用矢量变频器对交流异步电机变频提速，但是变频的异步电机的体积重量还是小不了，效率也不能提高多少，是没法与同步电机的优良性能相比的。根据流体力学的原理，离心泵、潜水泵、管道泵、多级泵、旋涡泵、混流泵、轴流泵等离心式水泵，提高转速可以提高扬程和流量，流量是转速提高倍数的1次方，而扬程则是转速提高倍数的2次方，功率是3次方，可以看出，提高转速对提高泵的扬程和流量效果显著，对改善泵的性能大有好处，而高速的永磁同步电机比低速的常规转速的永磁同步电机，在体积上成本上更具优势，在性能上也同样有优势。提高转速起到了这两方面的利好，这个转速该高到如何呢，根据材料工艺来定，一般选4000至7000转/分为合适，如果把密封、轴承、轴、叶轮等关键材料以及加工工艺解决好，特别是叶轮、转子、轴等制作好，同心度高，高速运行时能平稳不震动，这样就可以把转速选定得更高，如10000转/分，这泵的性能就发生了质的变化，就是一个高科技的全新泵产品。而这些经过设备更新，加工工艺改正，通过常规努力就能实现。

永磁同步电机配有直流变频技术的控制器，有过热，过流、过载等各种自动保护功能。同步电机的恒转速功能使泵在电网电压变化时能使流量和扬程保持不变，能宽电压使用而保持工作的良好稳定性。控制器的数字处理电路的核心是一个单片机，可以根据泵的工作需要设定各种程序指令，可以恒流、恒压供水、水位控制、定时开机关机，可以和电脑主机通讯、联机，实现办公室桌面远程控制以及网络远程控制，实现泵的智能化，自动化。

用高速永磁同步电机配套离心泵、旋涡泵、混流泵、轴流泵等泵后，泵的流量扬程和效率都会发生很大的变化，扬程和流量会大幅提高，机电一体化少，体积小重量轻。永磁同步电机及同步变频技术无论从技术特性、控制性能、应用范围、性价都比目前普遍使用的异步电机及变频技术要先进，同步电机及其变频技术相信将会逐步应用于各类泵，而且异步电机变频技术将会逐步淡出市场，这会对泵行业带来一场产业技术革命，推动泵行业的节能减排上一个台阶， 提高10%的节能效果对整个泵行业乃至全国的节能减排工作都有着非常重大的意义。

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