文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

电机是工业生产中重要的动力设备，随着经济的发展和工业的不断进步，电机的应用越来越广泛。我国是世界上最大的电机生产国，但是目前我国的电机总量却远超过世界年产量。

据统计，我国的电动机保有量已达1.4亿台，其中异步电动机约占70%。而我国工业生产中主要使用异步电动机，每年消耗电能约为亿kW·h，占全国总耗电量的50%以上。因此，降低电机能耗是实现节能减排的重要途径。

由于永磁电机具有节能、效率高、体积小、结构简单、振动小等特点，因此稀土永磁电机成为了目前最具潜力和发展前景的电机产品之一。

电机结构和工作原理的对比

异步电动机在工作时，其旋转磁场的作用是使转子转动，从而带动工作机件旋转。转子是由定、转子两部分构成，转子中装有定子绕组和转子绕组，定、转子之间通过“磁通”联系在一起。

异步电动机在运行过程中，当定子旋转时，转子也随之旋转。转子每旋转一周，就会将定子磁场中的一部分电能通过切割磁力线的方式耗散掉。因此异步电动机的功率因数很低，通常不超过0.6,效率也很低。

永磁同步电机是一种新型的感应电动机，它在工作时转子磁场和定子铁心磁场之间没有电磁耦合作用。由于永磁材料本身具有高磁能积和高矫顽力的特点，因此在磁路中可以有效地减小励磁电流，从而大幅度提高电机的功率因数。

功率因数对比：异步电动机的功率因数主要取决于其定子绕组中的无功电流和转子磁场中的感应电流的比值，即：

在实际运行过程中，异步电动机运行时，电机内部会产生附加转矩，使电磁转矩与机械转矩之间产生相位差，从而产生较大的电磁功率损耗。当电机负载率一定时，随着负载的增大，电机内部附加转矩会逐渐减小，损耗也随之减小。

而永磁同步电机由于在定子绕组中没有磁场，定子和转子之间不存在电磁感应现象，因此不再产生附加转矩。同时由于永磁同步电机转子有永磁材料这一特殊磁场存在，有效地降低了转子回路中的涡流损耗。因此永磁同步电机在功率因数方面优于异步电动机。

此外，由于永磁同步电机转子没有磁滞和涡流损耗的影响，因此在相同条件下比异步电动机功率因数高。同时由于永磁同步电机工作时没有附加转矩产生，因此其起动性能优于异步电动机。

效率对比：而永磁电动机则不会存在这样的问题，它在工作时转子磁场与定子铁心磁场之间没有电磁耦合作用，因此转子电流产生的谐波很少，转子无功损耗也减少了很多。

据统计，异步电动机在运行过程中，由于电力电子器件损耗、铜耗、铁耗、转子漏抗等因素所导致的损耗约占到了电动机总损耗的30%以上。而永磁电机只有0.2%-0.3%左右。

电机温升对比：稀土永磁电机采用高效高磁能积材料制成，电机本身损耗少，效率高，温升低。稀土永磁电机的铁心材料损耗少，加上转子磁路的设计优化，

以及采用高导磁材料如硅钢片和磁钢，使转子铁心损耗进一步减少，因而在相同功率下，稀土永磁电机的温升比异步电机降低约15%。

异步电动机由于工作原理的限制，一般使用铜材作为转子材料，导致电机温升较高。稀土永磁电机由于采用高导磁材料如硅钢片和磁钢等材料制成，转子的磁路结构设计优化，转子磁极采用稀土永磁材料制成（如钕铁硼永磁体），

使其磁通密度比传统的铜转子提高了20%-30%，因此永磁电机的温升较低。稀土永磁电机与异步电动机相比，其温升可降低2℃-3℃。

异步电机的结构和工作原理

异步电动机由定子、转子和电机转子三部分组成。定子由定子铁芯、转子铁芯和绕组等组成，电机转子则由转子线圈、定子绕组及轴承等组成。

异步电动机的工作原理是依靠电磁感应，的能量转化为电能。电动机在通电运行时，转子在磁场中受到洛伦兹力作用，产生旋转运动，同时在定子线圈中产生感应电流，定子绕组中形成闭合的环流回路。

这种电流和磁场相互作用产生的电磁力称为转矩。随着负载的增加，电机定、转子之间的相对位置发生改变，从而形成旋转运动；同时电机的转矩和转速成正比关系，其转速随转子转动角度的增加而升高。

当异步电动机达到额定转速后，由于转子转动产生机械损耗，同时由于电磁转矩作用在转子上引起转矩脉动，造成能量损耗。

异步电动机的功率因数：功率因数是反映电动机综合性能的重要指标，功率因数低的电动机，会造成电能的大量浪费。异步电动机功率因数是指三相交流电源中，电动机输入电压有效值与额定电压之比。

一般来说，异步电动机的功率因数越高，电动机在运行中损耗越小。为了提高功率因数，必须增加并联电容器的容量；要减少功率因数，就要降低三相电源的电压。

采用降压变压器降压后，将三相电源变为两相电源使用，在变压器二次侧并联一个电容来补偿电网的无功功率。目前我国电网中采用低压异步电动机作为主要用电设备。因此，降低异步电动机的功率因数可以节约大量电能。

性能参数的对比

1.效率方面：同功率的稀土永磁电机效率要高于异步电机。因为稀土永磁电机的损耗主要来源于永磁体，而异步电机的损耗主要来源于铜损和铁损。对于相同功率的稀土永磁电机，其效率比异步电机高出3%~5%。

2.功率因数方面：当负载较轻时，同功率的稀土永磁电机会比异步电机高出1~2倍，当负载较重时，则会比异步电机高出1~2倍。因为在负载轻时，电流的平方与电压的平方成正比，因此可以得出同功率的稀土永磁电机功率因数要高于异步电机。

4.起动性能方面：由于异步电动机采用定子电阻起动，而稀土永磁电动机采用转子磁路电阻起动，因此起动性能不同。

5.调速性能方面：由于稀土永磁电动机采用了先进的控制技术，因此调速性能也更优越。稀土永磁电动机的调速范围为0~%额定值，而异步电动机的调速范围为0~%额定值。

6.噪声方面：由于稀土永磁电机具有较小的转子电阻，因此噪声也更小。

与普通异步电动机相比：（1）效率更高。因为稀土永磁电动机具有更高的功率因数，因此其起动转矩也相应提高，使其起动性能更好。

（2）节能效果更显著。稀土永磁电动机具有更高的功率因数和起动性能，这意味着其起动电流要小于普通异步电动机，这在某些场合可以降低电力系统的容量要求，从而节省运行费用。

（3）节能潜力较大。稀土永磁电动机具有更高的功率因数和起动性能，因此节能效果更为显著。

通常情况下，普通异步电动机在负荷较小的时候运行效率比稀土永磁电动机低2%左右，因此节能效果较差；而当负载增大时，两者的差距会逐渐缩小。

例如在空调行业中，如果以最大负荷计算，使用稀土永磁电机可节能约10%，而使用普通异步电机则只能节能约5%；对于汽车行业来说，

如果以最大负荷计算，稀土永磁电机可节能约10%，而普通异步电动机只能节能约5%左右。因此从理论上讲稀土永磁电机的节能空间要比普通异步电动机大得多。

与永磁同步电动机比较：（1）永磁同步电动机具有高功率因数、高效率、高转矩密度等特点，可以在较小的体积内提供较大的输出功率，具有结构简单、可靠性高、维护工作量少、使用寿命长等优点。

（2）永磁同步电动机具有起动转矩大的优点，可以在较小的起动电流下实现可靠起动；具有过载能力强的特点，可以在过载时保持较高的运行速度。

（3）永磁同步电动机具有高速运行和高转矩输出的特点，可以在较大的转矩范围内保持稳定转速，并实现平滑调速；具有较高的启动电流和起动转矩，可以减少机械冲击和保护设备。

（4）永磁同步电动机具有效率高、体积小、重量轻、功率因数高等优点；具有自适应能力强的特点，能够根据负载情况自动调节功率因数；具有转矩脉动小、振动小、噪音低等优点。

（5）永磁同步电动机和异步电动机都是传统节能电机，从技术上讲没有本质上的区别；但从运行上看，由于稀土永磁电动机有更高的功率因数，因此效率比异步电动机高出3%~5%；而对于同样功率的永磁同步电动机和异步电动机，其调速范围都大于异步电动机。

笔者观点

在电机节能方面，稀土永磁电机与异步电机相比，具有显著的优越性。永磁电机工作点（效率点）为额定效率点，效率高，可有效降低电机的能耗，因此应用稀土永磁电机是实现节能减排、促进可持续发展的重要途径。

但是由于永磁电机自身的高成本、低效率等问题，稀土永磁电机在推广应用过程中也遇到了很多问题。

由于稀土永磁电机在生产成本、加工工艺、可靠性等方面还需要进一步完善，因此需要进一步降低稀土永磁电机的制造成本。此外，由于稀土永磁电机自身的高效率特点，其在未来的发展过程中也将会遇到很多挑战。

例如：如何提高其可靠性；如何提高其工艺制造水平；如何提升其散热能力；如何提升其运行效率等。

参考文献

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