李玲玉

(上海友为工程设计有限公司，上海 200093)

近年来，随着永磁材料性能改善和电力电子技术的发展，永磁电机的应用范围已越来越广，其地位也越来越重要，从军工到民用，从特殊到一般，迅速扩大，不仅在微特电机中占有优势，还在电力推进系统中显示出其强大的生命力。特别是近20年来，现代永磁电机技术有了永磁材料和周边技术的支撑，形成了快速发展的势头，并使永磁电机向大功率、大转矩、耐高温和智能化等方向不断发展[1]。在航空航天、国防军事、风力发电、高铁、汽车工业、石油化工等行业得到广泛应用[2-4]。

目前，永磁电机在水利泵站中的应用实例不多，较早的有南水北调韩庄泵站[5]，近期在上海几座中型泵站得到了应用。其中，由于大型高压永磁电机在水利泵站中应用实例较少，故文章结合某在建大型竖井贯流泵参数，对高压永磁电机在大型低扬程水泵上的适应性问题做研究分析。

1 永磁电机结构及特点

永磁电机是由永磁体建立励磁磁场，利用磁引力拉动转子旋转，永磁转子跟随定子产生的旋转磁场同步旋转，从而实现机电能量转换的装置。永磁电机与异步电机的主要区别在转子结构上，异步电机为鼠笼式转子，永磁电机为嵌入或表贴磁钢式转子，这种方式对于绕组的工艺要求一般，简化了电机结构。永磁电机结构如图1所示。

图1 永磁电机结构

永磁电机由于转子采用永磁体制成，不需要励磁电流，消除了励磁损耗。与异步电机相比，大幅度减少了无功电流，效率高(关系有功电能)和功率因素高(关系无功电能)。与传统的电励磁电机相比，其具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高及功率因数高等显著特点，电机的形状和尺寸可以灵活多样，应用范围广泛。

2 大功率永磁电机应用现状

永磁电机由于其自身原理与结构优势，具有体积更小、效率更高、噪音低、易于远程控制、重量轻等特点。基于以上优点，大功率永磁电机在风电、高铁及火电上的应用已经逐渐发展起来，在各行业的使用特点与在水泵上的使用特点见表1。

表1 各行业永磁电机的应用对照表

3 永磁电机在水利行业大型水泵上的适应性分析

3.1 永磁电机优势分析

近年来，国内单泵流量在10m3/s以上的大型低扬程水泵常采用竖井贯流泵、灯泡贯流泵、立式轴流泵和斜式轴流泵。其中，由于竖井贯流泵开挖深度较小、流道水力损失小、安装运行维护较方便，采用竖井贯流泵的案例越来越多。而竖井贯流泵的一般运行转速低于200r/min，受竖井空间限制，竖井贯流泵多采用异步电机配套齿轮箱减速的组合方式。表2是针对永磁电机的优势，与水利行业大型水泵常规电机方案进行的定性比较。

表2 永磁电机在水利行业大型水泵中优势定性分析

3.2 永磁电机和配套变频器应用的关键问题

3.2.1永磁体退磁

如果设计或使用不当，永磁电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时，受到冲击电流产生电枢反应作用，或在化学作用下都有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。

在高温方面，电机冷却方式有多种[6-7]，有自然风冷、强制风冷和水冷，其中水冷效果较好。根据韩庄泵站应用情况，永磁材料可控制在不可逆退磁的温度限值以下，避免不可逆退磁的发生，但长期运行温度升高导致的可逆退磁对机组耗能及效率的影响也较为明显[8]。

在大电流冲击方面，水利行业永磁电机基本均配备变频器，可较好地控制电流对磁钢产生的影响。若遇到电机发生短路故障或瞬时过载产生的冲击电流，电机设计时由厂家复核或加强设计，并在制动回路中加入制动电阻消耗多余的能量。

在防腐方面，基本水利行业基本无特殊环境工况，且通过对永磁体表面防护特殊处理和磁极整体保护，可以有效避免这些化学因素的影响。

3.2.2制造难点

永磁电机在制造上还存在较多难点，如永磁材料利用率的提高、永磁体分散性给永磁电机的设计分析和磁场数值计算准确性带来的影响、充磁后磁场的均匀性等磁性能及其检测方法、永磁体的加工工艺及磁钢装配，都需要更多的深入研究和实践经验的积累。

3.3 变频器的可靠性

由于变频器使用的电子元件是有使用寿命的，同时安装环境、电网电压等因素影响变频器的使用寿命。变频器的寿命不是说变频器的设计寿命，而是在不同的工业环境下使用的寿命，即实际的使用年限。并且此寿命并不是一个立即生效的时间，而是根据故障率的大幅提高来判定的。在变频器6～8年的老化故障期故障率相比平稳期的随机故障率为15倍左右，备件替换频繁。为确保变频器可靠连续运行，延长使用寿命，需对日常的维护保养提出较高要求[9-10]。

3.4 技术及经济性比较

以上海某泵站为例，对竖井贯流泵分别采用永磁电机配套变频器方案与异步电机配套齿轮减速箱方案，并对两种方案的尺寸、性能等差异进行对比分析，详见表3。

表3 机电部分技术及投资成本对比表

(续表)

从电机设备技术指标角度看，同类型技术指标的异步电机应用广泛，相似技术指标永磁电机在火力发电有应用。

从设备布置角度看，永磁电机配套变频器方案和异步电机配套齿轮减速箱方案，泵组都能较好布置，但变频器所占电气设备用房面积较大。

从运行性能角度看，总体上永磁电机配套变频器方案较好，尤其双向运行，有一定优势；异步高速电机配套齿轮减速箱方案能满足性能要求。

从运行维护角度看，永磁电机配套变频器方案对环境要求较高。

从经验实例角度看，目前常规低扬程大流量泵站配套的永磁电机的电压等级、功率与火力发电应用实例相近，但使用年限不长；异步电机配套齿轮减速箱方案有很成熟的应用。

从经济角度看，两个方案初期一次投资费用接近，20年同寿命周期永磁电机配套变频器方案投资费用较大，但由于其可实现无极调速功能，提高水泵效率，同时电机效率较高、功率因素高，年运行小时数多时泵站的年节电量高。

4 结论与建议

(1)永磁电机有其技术先进性及突出的优点，电机体积小、额定效率高，高效运行的负载范围宽、功率因数高、节能回报高、噪音低等在低扬程大型水泵上有一定的优势，特别是在采用叶片正反转的双向水泵可实现，年运行小时数多时节电效果明显。

(2)永磁电机应用的技术难点主要在退磁、电机的分析与设计和制造装配工艺上。韩庄泵站中压电机的运行经验说明，长期运行温度升高导致的可逆退磁对机组耗能及效率的影响较为明显。水利泵站工程目前在高压大功率上无运行经验，需要一个经验积累完善的过程。

(3)配套变频器使用的电子元件是有使用寿命的，受安装环境、电网电压等因素影响大，对日常维护保养要求高。