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简约的魅力——永磁体电机的优越性解析

发布时间:2009-10-14 来源:ABB评论

        电机使用永磁体 (PM) 励磁的想 法由来已久。由于永磁体技 术近十年发展迅猛,因此在技术和 经济上成为可行的解决方案,尤其 在低速、大转矩直接驱动方面更是 如此。
        与其它励磁方法比较,永磁体技术 应用于电机具有很多明显优势。然 而直到最近,这种技术才得以广泛 应用,这得益于永磁体技术的改善 及其成本的降低。ABB 已经开发出 基于永磁体技术的产品,特别适用 于流程工业、船舶推进和风力发电 等需要低速大转矩的领域。
        由于永磁体技术近十年发展迅 猛,因此在技术和经济上成为 可行的解决方案。
        采用全电动直驱式技术,取消变速 箱及其附件, 可以获得更多效益 (见图 1 )。取消这些部件可降低损 耗,提高传动的整体可靠性。3 MW 风力涡轮机上安装的一套三级变速 箱会使总体效率降低近 3 %。另外, 取消变速箱和中间传动轴还节约了 工厂占地面积。

由感应电机齿轮和中间传动轴组成的常规驱动


        永磁体电机可与鼠笼式感应电机一 样稳固而简约。如果一台永磁体电 机与 ABB 直接转矩控制 (DTC) 变速 转换器配套使用,就无需使用速度 编码器提供转子速度反馈。由于取 消了这个潜在不可靠的零件,永磁 体直接传动解决方案的可靠性进一 步提高。与其他现有低速大转矩技 术相比,这种传动技术可用率也提 高了,产品的生命周期成本也因此 得以降低。
        直驱式技术中的永磁电机
        ABB 生产永磁体 (PM) 电机已近十 年。永磁体电机是同步电机。在定 子绕组里,一般有三个以上的定子 相位。安装于转子中的永磁体在气 隙中产生基本恒定的磁通,与定子 绕组产生的旋转磁通“锁紧”。因 此,永磁体电机运转可以同步。
        电机主轴高度变化很大,从 280 毫 米的电机到 2,500 毫米风力发电机。 M3BJ、AMZ 和 AMG 系列的永磁体 电机产品已经非常成熟。
        永磁体电机可与鼠笼式感应电 机一样稳固而简约。
        电极数较少的电机具有较高的额定 转速,如果电源频率较低,也可低 速运转。但在这种情况下,运行效 率较低,因为变频器的输出频率大 大低于额定频率范围。在这样低的 频率下,电力开关必须按超大尺寸 进行设计应对配电损失。因此, 在低速应用领域, 多极电机更具 优势。
        设计运行速度为 750 至 3,000 转/分的 感应电机并不特别适用于低速直接 驱动,因为随着速度降低,效率也 会下降。它们也不能在低转速范围 内有效提供平稳转矩。
        极数更多的感应电机的功率因数 也会下降 (由于感应漏磁增加)。所 以,极数较多的感应电机并不真正 适用低速直接驱动。
        这些问题说明低速应用为什么要增 加变速箱,以便这种电机在高速运 转时更加平稳。永磁体电机在低转 速大转矩方面的优越性能改变了这
        种情况,因此可以取消变速箱。
        降低损耗
        采用永磁体励磁的一个显著优点, 是不再需要通过换流器从电网向电 机提供励磁功率,因此节省了励磁 所需的电力。同样,由于避免了励 磁功率的对抗电流,又降低了换流 器损耗。与相同功率的感应电机传 动相比,永磁体电机可给逆变器提 供更多的负载容量。
        由于永磁体电机在低转速大转 矩方面拥有的优越性能,因而 可取消变速箱。
        逆变器的电压谐波成分在永磁体转 子和磁铁表面产生涡流电流,但可 通过适当的设计方法和结构大大降 低这些涡流电流。永磁体电机上的 多数损耗都由定子绕组和定子铁芯 产生。因此,与电励磁电机相比, 永磁体电机转子在负荷状态下的温 度要低得多。较低的轴承温度使润 滑油和轴承本身的寿命也更长。
        无编码器的直接转矩控制
        低转速大转矩直接驱动通常需要对 转矩和速度进行控制。同步电机, 如永磁体电机,只能采用 变频器进行控制。另外, 还必须开发专门的永磁磁 通控制方法控制永磁体电 机。ABB 的直接转矩控制 (DTC) 经过强化升级后适用 于永磁体电机变速驱动。 在低速直驱式应用中,对可 控性和动态特性的要求往往 较高。采用 ABB 的直接转矩 控制传动技术可满足这些要 求。即便没有速度编码器,永磁体电机也可获得所需的高性能 运转,并精确计算转子的角度位置 和转速。
        目前,ABB 的低压 ACS800 和中压 PCS6000 传动可以配备具有直接转矩 控制功能的永磁体电机。
        提高系统效率和可用率
        前面提到,与中间传动轴、变速箱、 电机这样的常规组合相比, 由于永磁体电机直驱式解决方案避免了 相关损耗,因此具有更高的系统总 体效率。当然,效率优势并不仅限 于此。
        永磁体电机的结构如同鼠笼式感应 电机一样简约而稳固。由于不需要 变速箱、配套附件、中间传动轴、 额外联轴节以及速度编码器等相关 部件,因而永磁体电机直接驱动的 旋转零件更少,维护也大为减少。 与其他现有技术相比,这种 技术的系统效率非常高。
        所有这些因素导致可用率增 加,更加节能,同时降低了 产品生命周期成本。
        永磁体的发展
        1960 年以来,永磁体得到 了快速发展 (见图 2 )。永磁 体在小功率电机传动方面得 到广泛应用,如硬盘驱动器 和消费类电子产品等。直到最近二十年,永磁体在电力机械上 的应用并不普遍,主要是因为磁性 材料价格和生产成本较高。

永磁体能量积的发展情况


        1987 年发明的钕铁硼 (NdFeB) 磁 体是目前市场上最新和功能最强的 磁性材料。如果磁化值强度极高, 钕铁硼磁体则具有很高的磁通密 度。它还具备极强的抗退磁性。另 外,钕铁硼磁性体比上世纪八十年 代广泛使用的另一种稀土材料钐钴 的成本和脆性更低。因此,钕铁硼 磁体一般用于 ABB 永磁电机。
        上世纪八十年代中期,中国开始生 产稀土金属。激烈的市场竞争促使 生产永磁体的稀土金属价格急剧下 降 (见图 3 )。钕铁硼 (NdFeB) 是 现在最重要的永磁材料。除了钕以 外,还需要镝 (Dy) 和铽 (Tb)。上世 纪八十年代以来,钕铁硼磁体的价 格 (见图 4 ) 一直大幅下降,之后触 底反弹。不过,上涨幅度仍在合理 范围内。

烧结钕铁硼磁体的生产发展

烧结钕铁硼磁体相对价格的发展
使用永磁电机的 ABB Compact Azipod


        永磁直接驱动的优越性除了可 用率较高外,还因为所需备件 较少,因而备件的库存费用也 相应减少。
        对于 2 至 4 MW 大型直驱式风力涡 轮永磁发电机来说,钕铁硼磁体的 成本占发电机总材料成本的 15 % 至 30 %。对于低速直接驱动解决方案 而言,钕铁硼磁体价格在二十一世 纪头十年的下降使永磁电机比以往 更具吸引力。
        流程工业使用的永磁电机
        高精度低转速传动广泛应用于流程 工业。在很多行业中,采用永磁直 驱式技术后就可以取消变速箱。例 如, 采用常规驱动方式的造纸机上有数十个压辊,每台定 速感应电机上配备的变频 器,都要有一个脉冲编码 器、传动轴和变速箱。采 用不需要这些额外零部件 的永磁直驱式解决方案对 于造纸业而言拥有特殊优 越性,因为造纸业反馈装 置的低可靠性是造成计划 外停产的原因之一。永磁 直接驱动具备较高的可用 率, 所需备件较少, 因 此可以降低库存费用, 这是该解决方案的另一 优点。
        用于推进器的永磁技术 ABB 的船用“Az ipod” 吊舱式电机推进系统已在 市场上销售了二十年。在 此期间,除了用于大型游 轮配套之外,“Azipod” 迅速在其他类型船只上 得到推广, 如电缆敷设 船、挖泥船、定期油轮、化学品和 其他产品专用船、后勤支援船、 摩托艇、钻探船和半潜式钻井平 台等。
        在“Azipod”技术里,电机安装 在灯泡式吊舱里,吊舱与船体相连 接,构成主推进系统。电机转速以 及推进力方向的控制与船舶有关。 这些电机的典型功率范围是 400 kW 至 20,000 kW。一艘船一般配备一到 三台推进装置,使用动态定位系统 的钻井平台采用的推进装置可多达 十台。Azipod 吊舱式推进系统使船 舶具有良好的机动性、较低的振动 和噪音、效率高、排放低以及乘客 舒适等优点。
        永磁电机技术已经用于“Compact Azipod”(见图 5 ) 的标准化模块中, 这种模块的设计推进功率在 400 至 5,000 kW 之间。永磁体和直接转矩 控制是提高“Compact Azipod”性 能,扩大其应用范围的主要因素。
        在永磁 Azipod 解决方案中, 电机模块可利用周围海水进行 冷却,可是如果转子损耗高, 这种做法就不可行。
        永磁电机转子内没有励磁损耗,因 此多数损耗都产生于定子绕组和定 子铁芯内,热量从这两个地方容易 散发。这使得永磁技术能够提供更高的功率密度。在永磁 Azipod 解决方案中,电机 模块可利用周围海水进行冷 却,可是如果转子损耗高, 这种做法就不行了。另外, 这种方法允许小直径的吊舱 壳体,从而提高了流体动力 效率,相当于进一步提高了 燃料效率。
        用于风力发电的永磁电机 过去二十年见证了风能的迅 猛发展 (见图 6 )。在这段时 间里,风能从试验性开拓发 展为成熟的全球性制造业。 今天,风电是最有前途的新 型可再生能源。

增长机遇
欧盟 2030 年前的风能投资情况


        风电装机容量在海上的发展 预计比陆地上快得多 (见图 7 )。原因有很多:在海上寻 找大型风电场所需的空间, 要比陆地上更加容易;海上 风电场不会破坏社区环境; 另外,海上的可用风源也比陆地上 大得多。
        为了从已有风力中获得最多能源, 容量因数应该非常高。风力涡轮机 或风电场的容量 (或负载) 因数是一 项指标,用于衡量已有装机容量每 年可生产的电力。这一容量因数并 非某个地区或某个场地“风力”的 一个直接参照系数。这是因为风力 涡轮机转子的大小、塔架高度和风 力涡轮机利用率等都对能源获取产 生重大影响。

四个风电场利用率


        如图 8 所示,海上风电场的利用率 超过 90 % 时,它们的容量因数经常 高于陆地风电场。
        利用率是电机可靠性的一个函数。 系统应具有很高的可靠性,但如果 不能迅速进行正确维护,风力涡轮 机利用率就会降低。
        利用率可定义为 MTBF (平均故障时 间) 和 MTTR (平均修理时间) 的函数, 利用率= MTBF / (MTBF+MTTR)。
        MTBF 是衡量可靠性的指标, 而 MTTR 是衡量修理时间的指标,它受 到修理工作所需的备件、人员和设 备的可获得性以及修理的方便性等 因素的影响。

相对于容量因数的每千瓦时的项目总成本对照图
相对于容量因数的每千瓦时的项目总成本对照图


        项目总成本和能源费用取决于容量 因数 (见图 9 )。大型风力涡轮机可 获取更多的风能,可使能源生产成 本更加低廉 (见图 10 )。
        离海岸更远的地方建造越来越大的 风力涡轮机成为一个明显的趋势。 但近来的研究表明,一台风力涡轮 机一年发生一次故障非常普遍,而 大型涡轮机的可靠性较低[1]。对海 上设施而言,低可靠性是个问题, 这种设施每年发生 0.5 次故障都不可 接受。
        永磁转子内没有励磁损耗,因 此多数损耗都产生于定子绕组 和定子铁芯里,热量从这两个 地方容易耗散。

配置 ABB 直驱式永磁发电机


        可靠性问题主要集中于传动机构系 统和电气部件。3 MW 以上的变速 箱的可靠性正在提高,但变速箱确 实会造成特别重大的停机事故和 成本增加。电气部件 (除发电机外) 造成的停机事故相对较少,但其修 理也会产生高额费用,特别是海上 设施。
        过去十年,在所有年度的装机容量 中,直驱式涡轮机占 13 % 至 15 %。 就本质而言,直接驱动并不总比间 接驱动更可靠,这令人感到惊奇。 由于这是一项新兴技术,某些方面 仍处于发展过程中。
        在更大的海上风力透平机可行之 前,其利用率还须进一步提高。提 高电气系统可靠性或许比提高电机 系统可靠性更容易一些。因此,可 以预计的是,与采用传统齿轮变速 和电气励磁的风力透平机相比,永 磁直驱式风力透平机的利用率将会 更高一些。

标签:永磁体,电机,风能

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