永磁调速技术应用探讨

董立城

[摘    要]永磁式调速是目前广泛应用于各种风机、水泵进行负载调速的新型技术。其既具有可靠、节省能源、又无刚度联接传输扭矩、极大地减小系统的振动、延长设备的使用寿命等特殊功能。文章主要介绍了永磁调速的工作原理，阐述了永磁调速工作在实际应用中存在的关键问题，分析了永磁调速和变频调速两种电力系统的技术特征，据此提出了大功率电力永磁调速技术在工业上的应用建议。

[关键词]变频器;永磁调速;探讨

[中图分类号]TM621.3 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–0–02

[Abstract]Permanent magnet speed regulation is a new technology that is widely used in various fans and pumps for load speed regulation. They have special functions such as reliability， energy saving， torque transmission without rigid connection， greatly reducing system vibration， and shortening the service life of equipment. Mainly introduces the working principle of permanent magnet speed control， and expounds the key problems existing in the practical application of permanent magnet speed control. The technical characteristics of the two power systems， permanent magnet speed regulation and variable frequency speed regulation， are analyzed， and the application suggestions of high-power electric permanent magnet speed regulation technology in industry are put forward accordingly.

[Keywords]frequency converter; permanent magnet speed regulation; discussion

1 永磁调速原理及组成

1.1 永磁调速原理

根据楞次定律，当一个极性磁铁将电棒N极垂直地移动接近指向导体板时，在这个指向导体板上就通常会自动产生1个指向N极的导电磁场，它用来自动抵御磁棒指向N极的强烈接近，该具有阻挡性的磁场抵抗二极磁场通常是由指向逆时针旋转方向的一个旋转励磁电流驱动产生。同理，如图1（b）所示，当一个电性磁铁杆在棒N极沿着平行于方向导体的模板上方方向移动时，在这个方向导体板上就可能会同时产生2个方向抵抗磁性钢铁棒通过N极上与前进方向不同的S极方向磁场相反的2个方向磁场，在一个抵抗磁铁棒通过N极的前方就会产生一个N极方向磁场、后方则可能会同时产生一个S极方向磁场，以利于抵抗一个新的磁铁棒沿着N极方向前进。并且在每当一块磁场和铁棒越近的靠近一个导体板，其正向阻力和相对应的能量所承受的磁场和铁棒的反向运动力就越大。如图1所示。

永磁技术即是由楞次定律引申而来，如图2所示。

（1）当磁力线穿透到铜导体上时，在静止情况下就不会产生任何电动效应。

（2）磁力铁棒与铜导体板之间曲线具有相对的横向运动时，磁力曲线沿着在导体板其中的转轴方向进行移动将可以产生相对一定量的纵向感应性旋涡电流，进而可以使得磁铁铜导体上的纵向磁场运动产生一定的横向感应扭距。

（3）当二者相邻点越接近时，磁力线的密度就越为紧凑，扭距也就越大。

（4）当二者的相对运动速度越快时，二者的感应电子发射的同极性磁场就越强，所以产生的扭距也就越大。

1.2 永磁调速器的基本组件结构

永磁电机调速器主要由永磁电机转子、铜主发电动機专用转子和永磁控制器三大部分部件共同组成，其中永磁电机转子一般都是固定在主发电动机的永磁负载驱动转轴上，导体式铜电动机永磁转子一般都是固定安装在可以驱动主发电机的永磁负载驱动转轴上。永磁合金转子和其他导体的传动转子都一样能够直接实现一种可自由独立的相对旋转，当一个传动导体的永磁转子能够发生相对旋转时，导体的传动转子与永磁合金传动导体转子之间也就会直接产生相对运动，交变后的磁场经过一个空气隙缝之后会在这个导体的永磁转子上直接产生交变涡流，同时产生交互相变涡场的流会运动使能够产生交变感应力的磁场与产生永磁场相互作用，从而可以使得永磁合金传动导体转子沿着与普通的纯铜合金传动永磁转子相同的旋转方向进行相对旋转，结果就是在纯铜传动永磁负载侧的永磁输出扭矩轴上突然产生了反向扭矩，从而由其带动的永磁负载则能够进行反向旋转式相对运动。

当传感器在检测一个负载装置的出口压力、流量或其他控制信号发生了变化之后，输入数据送到PLC现场控制器或DCS系统，经过计算和处理后，输出调整信号至自动调速器上的气隙调整机构，执行器通过控制永磁藕合器的空气和转隙从而调整负载的转速，改变了负载的出口和流量，传感器在检测时得到了反馈信号后再次在PLC或DCS中输入一个控制信号，进行相应的计算，输出一个控制信号，直到负载输出口的真正测量信号能够达到所需的控制值。

2 变频调速与永磁调速比较

2.1 对振动噪声的影响

（1）变频调速。需要对电动机、水泵进行精密的轴校准，减小电机与负载间的振动传递。电机、水泵两个轴承的中心速度轴向传动误差至少应该不得大于几个微米，角度轴向误差也至少应该不得大于几秒，否则电机调速传动系统在内部安装好后，会由于两个轴不相同的中心，而且有可能直接引起剧烈的机械振动和声音噪声，并且还会有可能直接造成电机轴承、油封等重要零部件的较大加速度和磨损，增加后期维护保养和日常维护的必要费用。

（2）永磁式调速。磁力耦合器已经替代了一种常规刚性的联轴器，使得电机与驱动负载之间无机械连接，两侧振荡不会发生相互传导。工程证明，采用永磁调速装置后，可降低振动80%左右。

2.2 对电力谐波和功率因数的影响

（1）谐波的主要危害。谐波可直接引起较大电流信号波形发生畸变、引发继电保护和自动化装置的误动、增大功率的损耗、影响通信控制系统正常工作运行、损坏各种重要用电设备和危害人体健康。

（2）变频调速。目前工程应用技术最多的多电平变频器输出谐波较小，这些没有被吸收掉的谐波会造成附近设备受干扰、电气设备的误动，同时因轴电压升高，增大了机械设备故障的可能性。

（3）永磁调速。电动机与负载间通过气隙传递能量，无刚性连接，因此在现场运行中不会产生谐波。

2.3 输出电压要求

（1）变频调速。变频调速装置的输出电压是直接加在电机负载上的，因此对输出电压不平衡度、输出电压变化率等均有相关限制条件，对变频调速的设计以及产品质量等诸多方面提出了更多要求，从而降低了变频调速设备的可靠性。

（2）永磁调速。永磁调速驱动装置技术是一种以采用高性能、低成本设计为技术基础的纯机械设备，它主要是一种采用输出负载滑差式永磁电机调速装置技术，透过电机空气隙控制来自动传递电机旋转转矩，不过还需要考虑存在永磁电机调速时该装置所需要产生的相对输出负载电压和输入负载的滑差影响。

2.4 对电机启动要求

（1）变频调速。变频器是在整个电机的启动时间中处于较高的转速，此时过程中负载始终被加载，电动机易发热，缩短使用寿命。

（2）永磁调速。在电动机启动时，将气隙的调节幅度控制到最小，实现了空载的启动，降低了启动的电流与运行时间，当电动机能够达到额定转速时，通过气隙的调整来让负载平滑地启动。

2.5 对环境要求

（1）变频调速。目前国内变频调速应用较多的属电压源型，此类变频器内部应用较多的电力电子装置，对环境的要求非常严格。一般要求如下：①环境温度：-10 ～40 ℃;②环境湿度：20%～90%，不结露;③海拔：1000 m以下;④使用场所：室内、无尘埃、无爆炸性或腐蚀性气体、不受日光直晒。

在实际工程中，需将高压变频调速装置安装于密闭的独立房间内，根据变频装置的发热量考虑加装空调来保证其可靠运行的环境，对于周围灰尘多环境恶劣的情况，变频装置房间内还需考虑正压因素，以减小灰尘对装置内部电气元器件的损坏。

（2）永磁调速。一般可以在-40 ～100 ℃的温度及0～100%相对湿度的环境中工作，能适应高温、低温、高粉尘、湿度大、空间狭小等恶劣环境。

2.6 使用寿命

（1）变频调速。高压变频调速装置由IGBT及复杂的控制单元组成，电子元件数量多，可靠性相对較低，平均无故障的工作时间一般为8a。电厂维护人员在设备发生故障时的快速诊断较为困难。

（2）永磁调速。产品结构简单、组装容易、性能可靠，并且能够同时承受各种恶劣环境，平均无故障的工作寿命可以长达25～30 a。因结构简单，在故障查找时相对容易。

2.7 投资

永磁调速目前初投资大约是变频调速的1.5～2倍，如果按电厂的全生命周期30 a进行技术经济比较，由于永磁调速的生命周期基本与电厂生命周期相同，而变频调速的生命周期最多为10 a，因此，采用永磁调速经济上是合适的。

3 结束语

永磁调速技术是一种适合大功率高压电机的技术，从其理论、技术、效益等各个方面考虑实际上都是可行的，设备安全可靠性高，使用寿命长，对环境要求低，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 永磁调速器—通用技术规范：GB/T38774—2020[S].

[2] 永磁联轴器通用技术规范：GB/T38763—2020[S].