稀土永磁同步电机设计及在电梯中的应用

低噪音
低能耗
稀土永磁电机低速大转矩特点成功替代了复杂的机械减 速机构，增加了电梯运行的可靠性。
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢无齿轮曳引机驱动
直接作用于曳引轮或电机主轴的制动器可以轻松满足电 梯上行超速保护的需要。
很多用户使用了永磁同步电机的再生发电制动功能作为 曳引机主制动器的冗余，进一步提高了电梯的安全性。
扶梯的负载特点与直梯有一个最重要的差别：就是 扶梯轻载的时间占有很大的比例！然而，扶梯所配 置的 电机又要满足负载最重的时候使用。
扶梯曳引使用稀土永磁同步电机有如下好处： 1. 不需要使用变频器来改变扶梯慢车等待或停车等待
就能节约大量的电能消耗。因为稀土永磁同步电机 的工作电流和负载几乎是线性关系，轻载时电流按 比例减小，空载时几乎为“0”。 2. 不同于异步电机的是稀土永磁同步电机轻载时也具 有很高的效率，电机的发热量也非常的小。
1.磁钢 2.转子铁心 3.轴
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的结构特点和分类
稀土永磁电机的基本优点： 1.效率高、功率因数高。 2.体积小、重量轻、结构简单。 3.动态特性好、控制特向好。 4.过载能力强。 5.抗堵转能力强。
显然，稀土永磁电机会越来愈多地出现在我们的生活中，这是 一种进步。
稀土永磁同步电机
磁场能量在电能和机械能转换中并不消耗。 普通电机的磁场能是由线圈中通入电流产生的，也称电励磁；永
磁电机的磁场能是由永久磁体产生的。 1821年世界上第一台电机就是永磁电机，但当时所用永久磁体的
磁能积很低，制成的电机体积庞大而容量很小，不久被电励电机 所取代。
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的应用
提高电机转速 n
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢ 电梯用稀土永磁同步电机的设计思想
这三个要素对电机的性能和成本起决定性的作用：
1. 选择较高的电机转速可以降低成本，比如，2∶1 曳引方式比 1∶1 曳引方式 的电机转速高一倍，所以，体积小、重量轻、成本低，但在运行噪声、轮绳 寿命、高速适应性、安装简捷方面都不及1 ∶1曳引方式好。
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢ 无机房曳引机驱动
稀土永磁同步电机用于无机房电梯具有普通有机房曳引 机相类似的特点和表现。
无机房曳引机具有普通有机房曳引机更苛刻的外形要求。
无机房曳引机维护保养的不方便要求曳引机具有近乎完 美的可靠性，这点与无机房曳引机苛刻的体积和结构要 求存在着技术上的矛盾。
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁同步电机的结构特点分类
按定、转子相对位置分为外转子电机和内转子电机两类：
内转子电机
外转子电机
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁同步电机的结构特点和分类
按电机的励磁方式划分为径向励磁、切向励磁和轴向励磁三类：
1.磁钢 2.转子铁心 3.轴
径向励磁
1.磁钢 2.转子铁心 3.轴 4.非导磁轴套
制变成为了“直流电机”。电梯就使用这种控制。
,就是
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢ 无齿轮曳引机驱动
稀土永磁同步电机用于电梯，区别于普通电机用于电梯
的特点：
体积小
重量轻
转矩大
低速特性好
效率高
功率因数高
直流电机调速性能 可再生发电制动
稀土永磁同步电机驱动的电梯表现了：
高性能
高效率
高精度
高可靠性
2. 选择较高的定子线负荷可以降低成本，但会导致电机运行效率降低、温升升 高，为了既要减小电机的体积，又不影响电机的效率，必然需要更多的铜线。
永磁同步电机不需要励磁电流、加上功率因数的提高， 电机的效率提高约10％；去掉减速机构后又进一步节省 了约30％的机械损耗，二项综合节能35％以上。
变频器的功率也可以减少35％。 没有更换润滑油带来的环境污染，减少维护成本，电梯
绿色环保。 实现了无齿轮电梯从高端产品（高速）向低端用户（中
低速）转移。
要素说明：df
计算功率由设计功率、电势系数、效率、功率因数决定，相当于对设计
功率增加了一个余度系。在选定了磁场结构、绕组形式相关的系数也就随之
确定了，电机的体积只与定子线负荷、气隙磁密和电机转速三个要素有关。
• 要得到一个小体积的电梯电机设计结果，可以从提高这三个要素入手：
提高定子线负荷 A
提高气隙磁密 Bδ
稀土永磁同步电机用于扶梯扶梯，因为经济上的原 因最好不要使用无齿轮方式。
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢ 电梯用稀土永磁同步电机的设计思想
决定电机基本尺寸的几个要素：
D－ 定子内径 L－铁芯长度
P′－计算功率
αp－极弧系数
n－转速 A－定子线负荷 Bδ－气隙磁密
KNm－磁场波形系数
Kdp－绕组系数
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢ 扶梯曳引机驱动
3. 当扶梯下行且载有人时，稀土永磁同步电机可以自 动把势能转变为电能，并自动回馈到电网中。
4. 利用稀土永磁同步电机再生发电制动特点，可以不 再需要机械制动器，虽然再生发电制动不可能绝对 的停车，但，即使梯级上全部站满了人，电梯也只 是产生不对人构成任何伤害的缓慢滑移 。尽管现行 的电梯标准还不让取消机械制动器，但从安全角度 讲再生发电制动远比机械制动更可靠。
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的应用
军用领域： 飞机、火箭、导弹、舰艇、潜艇、：电源系统、推 进系统、火控系统、导航系统等。 电动鱼雷：推进系统 。 自动火炮：炮塔驱动机、送弹机等
民用领域： 电气火车、电动汽车：驱动牵引系统。 能源：风力发电机。 数控机床：主轴电机、伺服电机。 矿山、起重机械：电动钻机、井道提升机、电动机车等。
➢ 稀土永磁同步电机的原理及运行
永磁同步电机原理：
图1是一个2极永磁同步电机，当给定子绕组（A、B、C）通入三相交流电时，子绕组产生磁场 （一对N′、S′极），图2是和它完全等效的物理模型，由于三相交流电随时间周期性变化，定子磁 场（N′、S′）就会按A－B－C－A－B－C的方向旋转起来，旋转速度W只和三相电的周期变化速度有 关，比如，每秒变化50次（即50 Hz）,定子磁场（N′、S′）就旋转50圈。
图1
图2
1.定子绕组 3.转子铁心
2.定子铁芯 4.永久磁体
1.定子绕组等效磁极 2.定子铁芯
3.转子铁芯
4.永久磁体
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁同步电机的原理及运行
永磁同步电机运行：
同步电机工作时的等效电路（右图）。由图 可以得到电势平衡关系：
再由这个电势平衡关系就可以画出同步电机 工作时的相量图（右下图），我们可以看到三个 重要的角度：
电机的抗退磁能力较强。
切向励磁结构电机的磁钢是镶嵌在转子内
部，结构强度高，磁钢的防氧化能力强。
切向励磁结构主要用于大功率、高转矩、 高可靠性的场合。
1.磁钢 2.转子铁心 3.轴 4.非导磁轴套
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的结构特点和分类
轴向励磁：这种结构最大的特点就是扁平，轴向尺寸极小，适用于狭窄空间。
无机房曳引机几个要认真关注的问题： 制动系统是否长期稳定可靠？ 轴承怎么保证长期完好的润滑？ 稀土永磁体能否被长期可靠地固定住？（对外转子 电机而言）
由于无机房的电机的长径比太小（“盘”式），所以无 机房曳引机的 效率不及普通有机房曳引机是正常的。
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢ 扶梯曳引机驱动
稀土永磁同步电机设计及在电梯中的应用
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢ 关于再生发电制动 ➢ 关于同步变频驱动系统 ➢ 关于对变频器的基本要求
航天万源稀土电机公司的产品介绍
➢ 1∶1系列 ➢ 2∶1系列 ➢ 无机房系列
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的应用
电机是电能和机械能之间的转换设备，实现这种转换需要一个中 间媒介－－磁场能量。
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的结构特点和分类
径向励磁：可以制成内转子电机和外转子电机。这种结构的电 机的电抗 较小，有利于改善电机的动态性能和控制性能。 电机气隙中所能达到的磁感应强度不高（＜0.7 T），电机的 功率密度较 小，电机的抗退磁能力 有限，容易发生磁钢退磁现象。 径向励磁结构主要用在小功率场合，大 功率场合不多见。
有效功率是 P=U*I*Cosφ ,所以，在特定的场合使用这种控制方式可以节省变频 器的容量（比如牵引控制）。
2.ψ=0控制方式 这种方式电机的内电势和电机的电流是同相位的，ψ=0意味着
说绕组中的电流没有袪磁分量，全部是能够产生转矩的电流。 右下角是对应ψ=0方式的同步电机矢量图。可以看到两个
特点： 1）转子磁场永远滞后定子磁场。 2）转子磁场永远垂直定子磁场（90°）！ 值得注意的是，这种垂直关系使永磁同步电机通过ψ=0控
稀土永磁同步电机设计及在电 梯中的应用
杭州航天万源稀土电机应用技术有限公司
稀土永磁同步电机设计及在电梯中的应用
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的应用 ➢ 稀土永磁同步电机的结构特点和分类 ➢ 稀土永磁同步电机的原理及运行
稀土永磁同步电机在电梯驱动中的应用
➢ 无齿轮曳引机驱动 ➢ 无机房曳引机驱动 ➢ 扶梯曳引机驱动 ➢ 电梯用稀Βιβλιοθήκη Baidu永磁同步电机的设计思想 ➢ 关于稀土永磁体的稳定性
轴向励磁电机的电抗特性与径向励磁电机相似，气隙中磁感应强
不高（＜0.7 T），电机的功率密度高，电机的抗退磁能一 般。
轴向励磁电机的另一个特点是转子贯量小、
控制特性优秀 ，主要用于控制电机和侍服
电机。
轴向励磁电机的工艺结构复杂、强度低，
转子轴向力不容易被平衡、机壳刚度要 求较高，很难制成大功率电机。
1.磁钢 2.转子铁心 3.轴
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的结构特点和分类
切向励磁：可以制成内转子电机和外转子电机。这种结构电机交轴电抗
较直轴电抗大一些，但因气隙中可获得很高的磁感应强度
（＞1.0 T），电机的动态性能、控制性能仍然能做的非常漂亮。
切向励磁结构电机的功率密度高是明显
的优点。由于可以设置磁短路桥，因此，
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的应用
上世纪80年代，发明了钕铁硼稀土永磁体，它比钐钴稀土永磁体 具有更好的磁学性能。由于钕铁硼材料价格低廉、易得，在民用 方面大面积应用稀土永磁电机已成为可能。
上世纪90年代前，钕铁硼稀土永磁体的工作温度不高，只有80－ 100℃左右，制成的电机不能适用于高温环境。各个国家的工程 技术人员为了提高钕铁硼稀土永磁体的工作温度展开了科技竞赛， 工作温度从80℃提升到160℃大概花费了整整十年的时间。
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的应用
稀土永磁体的工业化生产水平：
钐 钴 稀土永磁：磁能积24－27MGOe，工作温度：180－200℃ 钕铁硼稀土永磁：磁能积38－42MGOe，工作温度：140－160℃
我国稀土资源丰富，全世界已探明的蕴藏量的80%以上都在我国。 我国年生产稀土永磁体大约4000吨，占全球总产量70％多。
上世纪60年代，发现了钐钴稀土永磁体具有高剩磁、高矫顽力和 高磁能积，这个发现使永磁电机真正进入到了大功率应用领域。 单台功率7000千瓦的永磁电机用于核潜艇驱动上。
钐钴稀土永磁体含有重要的战略物资－－金属钴，所以钐钴稀土 永磁体价格昂贵，只用于航空、航天、航海、武器装备等军事领 域。1978年法国CEM公司研制成了18.5kW高效节能钐钴稀土永磁电 机，未能得到推广。
切向励磁
1.磁钢 2.转子铁心 3.轴
轴向励磁
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁电机的结构特点和分类
内转子电机：受力合理、坚固稳定、结构简单、长径比大、容易散热是其明 显优点。内转子电机是应用最广泛、最常见的电机结构。
外转子电机：如果采用两端轴伸固定方式，具有受力合理、坚固稳定、结构 简单、长径比大的明显优点。这种固定方式的外转子电机主要 应用于电动导辊等特种场合。 如果采用单轴伸固定方式，因悬臂而受力不合理、结构复杂、 长径比小。因此在大功率场合很少有应用，但在无机房电梯中， 恰恰因为长径比小，得了广泛应用。 所有的外转子电机不易散热是明显缺点。
φ－电压、电流之间的相位角（功率因数角） ψ－电势、电流之间的相位角（内功率因数角） δ－电压、电势之间的相位角（功角）
对永磁同步电机的运行控制实质上就是对 这三个角度的控制。
稀土永磁同步电机
➢ 稀土永磁同步电机的原理及运行
永磁同步电机常用的两种运行控制方式：
1.Cosφ=1控制方式 这种方式电机的电压和电机的电流是同相位的，即φ＝0。由于加到电机上的