永磁電機知識大全

一、永磁電機的發(fā)展歷史

        永磁電機的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應(yīng)用于實踐的國家，兩千多年前，我國利用永磁材料的磁特性制成了指南針，在航海、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，成為我國古代四大發(fā)明之一。

        19世紀20年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。

        隨著各種電機迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對永磁材料的機理、構(gòu)成和制造技術(shù)進行了深入研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼（最大磁能積約2.7 kJ/m3）、鈷鋼（最大磁能積約7.2 kJ/m3）等多種永磁材料。特別是20世紀30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85 kJ/m3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁（最大磁能積現(xiàn)可達40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機又紛紛使用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)量急劇增加。相應(yīng)地，這段時期在永磁電機的設(shè)計理論、計算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性進展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36～160 kA/m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它們在電機中的應(yīng)用范圍。一直到20世紀60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機，從而使永磁電機的發(fā)展進入一個新的歷史時期。

二、永磁電機的特點及應(yīng)用

      與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。因而應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。下面介紹幾種典型永磁電機的主要特點及其主要應(yīng)用場合。

        1、 稀土永磁發(fā)電機永磁同步發(fā)電機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比不需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)簡單，減少了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉(zhuǎn)速提高到最佳值，提高功率質(zhì)量比。當代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。其典型產(chǎn)品為美國通用電氣公司制造的150 kVA 14 極 12 000 r/min～21 000 r/min和100 kVA 60 000 r/min的稀土鈷永磁同步發(fā)電機。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機即為3 kW 20 000 r/min的永磁發(fā)電機。

        永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機，80年代我國研制成功當時世界容量最大的40 kVA～160 kVA稀土永磁副勵磁機，配備200 MW～600 MW汽輪發(fā)電機后大大提高電站運行的可靠性。

        目前，獨立電源用的內(nèi)燃機驅(qū)動小型發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風輪直接驅(qū)動的小型永磁風力發(fā)電機正在逐步推廣。

        2 、高效永磁同步電動機與感應(yīng)電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達到1，甚至容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進而可以減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應(yīng)的風摩損耗，效率比同規(guī)格感應(yīng)電動機可提高2～8個百分點。而且，永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電機一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。目前主要應(yīng)用在油田、紡織化纖工業(yè)、陶瓷玻璃工業(yè)和年運行時間長的風機水泵等領(lǐng)域。

        我國自主開發(fā)的高效高起動轉(zhuǎn)矩釹鐵硼永磁同步電動機在油田應(yīng)用中可以解決“大馬拉小車”問題，起動轉(zhuǎn)矩比感應(yīng)電動機大50%～100%，可以替代大一個機座號的感應(yīng)電動機，節(jié)電率在20%左右。

        紡織化纖行業(yè)中負載轉(zhuǎn)動慣量大，要求高牽入轉(zhuǎn)矩。合理設(shè)計永磁同步電動機的空載漏磁系數(shù)、凸極比、轉(zhuǎn)子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數(shù)可以提高永磁電機的牽入性能，促使它應(yīng)用于新型的紡織和化纖工業(yè)。

        大型電站、礦山、石油、化工等行業(yè)所用幾百千瓦和兆瓦級風機、泵類用電機是耗能大戶，而目前所用電機的效率和功率因數(shù)較低，改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)約能源，且為無刷結(jié)構(gòu)，提高了運行的可靠性。目前1 120kW永磁同步電動機是世界上功率最大的異步起動高效稀土永磁電機，效率高于96.5%（同規(guī)格電機效率為95%），功率因數(shù)0.94，可以替代比它大1～2個功率等級的普通電動機。 

        3、交流伺服永磁電動機和無刷直流永磁電動機現(xiàn)在越來越多地用變頻電源和交流電動機組成交流調(diào)速系統(tǒng)來替代直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。在交流電動機中，永磁同步電機的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定運行時與電源頻率保持恒定的關(guān)系，使得它可直接用于開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。這類電機通常由變頻器頻率的逐步升高來起動，在轉(zhuǎn)子上可以不設(shè)置起動繞組，而且省去了電刷和換向器，維護方便。

        變頻器供電的永磁同步電動機加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成自同步永磁電動機，既具有電勵磁直流電動機的優(yōu)異調(diào)速性能，又實現(xiàn)了無刷化，主要應(yīng)用于高控制精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設(shè)備等。

        現(xiàn)已研制成寬調(diào)速范圍、高恒功率調(diào)速比的釹鐵硼永磁同步電動機和驅(qū)動系統(tǒng)，調(diào)速比高達1：22 500，極限轉(zhuǎn)速達到9 000 r/min。永磁同步電動機高效、小振動、低噪聲、高轉(zhuǎn)矩密度的特點在電動車、機床等驅(qū)動裝置中是最理想的電動機。

        隨著人民生活水平的不斷提高，對家用電器的要求越來越高。例如家用空調(diào)器，既是耗電大件，又是噪聲的主要來源，其發(fā)展趨勢是使用能無級調(diào)速的永磁無刷直流電動機。它既能根據(jù)室溫的變化，自動調(diào)整到適宜的轉(zhuǎn)速下長時間運轉(zhuǎn)，減少噪聲和振動，使人的感覺更為舒適，還比不調(diào)速的空調(diào)器節(jié)電1/3。其他如電冰箱、洗衣機、除塵器、風扇等也在逐步改用無刷直流電動機。

        4、永磁直流電動機采用永磁勵磁后，既保留了電勵磁直流電動機良好的調(diào)速特性和機械特性，還因省去了勵磁繞組和勵磁損耗而具有結(jié)構(gòu)工藝簡單、體積小、用銅量少、效率高等特點。因而從家用電器、便攜式電子設(shè)備、電動工具到要求有良好動態(tài)性能的精密速度和位置傳動系統(tǒng)都大量應(yīng)用永磁直流電動機。500W以下的微型直流電動機中，永磁電機占92%，而10W以下的永磁電機占99%以上。

        目前，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車工業(yè)是永磁電機的最大用戶，電機是汽車的關(guān)鍵部件，一輛超豪華轎車中，各種不同用途的電機達70余臺，其中絕大部分是低壓永磁直流微電機。汽車、摩托車用起動機電動機，采用釹鐵硼永磁并采用減速行星齒輪后，可使起動機電動機的質(zhì)量減輕一半。

三、永磁電機的分類

        永磁電機種類繁多。根據(jù)電機功能大致可分為永磁發(fā)電機和永磁電動機兩大類 。

        永磁電動機又可分為永磁直流電動機和永磁交流電動機。而永磁交流電動機指的是帶有永磁轉(zhuǎn)子的多相同步電動機，所以常被稱為永磁 同步電動機 (PMSM)。

        永磁直流電動機如果按有無電刷和換向器來分．又可分為永磁有刷直流電動機和永磁無刷直流電動機 (BLDCM )。

        當今世界，現(xiàn)代電力電子學(xué)理論和技術(shù)正在大發(fā)展．電力電子器件，如 MOSFET、IGBT、MCT 等的不斷問世，控制裝置發(fā)生根本性變化。自 1971年 F·BlascEke提出交流電機矢量控制原理之后，矢量控制技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng) 了交流伺服傳動控制 的新紀元，麗各種高性能微處理器的不斷推 出，進一步加速了交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)的發(fā)展。交辯伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)已成必然趨勢。然而，具有正弦波反電勢的永磁同步電動機(PMSM)和具有梯形波反電勢的無刷直流電動機(BLIX)因其本身卓越的性能必將會成為發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的主流 。

GT系列交流永磁伺服電機

四、永磁電機的相關(guān)注意事項

1、磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計計算

        為了充分發(fā)揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優(yōu)異磁性能，制造出性價比高的永磁電機，就不能簡單套用傳統(tǒng)的永磁電機或電勵磁電機的結(jié)構(gòu)和設(shè)計計算方法，必須建立新的設(shè)計概念，重新分析和改進磁路結(jié)構(gòu)。隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及電磁場數(shù)值計算、優(yōu)化設(shè)計和仿真技術(shù)等現(xiàn)代化設(shè)計方法的不斷完善，經(jīng)過電機學(xué)術(shù)界和工程界的共同努力，現(xiàn)已在永磁電機的設(shè)計理論、計算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面取得了突破性進展，形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計算機輔助分析、設(shè)計軟件，并正在不斷完善中。

2、控制問題

        永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，永磁直流電動機不能再用改變勵磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。這些使永磁電機的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，大多數(shù)永磁電機在應(yīng)用中，可以不必進行磁場控制而只進行電樞控制。設(shè)計時需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁電機在嶄新的工況下運行。

3、不可逆退磁問題

        如果設(shè)計或使用不當，永磁電機在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力，以便在設(shè)計和制造時，采用相應(yīng)措施保證永磁電機不失磁。

4、成本問題

        鐵氧體永磁電機，特別是微型永磁直流電動機，由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節(jié)省來補償。在某些場合，例如計算機磁盤驅(qū)動器的音圈電動機，采用釹鐵硼永磁后性能提高，體積質(zhì)量顯著減小，總成本反而降低。在設(shè)計時既需根據(jù)具體使用場合和要求，進行性能、價格的比較后決定取舍，又要進行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計優(yōu)化以降低成本。