細(xì)說永磁電機(jī)
什么是永磁電機(jī)？
永磁電機(jī)采用永磁體生成電機(jī)的磁場(chǎng)，無需勵(lì)磁線圈也無需勵(lì)磁電流，效率高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是很好的節(jié)能電機(jī)，隨著高性能永磁材料的問世和控制技術(shù)的迅速發(fā)展．永磁電機(jī)的應(yīng)用將會(huì)變得更為廣泛。
01永磁電機(jī)的發(fā)展歷史
永磁電機(jī)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(shí)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(jì)20年代出現(xiàn)的世界上第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。但當(dāng)時(shí)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(jī)體積龐大，不久被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。
隨著各種電機(jī)迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對(duì)永磁材料的機(jī)理、構(gòu)成和制造技術(shù)進(jìn)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(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達(dá)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(dá)40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機(jī)又紛紛使用永磁體勵(lì)磁。永磁電機(jī)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(shí)期在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性進(jìn)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?cè)陔姍C(jī)中的應(yīng)用范圍。一直到20世紀(jì)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(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的歷史時(shí)期。
02永磁電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用
與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。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(gè)領(lǐng)域。下面介紹幾種典型永磁電機(jī)的主要特點(diǎn)及其主要應(yīng)用場(chǎng)合。
1、 稀土永磁發(fā)電機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，提高功率質(zhì)量比。當(dāng)代航空、航天用發(fā)電機(jī)幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機(jī)。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(jī)。國內(nèi)研發(fā)的第一臺(tái)稀土永磁電機(jī)即為3 kW 20 000 r/min的永磁發(fā)電機(jī)。
永磁發(fā)電機(jī)也用作大型汽輪發(fā)電機(jī)的副勵(lì)磁機(jī)，80年代我國研制成功當(dāng)時(shí)世界容量最大的40 kVA～160 kVA稀土永磁副勵(lì)磁機(jī)，配備200 MW～600 MW汽輪發(fā)電機(jī)后大大提高電站運(yùn)行的可靠性。
目前，獨(dú)立電源用的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)小型發(fā)電機(jī)、車用永磁發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)的小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在逐步推廣。
2 、高效永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)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(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可以減小風(fēng)扇（小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇）和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，效率比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可提高2～8個(gè)百分點(diǎn)。而且，永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。這類電機(jī)一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動(dòng)繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)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(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的風(fēng)機(jī)水泵等領(lǐng)域。
我國自主開發(fā)的高效高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)在油田應(yīng)用中可以解決“大馬拉小車”問題，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)大50%～100%，可以替代大一個(gè)機(jī)座號(hào)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，節(jié)電率在20%左右。
紡織化纖行業(yè)中負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，要求高牽入轉(zhuǎn)矩。合理設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jí)風(fēng)機(jī)、泵類用電機(jī)是耗能大戶，而目前所用電機(jī)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(yùn)行的可靠性。目前1 120kW永磁同步電動(dòng)機(jī)是世界上功率最大的異步起動(dòng)高效稀土永磁電機(jī)，效率高于96.5%（同規(guī)格電機(jī)效率為95%），功率因數(shù)0.94，可以替代比它大1～2個(gè)功率等級(jí)的普通電動(dòng)機(jī)。
3 、交流伺服永磁電動(dòng)機(jī)和無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在越來越多地用變頻電源和交流電動(dòng)機(jī)組成交流調(diào)速系統(tǒng)來替代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在交流電動(dòng)機(jī)中，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(jī)通常由變頻器頻率的逐步升高來起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子上可以不設(shè)置起動(dòng)繞組，而且省去了電刷和換向器，維護(hù)方便。
變頻器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，既具有電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異調(diào)速性能，又實(shí)現(xiàn)了無刷化，主要應(yīng)用于高控制精度和高可靠性的場(chǎng)合，如航空、航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)速比高達(dá)1：22 500，極限轉(zhuǎn)速達(dá)到9 000 r/min。永磁同步電動(dòng)機(jī)高效、小振動(dòng)、低噪聲、高轉(zhuǎn)矩密度的特點(diǎn)在電動(dòng)車、機(jī)床等驅(qū)動(dòng)裝置中是最理想的電動(dòng)機(jī)。
隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)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(shì)是使用能無級(jí)調(diào)速的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。它既能根據(jù)室溫的變化，自動(dòng)調(diào)整到適宜的轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，減少噪聲和振動(dòng)，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(jī)、除塵器、風(fēng)扇等也在逐步改用無刷直流電動(dòng)機(jī)。
4 、永磁直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)采用永磁勵(lì)磁后，既保留了電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速特性和機(jī)械特性，還因省去了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁損耗而具有結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、體積小、用銅量少、效率高等特點(diǎn)。因而從家用電器、便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)工具到要求有良好動(dòng)態(tài)性能的精密速度和位置傳動(dòng)系統(tǒng)都大量應(yīng)用永磁直流電動(dòng)機(jī)。500 W以下的微型直流電動(dòng)機(jī)中，永磁電機(jī)占92%，而10 W以下的永磁電機(jī)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(jī)的最大用戶，電機(jī)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(jī)達(dá)70余臺(tái)，其中絕大部分是低壓永磁直流微電機(jī)。汽車、摩托車用起動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，采用釹鐵硼永磁并采用減速行星齒輪后，可使起動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量減輕一半。
永磁電機(jī)的分類
永磁電機(jī)種類繁多。根據(jù)電機(jī)功能大致可分為永磁發(fā) 電機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)兩大類 。
永磁 電動(dòng)機(jī)又可分為永磁直流電動(dòng)機(jī)和永磁交流電動(dòng)機(jī)。而永磁交流電動(dòng)機(jī)指的是帶有永磁轉(zhuǎn)子的多相同步電動(dòng)機(jī)，所以常被稱為永磁 同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)。
永磁直流電動(dòng)機(jī)如果按有無 電劇和 換向器來分．又可分為永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁無刷 直流 電動(dòng)機(jī) (BLDCM )。
當(dāng)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(jī)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(dòng)控制 的新紀(jì)元，麗各種高性能微處理器的不斷推 出，進(jìn)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I伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)已成必然趨勢(shì)。然而，具有正弦波反電勢(shì)的永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)和具有梯形波反電勢(shì)的無刷直流電動(dòng)機(jī) (BLIX~)因其本身卓越 的性能必將會(huì)成為發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的主流 。
03永磁電機(jī)的相關(guān)注意事項(xiàng)
1 、磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)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(jià)比高的永磁電機(jī)，就不能簡(jiǎn)單套用傳統(tǒng)的永磁電機(jī)或電勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，必須建立新的設(shè)計(jì)概念，重新分析和改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法的不斷完善，經(jīng)過電機(jī)學(xué)術(shù)界和工程界的共同努力，現(xiàn)已在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)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(jìn)展，形成了以電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)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(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)軟件，并正在不斷完善中。
2、 控制問題
永磁電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場(chǎng)，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場(chǎng)極為困難。永磁發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)不能再用改變勵(lì)磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。這些使永磁電機(jī)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(jī)在應(yīng)用中，可以不必進(jìn)行磁場(chǎng)控制而只進(jìn)行電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。
3、 不可逆退磁問題
如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械震動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適于電機(jī)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(jì)和制造時(shí)，采用相應(yīng)措施保證永磁電機(jī)不失磁。
4 、成本問題
鐵氧體永磁電機(jī)，特別是微型永磁直流電動(dòng)機(jī)，由于結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價(jià)格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)高，這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來補(bǔ)償。在某些場(chǎng)合，例如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器的音圈電動(dòng)機(jī)，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(jì)時(shí)既需根據(jù)具體使用場(chǎng)合和要求，進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后決定取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低成本。
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