永磁电机(什么是永磁电机？)

永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高结构简单，是很好的节能电机，随着高性能永磁材料的问世和控制技术的迅速发展．永磁电机的应用将会变得更为广泛。

永磁电机的发展历史

永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关。中国是世界上最早发现永磁材料磁特性并应用于实践的国家。2000多年前，中国利用永磁材料的磁特性制作了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大作用，成为中国古代四大发明之一。

19世纪20年代，世界上第一台电机是永磁电机，通过永磁体产生励磁磁场。但当时使用的永磁材料是天然磁铁矿(Fe3O4)，磁能密度低，制成的电机体积庞大，很快被电励磁电机取代。

随着各种电机的快速发展和电流导磁体的发明，人们对永磁材料的机理、成分和制造工艺进行了深入研究，发现了碳钢、钨钢(最大磁能积约为2.7 kJ/m3)、钴钢(最大磁能积约为7.2 kJ/m3)等多种永磁材料。特别是20世纪30年代的Al-Ni-Co永磁体(最大磁能积可达85 kJ/m3)和20世纪50年代的铁氧体永磁体(最大磁能积可达40 kJ/m3)，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机相继被永磁体激励。永磁电机的功率小到几毫瓦，大到几十千瓦。广泛应用于军事、工农业生产和日常生活，产量大幅增长。与之相对应的是，这一时期，永磁电机的设计理论、计算方法、磁化和制造工艺等方面都取得了突破，形成了一套以永磁工作图图解法为代表的分析研究方法。但铝镍钴永磁体矫顽力低(36 ~ 160 kA/m)，铁氧体永磁体剩磁密度低(0.2~0.44 T)，限制了其在电机中的应用。直到20世纪六八十年代，稀土钴永磁体和钕铁硼永磁体(两者都被称为稀土永磁体)相继问世。它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合制造电机，从而使永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。

永磁电机的特点及应用

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，尤其是稀土永磁电机，结构简单，运行可靠。体积小，重量轻；低损耗、高效率；电机的形状和尺寸可以灵活多变。因此，它被广泛应用于航空空航天、国防、工农业生产和日常生活的几乎每个领域。以下是几种典型永磁电机的主要特点和主要应用。

1.稀土永磁发电机与传统发电机相比，永磁同步发电机不需要集电环和电刷装置，结构简单，故障率降低。使用稀土永磁体还可以增加气隙磁密，将电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。稀土永磁发电机几乎都用于当代航空空和航天发电机。其典型产品为美国通用电气公司生产的150千伏安14极12 000转/分~ 21 000转/分和1 00千伏安60 000转/分稀土钴永磁同步发电机。我国研制的第一台稀土永磁电机是3 kW 20 000 r/min永磁发电机。

永磁发电机也用作大型汽轮发电机的辅助励磁机。20世纪80年代，我国成功研制出当时世界上最大容量为40千伏安~160千伏安的稀土永磁辅助励磁机，加上200兆瓦~ 600兆瓦的汽轮发电机，电站运行的可靠性大大提高。

目前，独立供电的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步普及。

2.与感应电机相比，高效永磁同步电机不需要无功励磁电流，可显著提高功率因数(高达1，甚至容性)，降低定子电流和定子电阻损耗，稳定运行时无转子铜损，从而降低风机(小容量电机甚至可以去掉风机)及相应的风摩擦损耗，效率较同规格感应电机可提高2 ~ 8个百分点。而且永磁同步电机在25% ~ 120%额定负载范围内都能保持较高的效率和功率因数，使得轻载运行时节能效果更加显著。这类电机一般在转子上装有起动绕组，具有在一定频率和电压下直接起动的能力。目前主要应用于油田、纺织化纤行业、陶瓷玻璃行业、风机及年运行时间较长的泵类等领域。

我国自主研发的钕铁硼永磁同步电机，效率高，启动扭矩大，可以解决油田应用中的“大马拉大车”问题。起动转矩比感应电机高50% ~ 100%，可替代机架尺寸较大的感应电机，节电率约20%。

在纺织行业中，负载惯性矩大，对牵引扭矩要求高。永磁同步电机空负载泄漏系数、凸极比、转子电阻、永磁体尺寸和定子绕组匝数的合理设计，可以提高永磁电机的吸合性能，促进其在新型纺织化纤行业的应用。

大型发电厂、矿山、石油、化工等行业使用的几百千瓦、兆瓦的风机、泵用电机是能源消耗大户，但目前使用的电机效率和功率因数较低。使用钕铁硼永磁体后，不仅提高了效率和功率因数，还节约了能源，无刷结构提高了运行可靠性。目前，1台120kW永磁同步电机是世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机，效率高于96.5%(同规格电机效率为95%)，功率因数为0.94，可替代比其高1 ~ 2个功率等级的普通电机。3.交流伺服永磁电机和无刷DC永磁电机现在越来越多地使用由变频电源和交流电机组成的交流调速系统来代替DC电机调速系统。在交流电机中，永磁同步电机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定关系，这使得它直接适用于开环变频调速系统。这种电机通常是通过逐步提高变频器的频率来启动的。转子上没有启动绕组，省略了电刷和换向器，便于维护。

变频器永磁同步电机和转子位置闭环控制系统构成自同步永磁电机，既具有电励磁DC电机的优良调速性能，又实现无刷，主要用于航空空、航空航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外设等控制精度高、可靠性高的场合。

目前已开发出宽调速范围、高峰功率调速比的钕铁硼永磁同步电机及驱动系统。调速比高达1: 22 500，极限转速达到9 000 r/min。永磁电机因其效率高、振动小、噪声低、转矩密度高，是电动汽车、机床等驱动装置中最理想的电机。

随着人们生活水平的不断提高，对家用电器的要求也越来越高。比如家用空调制器不仅是耗电大户，也是噪声的主要来源。其发展趋势是采用无级调速的永磁无刷DC电机。根据室温的变化，能自动调节到合适的转速长时间运行，降低噪音和振动，让人感觉更舒适，比不调速的空调制器省电1/3。其他冰箱、洗衣机、吸尘器、风扇等。逐渐转向无刷DC电机。

4.永磁DC电机DC电机采用永磁励磁，既保留了电励磁DC电机良好的调速和机械特性，又具有结构和工艺简单、体积小、耗铜少、效率高等特点。因为省略了励磁绕组和励磁损耗。因此，永磁DC电机被广泛应用于从家用电器、便携式电子设备、电动工具到需要良好动态性能的精确速度和位置传输系统。50W以下的微型DC电机中，永磁电机占92%，10 W以下的永磁电机占99%以上。

目前，中国汽车工业发展迅速。汽车行业是永磁电机的最大用户，电机是汽车的关键零部件。在一辆超豪华汽车中，有70多台各种用途的电机，其中大部分是低压永磁DC微电机。采用钕铁硼永磁体和减速行星齿轮，汽车和摩托车的起动电机质量可降低一半。

永磁电机的分类

永磁体有很多种。按电机功能大致可分为永磁发电机和永磁电机两大类。

永磁电机可分为永磁DC电机和永磁交流电机。永磁交流电机是指具有永磁转子的多相同步电机，因此常被称为永磁同步电机(PMSM)。

永磁DC电机可以分为永磁无刷DC电机和永磁无刷DC电机(BLDCM)如果他们分类根据是否有一个电动机和换向器。

当今世界，现代电力电子理论和技术发展迅速。随着功率电子器件如MOSFET、IGBT、MCT等的出现，控制器件发生了根本性的变化。自1971年FBlascEke提出交流电机矢量控制原理以来，矢量控制技术的发展开创了交流伺服驱动控制的新时代，各种高性能微处理器的不断推出进一步加速了交流伺服系统取代DC伺服系统的发展。交流伺服系统取代DC伺服系统是必然的。然而，正弦波反电动势的永磁同步电机(PMSM)和梯形波反电动势的无刷DC电机(BLIX~)因其优异的性能将成为发展高性能交流伺服系统的主流。

永磁电机的注意事项

1.磁路结构及设计计算

为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁体的优异磁性能，制造出性价比高的永磁电机，需要建立新的设计理念，重新分析和改进磁路结构，而不是简单地套用传统永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法。随着计算机软硬件技术的快速发展，以及电磁场数值计算、优化设计、仿真技术等现代设计方法的不断完善，通过电机学术界和工程界的共同努力，永磁电机的设计理论、计算方法、结构技术和控制技术等方面取得了突破性进展，形成了一套电磁场数值计算与等效磁路解析解相结合的分析研究方法和计算机辅助分析设计软件，并在不断完善中。

2.控制问题

永磁电机制造完成后，可以在没有外部能量的情况下保持其磁场，但也使得从外部调节和控制其磁场变得极其困难。永磁发电机很难从外部调节其输出电压和功率因数，永磁DC电机也不能再通过改变励磁来调节其转速。这些限制了永磁电机的应用范围。然而，随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的快速发展，大多数永磁电机只能控制电枢，而不能进行磁场控制。设计时需要结合稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术，使永磁电机能够在全新的工作条件下运行。信息网络

3.不可逆退磁

如果设计或使用不当，永磁电机在温度过高(Nd-Fe-B永磁体)或过低(铁氧体永磁体)时，在冲击电流引起的电枢反应的作用下，或在剧烈的机械振动下，可能会产生不可逆的退磁或退磁，使电机性能下降，甚至无法使用。因此，有必要研究和开发适合电机制造商的方法和装置来检查永磁材料的热稳定性，并分析各种结构形式的抗退磁能力，从而采取相应的措施来确保永磁电机在设计和制造过程中不会失去磁性。

4.成本问题

铁氧体永磁电机，尤其是微型永磁DC电机，因其结构和工艺简单、重量轻、总成本低于电励磁电机而得到广泛应用。由于目前稀土永磁还比较贵，稀土永磁电机的成本普遍高于电励磁电机，需要通过其高性能和节省运行成本来补偿。在某些场合，如电脑磁盘驱动器的音圈电机，使用钕铁硼永磁体后，性能提高，体积和质量显著降低，总成本降低。设计时不仅要根据具体的应用场合和要求进行性能和价格的对比，还要创新结构和工艺，优化设计，降低成本。