永磁電機------Permanent magnet motor
電機是以磁場為媒介進行電能與機械能相互轉換的電力機械，而永磁電機采用永磁體產生電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流。
permanent magnet motor———即用永磁體建立磁場的一種電機。
永磁電機的發(fā)展跟永磁材料的發(fā)展密切相關，下面我們先來了解一下永磁體。
什么是永磁體
永磁體也叫硬磁體，能夠長期保持其磁性的磁體稱永久磁體。如天然的磁石（磁鐵礦）和人造磁體（鋁鎳鈷合金）等。磁體中除永久磁體外，也有需通電才有磁性的電磁體。永磁體不易失磁，也不易被磁化。
鋼或其他材料能成為永磁體，就是因為它們經過恰當地處理、加工后，內部存在的不均勻性處于最佳狀態(tài)，矯頑力最大。鐵的晶體結構、內應力等不均勻性很小，矯頑力自然很小，使它磁化或去磁都不需要很強的磁場，因此，它就不能變成永磁體。
通常把磁化和去磁都很容易的材料，稱為“軟”磁性材料?！败洝贝判圆牧喜荒茏饔来朋w，鐵就屬于這種材料。
永磁材料及其分類
permanent magnetic material——永磁材料，具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁，一經磁化即能保持恒定磁性的材料，又稱硬磁材料。
從永磁材料的發(fā)展歷史來看，十九世紀末使用的碳鋼，磁能積（BH）max(衡量永磁體儲存磁能密度的物理量)不足1MGOe(兆高奧)，而國外批量生產的Nd-Fe-B永磁材料，磁能積已達50MGOe以上。
這一個世紀以來，材料的剩磁Br提高甚小，能積的提高要歸功于矯頑力Hc的提高。而矯頑力的提高，主要得益于對其本質的認識和高磁晶各向異性化合物的發(fā)現，以及制備技術的進步。
常用的永磁材料分為合金永磁材料和鐵氧體永磁材料。中國近年發(fā)展不錯的稀土永磁體就屬于合金永磁材料制造。這些材料按生產工藝不同分為：燒結鐵氧體、粘結鐵氧體、注塑鐵氧體，這三種工藝依據磁晶的取向不同又各分為等方性和異方性磁體。
鋁鎳鈷材料在 20 世紀 80 年代以前使用較多。它具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性和適用超高溫使用環(huán)境條件等優(yōu)點,在一些特殊用途如使用溫度要求高、磁穩(wěn)定性非常好的軍用或儀器儀表等特殊使用環(huán)境的電機中才采用。
鐵氧體材料屬非金屬永磁材料，價格低廉。它主要用于對使用性能及體積要求不高及量大面廣的經濟系列微電機產品中。如玩具電機、日用電器電機、音像電機、辦公設備及通用儀表電機、汽車摩托車電機以及工業(yè)用的小功率驅動電機等。
粘結永磁材料是由粘結劑與永磁材料混合后壓縮、注射或擠壓成型等方法制成的一種復合型永磁材料, 包括粘結鐵氧體、粘結鋁鎳鈷、粘結釤鈷及粘結釹鐵硼。其中粘結釹鐵硼是目前最好的粘結永磁材料。
它與燒結永磁材料相比有機械加工性能好, 成型容易, 可制成各種復雜的形狀, 磁性能均勻一致性好以及容易進行多極充磁等優(yōu)點。
但粘結永磁材料的磁性能低于同類型的燒結磁體，磁能積約為相同材料的燒結磁體的 40%~70%。
在粘結永磁材料中，粘結釹鐵硼的前景最好，粘結釹鐵硼如果解決了工藝問題及提高質量后, 將成為應用前景最廣的永磁材料。它目前主要用于小型無刷直流電機及步進電機等精密微電機中。
衡量永磁材料的好壞，主要根據它的剩磁磁密Br、矯頑力Hc、最大磁能積（BH）max以及機械加工性能和穩(wěn)定性等。其之間的換算關系如下：
↑永磁材料磁能積的進展
↑1，2——退磁曲線 3，4——磁能積曲線
↑Hci大、內稟曲線矩形度高，穩(wěn)定性高
永磁電機的分類及工作原理
永磁電機種類繁多，根據電機功能大致可以分為永磁發(fā)電機和永磁電動機兩大類。
永磁發(fā)電機有軸承及端蓋將發(fā)電機的定子，轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，做切割磁力線的運動，從而產生感應電動勢，通過接線端子引出，接在回路中，變產生了電流。永磁發(fā)電機只是將同步發(fā)電機的勵磁繞組磁極換位永磁體罷了。
永磁電動機又可以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子的多相同步電機，所以常被稱作永磁同步電機；永磁直流電動機如果按照有無電刷、換向器來分，有可分為永磁有刷直流電機和永磁無刷直流電機。
永磁同步電機結構示意圖
永磁直流電機結構示意圖
永磁同步電機的工作原理與電勵磁同步電機相同，差別就是永磁體代替勵磁繞組進行勵磁。
永磁同步電機結構示意
永磁同步電機轉子上安裝有永磁體磁極：
凸裝式永磁轉子
嵌入式永磁轉子
（為了防止永磁體的磁通通過轉軸短路，在轉軸和轉子鐵芯間加裝隔磁材料）
永磁電機的電氣原理如下：
三相星形橋式主電路原理圖
永磁電機運行狀態(tài)示意如下：
定子和轉子正視圖
磁場和轉子旋轉圖
磁場和轉子旋轉圖
磁場和轉子旋轉圖
永磁電機的發(fā)展
世界上第一臺電機就是由永磁體產生勵磁磁場的永磁電機，上文我們說過永磁電機發(fā)展其實就是伴隨著永磁材料的發(fā)展。
十九世紀末使用的碳鋼，這一個世紀以來，材料的剩磁Br提高甚小，能積的提高要歸功于矯頑力Hc的提高。而矯頑力的提高，主要得益于對其本質的認識和高磁晶各向異性化合物的發(fā)現，以及制備技術的進步。
二十世紀初，人們主要使用碳鋼、鎢鋼、鉻鋼和鈷鋼作永磁材料。
二十世紀三十年代末，AlNiCo永磁材料開發(fā)成功，才使永磁材料的大規(guī)模應用成為可能。
五十年代，鋇鐵氧體的出現，既降低了永磁體成本，又將永磁材料的應用范圍拓寬到高頻領域。
到六十年代，稀土鈷永磁的出現，則為永磁體的應用開辟了一個新時代。
1967年，美國Dayton大學的Strnat等，用粉末粘結法成功地制成SmCo5永磁體，標志著稀土永磁時代的到來。迄今為止，稀土永磁已經歷第一代SmCo5，第二代沉淀硬化型Sm2Co17，發(fā)展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。
當前稀土類永磁材料的產值已大大超過鐵氧體永磁材料，稀土永磁材料的生產已發(fā)展成一大產業(yè)。
永磁電機的特點
永磁電機中最大功率已達到 1000kW，最小直徑φ0.8mm，最高轉速 300000r/min，最低轉速 0.01r/min。隨著稀土永磁材料的發(fā)展，稀土永磁電機與電勵磁電機相比，具有以下特點：
結構簡單，可靠性高：
采用稀土永磁體可以明顯減輕電機重量，縮小體積。例如10 kW發(fā)電機，常規(guī)發(fā)電機重量為value='220'unitname='kg'>220kg，而永磁發(fā)電機重量僅為value='92' unitname='kg'>92 kg，相當于常規(guī)發(fā)電機重量的45.8％。省去了勵磁用的集電環(huán)和電刷，不但改善了電機的工藝性，而且電機運行的機械可靠性大為增強，壽命增加。
性能優(yōu)異：
永磁電機與傳統(tǒng)的電機相比，結構簡單。采用稀土永磁鐵后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速調整到最佳值，提高功率質量比?，F代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。
優(yōu)異的控制性能：
由于稀土永磁材料的高性能而使電機的力矩常數、轉矩慣量比、功率密度等大大提高。通過合理設計又能使轉動慣量、電氣及機械時間常數等指標大大降低，作為伺服控制性能的主要指標有了很大改善。
現代永磁電機中，永磁磁路的設計已較完善，加上稀土永磁材料的矯頑力高，因而永磁電機的抗電樞反應及其它去磁的能力大大加強，電機的控制參量隨外部擾動影響大大減小。
由于用永磁材料取代了電勵磁，減少了勵磁繞組及勵磁磁場的設計，因而減少了勵磁磁通、勵磁繞組電感、勵磁電流等諸多參數，從而直接減少了可控變量或參量。
高效節(jié)能：
稀土永磁電機是一種高效節(jié)能產品，平均節(jié)電率高達10％以上，專用稀土永磁電機的節(jié)電率可高達15％ ～20％。美國GM公司研制的釹鐵硼永磁起動電機與老式串激直流起動電機相比，效率提高了45％。在水泵、風機、壓縮機采用永磁電機及變頻調速技術后可節(jié)電率30％以上。
稀土永磁電動機的基本結構是轉子為永磁結構，產生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱繞組，如下圖所示。稀土無鐵心無刷電機的出現是采用新材料、新工藝的結果。
電樞采用耐熱性能優(yōu)越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩(wěn)定運行；由于電樞無鐵心，電感小，完全消除了鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，消除了由齒槽效應帶來的轉矩波動，具有優(yōu)異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結構，負載動行時，噪聲及振動都很低。
安托山特種機電有限公司是專業(yè)生產高效節(jié)能稀土永磁無鐵芯電機產品系列的高科技企業(yè)。目前，已投入3億元建成3條無鐵芯電機自動化生產線，4條自主創(chuàng)新的新型變頻電機調速控制系統(tǒng)和高速貼片電子生產線。并規(guī)劃在3~5年內建成40條自動生產線，實現日產40萬臺不同功率電機的生產規(guī)模。
稀土永磁無鐵芯電機是一個重大創(chuàng)新，技術上實現了“三大”突破，一是與傳統(tǒng)徑向磁場結構設計相比，采用了軸向磁場結構設計，大幅度提高功率密度和轉矩體積比。二是采用新型繞制工藝、高壓精密壓鑄成型及高分子材料，有效降低繞組銅損。三是不使用硅鋼片作為定、轉子鐵芯材料，消除了磁阻尼及鐵損，降低了驅動功率，減少了鐵損發(fā)熱源。
永磁電機的未來展望
電機系統(tǒng)用電量約占全國用電量的60%，其中風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。電機系統(tǒng)量大面廣，節(jié)電潛力巨大。
據行業(yè)協會統(tǒng)計，全國現有各類電機系統(tǒng)總裝機容量約7億kW，運行效率普遍比國外先進水平低10~20個百分點，相當于每年浪費電能約1500億kWh。
永磁電機最顯著的性能特點是輕型化、高性能化、高效節(jié)能。高性能稀土永磁電機是許多新技術、高技術產業(yè)的基礎。
稀土永磁電機國內外應用現狀：
(1) 航天航空領域：美國已研制成驅動航天飛機升降副翼用的12.6kW，9 000r/min
稀土永磁無刷直流電動機，效率為95%，僅重value='7.65' unitname='kg'>7.65kg。
(2) 船舶電力推進領域：高性能艦船一般均采用全電力推進系統(tǒng)。國外在電力推進系統(tǒng)中普遍采用永磁電機作為系統(tǒng)的推進電機。
如西門子、 ABB和Alstom等都已形成產業(yè)。德國西門子已制成了由6相變頻電源供電的1 095kW、230r/min的稀土永磁
同步電動機；俄羅斯最近也試制成功3 500kW的大型稀土永磁同步電機。
(3) 風機水泵行業(yè)：主要有油田電力驅動系統(tǒng)、發(fā)電廠和鋼鐵生產企業(yè)中，水泵和通風機等機械負載的應用數量最大。這也是永磁稀土電機推廣應用主要場合。
我國在油井抽油機推廣使用稀土永磁同步電機，已形成年產1萬臺以上的生產能力，在油田運行情況良好，取得了明顯的技術經濟效益。
(4)電梯行業(yè)：國外主要電梯制造商大都采用了永磁同步電動機驅動無齒輪曳引機，其效率可高達0.9以上，比交流異步電機+減速箱結構系統(tǒng)節(jié)能30%以上，國內三菱電梯、日立電梯和迅達電梯等均采用了該技術。
(5) 空調行業(yè)：永磁同步電機及直流變頻驅動技術是未來空調發(fā)展的主流，通過改變頻率來調節(jié)壓縮機功率，且電機在低頻運轉時的效率極高，是實現家電節(jié)能的最佳技術途徑之一。目前，日本已掌握較先進的180?正弦波控制及驅動技術，上海海立與中央研究院合作也已掌握此技術。
(6)風電行業(yè)：國內湘潭電機廠，已研制成功2臺2MW直驅永磁同步風力發(fā)電機，已應用于內蒙古卓姿風電場。力德風電與國家稀土永磁電機工程技術研究中心已經設計完成2.0MW直驅永磁風力發(fā)電機。
目前，永磁電機正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方向發(fā)展。作為21世紀具有廣泛應用前景的產品，它的產業(yè)化程度還有待提高。
由于它所具備各種優(yōu)良性能和特點，可以相信，在不久的未來，它會在各個領域得到廣泛應用，會滲透到日常生活和工業(yè)生產地方方面面。隨著國家對電機領域的重視和投資，永磁電機必將蓬勃發(fā)展！
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