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來源 | 網(wǎng)絡

編輯 | 旺材小編，轉載請注明出處

一、永磁電機的發(fā)展及應用

永磁電機是由永磁體建立勵磁磁場，從而實現(xiàn)機電能量轉換的裝置，它與電勵磁同步電機一樣以同步速旋轉，亦稱永磁同步電機。永磁同步電機，特別是稀土永磁同步電機與電勵磁同步電機相比，具有結構緊湊、體積小、重量輕等特點，且永磁電機的尺寸和結構形式靈活多樣，可以拓撲出很多種結構形式。由于永磁電機取消了電勵磁系統(tǒng)，從而提高了電機效率，使得電機結構簡化，運行可靠。永磁電機的發(fā)展是與永磁材料的發(fā)展密切相關的。早在1821年法拉第發(fā)明世界上第一臺電機模型，他就利用了天然永磁磁鐵建立磁場，給放在磁場中的導線通以直流電，導線能夠繞著永磁磁鐵不停旋轉，這可以說是永磁電機的雛形。1831年法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象之后不久，利用電磁感應原理發(fā)明了世界上第一臺真正意義上的電機—法拉第圓盤發(fā)電機，其結構是將紫銅圓盤放置在蹄形永磁體的磁場中，圓盤的邊緣和圓心處各與一個電刷緊貼，用導線把電刷和電流表連接起來，當轉動圓盤中心處固定的搖柄時，電流表的指針偏向一邊，電路中產(chǎn)生了持續(xù)的電流。同年夏天，亨利對法拉第的電機模型進行了改進，制成了一個簡單的永磁振蕩電動機模型。1832年斯特金發(fā)明了換向器，并對亨利的振蕩電動機進行了改進，制作了世界上第一臺能產(chǎn)生連續(xù)運動的旋轉電動機。同年，法國人皮克希發(fā)明了一臺永磁交流發(fā)電機。

以上電機均是采用永久磁鐵建立磁場的，由于當時永久磁鐵是用磁性能很低的天然磁鐵礦石做成的，造成電機體積龐大、性能較差。1845年英國的惠斯通用電磁鐵代替永久磁鐵，并于1857年發(fā)明了自勵電勵磁發(fā)電機，開創(chuàng)了電勵磁方式的新紀元。由于電勵磁方式能在電機中產(chǎn)生足夠強的磁場，使電機體積小、重量輕、性能優(yōu)良，在隨后的70多年內(nèi)，電勵磁電機理論和技術得到了迅猛發(fā)展，而永磁勵磁方式在電機中的應用則較少。20世紀中期，隨著鋁鎳鉆和鐵氧體永磁材料的出現(xiàn)以及性能的不斷提高，各種微型永磁電機不斷出現(xiàn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、軍事工業(yè)中都得到了應用。但鋁鎳鉆和鐵氧體永磁材料的磁能積較低，導致永磁電機性能低、體積大，限制了永磁電機的發(fā)展。1967年衫鉆永磁材料的出現(xiàn)，開創(chuàng)了永磁電機發(fā)展的新紀元，杉鉆永磁材料性能好、價格昂貴，各國研究開發(fā)的重點是航空航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。20世紀80年代末，西門子公司生產(chǎn)的用于艦船推進的6相、1.IMW、230r/min、45kN·m的低速大轉矩永磁同步電動機，ABB公司生產(chǎn)的用于艦船推進的1.SMW永磁同步電動機和德國AEG研制的用于調速系統(tǒng)的3.SMw、4極永磁同步電動機是國外稀土鉆永磁電機的代表。

983年磁性能更高而價格相對較低的錢鐵硼永磁材料問世后，國內(nèi)外研究開發(fā)的重點轉移到工業(yè)和民用電機上。其中，高效欽鐵硼永磁同步電動機在額定負載時的效率比同規(guī)格的感應式異步電動機可提高2%一8%，且它在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。

因此，近十年來在油田抽油機上得到了較多的應用，是中小型欽鐵硼永磁同步電動機應用比較成功的例子。這類永磁電機通常在轉子上設置起動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力，因而稱為異步起動永磁同步電動機。對于100kw~1000kW的大功率同步電動機來說，異步起動永磁同步電動機省去了勵磁柜，對比電勵磁同步電動機不僅提高了效率、簡化了結構，而且成本增加不多，因而成為它的又一重要應用場合，以8極110kw永磁電機為例，其效率達95%，功率因數(shù)為0.916，永磁體用量為0.15kg/kW。由變頻器供電的無刷直流和調速永磁同步電動機加上轉子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)后，在要求高控制精度和高可靠性的場合，如航空航天、數(shù)控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面都得到了廣泛應用。另外，特殊結構的永磁電機，如盤式電機、無槽電機、無鐵心電機、音圈電機(即驅動磁盤驅動器中讀寫磁頭作往復運動的動圈式直線電動機)等在電動汽車、計算機、航天工程和要求精確定位控制的場合都得到了廣泛應用。隨著欽鐵硼永磁材料耐高溫性能的提高和價格的降低，欽鐵硼永磁電機在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面得到了更為廣泛的應用，正向大功率化(高轉速)、大轉矩化、高功能化和微型化方向發(fā)展，目前最高轉速已超過300000r/min，最低轉速低于0.01r/min，最小電機外徑只有0.8mm，軸向長度只有1.2mm。

二、永磁電機的分類

常規(guī)的旋轉永磁同步電動機可以分為以下4類:永磁(有刷)直流電動機、異步起動永磁同步電動機、永磁無刷直流電動機和調速永磁同步電動機。永磁(有刷)直流電動機與普通直流電動機相比，結構上取消了勵磁繞組和磁極鐵心，代之以永磁磁極，具有結構簡單、效率高、體積小、重量輕等特點。永磁(有刷)直流電動機多為微型電機，在電動玩具、家用電器、汽車電氣中得到了廣泛應用，其中尤以在汽車電氣中的應用發(fā)展最快，在高級轎車中可使用幾十臺微型永磁(有刷)直流電動機。永磁無刷直流電動機和調速永磁同步電動機在結構上基本相同，定子電樞為多相繞組，轉子上裝有永磁體，兩者間的主要區(qū)別在于前者是由方波電流驅動的永磁無刷電動機，而后者是由正弦波電流驅動的永磁無刷電動機，它們具有可靠性高、散熱條件好、體積小、重量輕等優(yōu)點。異步起動永磁同步電動機的特點是轉子上有起動繞組或具有起動作用的整體鐵心，能自起動，無需控制系統(tǒng)即可接入市電起動運行。調速永磁同步電動機的定子一般采用三相對稱的分布式短距繞組，以得到接近正弦波的相電動勢，并采用轉子斜極或定子斜槽等措施來降低齒槽轉矩、振動和噪聲。調速永磁同步電動機的轉子結構形式多樣，主要有永磁體表面凸出式、表面插入式和內(nèi)置式三種結構，如圖l一1所示。在永磁體采用稀土永磁材料的情況下，由于該材料的相對回復磁導率接近于空氣的磁一導率，因此圖1 (a)所示轉子結構的直軸磁阻與交軸磁阻近似相等，于是該結構的交、直軸電感近似相等，表現(xiàn)出隱極電機的特性。而另外兩種結構的直軸磁阻大于交軸磁阻，因而直軸電感小于交軸電感，表現(xiàn)出凸極電機的特性。

三、永磁材料的性能

永磁材料的主要性能參數(shù)

永磁材料是一種經(jīng)外部磁場飽和充磁后，無需外部能量而可以持續(xù)提供磁場的特殊材料，也稱為硬磁材料。永磁材料的磁滯回線較寬，可用磁滯回線的第二象限部分描述永磁材料的特性，稱為退磁曲線，如圖2所示。

真空的磁導率；M為單位體積內(nèi)磁矩的矢量和，

稱為磁化強度(A/m)?？梢钥闯?，在永磁材料中B有兩個分量，即與真空中一樣的腳沂口磁化后產(chǎn)生的分量腳M，腳初稱為內(nèi)票磁感應強度，用Bi表示。由式(l)可推知，內(nèi)票磁感應強度與磁感應強度之間滿足如下關系式：

由上式?jīng)Q定的曲線Bi=f（H）同稱為內(nèi)察退磁曲線。永磁材料有以下幾項主要的性能參數(shù)：

(l)剩磁密度、矯頑力和內(nèi)票矯頑力從圖1一3可以看出，當磁場強度H為零時，磁感應強度B不為零，而是一個較大的值，稱為剩余磁感應強度(或剩磁密度)，用Br表示。當磁感應強度B為零時，H不為零而是Hc，Hc稱為矯頑力。同理，使內(nèi)察磁感應強度B，降低至零所需的磁場強度稱為內(nèi)票矯頑力，用Hcj表示。對于內(nèi)票矯頑力較高的稀土永磁材料來說，Hc和凡有較大的差別，而凡更能表征材料保持磁化狀態(tài)的能力。

(2)表觀剩磁當永磁體兩端開路時，外磁路具有較大的磁阻，相當于對永磁體產(chǎn)生了一個退磁場，這個退磁場的方向與材料內(nèi)的磁感應強度方向相反。此時，永磁體表現(xiàn)出來的磁感應強度不是B，而是退磁曲線上低于的某一點D所對應的磁感應強度，如圖所示，稱為表觀剩磁BD。

(3)最大磁能積永磁體通常是在去磁情況下工作的，退磁曲線上任何一點代表一個磁狀態(tài)，該點B和H的乘積代表了該磁狀態(tài)下永磁體所具有的磁場能量密度，稱為磁能積。如圖1一3所示，退磁曲線上存在一點d，該點的磁感應強度B、和磁場強度場的乘積有最大值，稱為最大磁能積，用叨閉max表示。最大磁能積越大，永磁材料性能越好。從理論上講，在進行磁路設計時，將永磁體的工作點設計在最大磁能積點時，可用最少的永磁體得到所需要的磁場。

(4)回復磁導率當永磁體處于外加磁場中時，工作點為A點；當去掉外加磁場時，工作點不是沿著退磁曲線變化，而是到一個新的位置A，如圖1一3所示。如果循環(huán)地改變外磁場，得到一個局部磁滯回線，由于其非常狹窄，故可用一條直線代替，稱為回復線?；貜途€的斜率稱為回復磁導率。

μrec與μ0的比值稱為相對回復磁導率，用μr表示。若退磁曲線為直線，則回復線與退磁曲線重合。

(5)溫度系數(shù)永磁體通常工作在電磁裝置內(nèi)，裝置所處環(huán)境溫度的變化和裝置產(chǎn)生的熱量使永磁體工作溫度變化，對永磁體的性能有一定影響，其影響可用溫度系數(shù)表示。在永磁體允許的工作范圍內(nèi)，其所處環(huán)境溫度每變化1℃，剩余磁感應強度變化的百分比稱為剩磁溫度系數(shù)，矯頑力變化的百分比稱為矯頑力溫度系數(shù)，分別用αBr和αHc表示。溫度系數(shù)表征了永磁材料的溫度穩(wěn)定性。

(6)居里溫度磁性材料并不是在任何溫度下都具有磁性的，存在一個臨界溫度Tc。在臨界溫度以上時，由于原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的，材料不顯示磁性;在臨界溫度以下時，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，材料表現(xiàn)出鐵磁性。居里首先發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，因而該臨界溫度被稱為居里溫度。

(7)最高工作溫度將規(guī)定尺寸的永磁材料樣品加熱到某一特定溫度，保持100Oh，然后冷卻到室溫，其開路磁通不可逆損失小于5%的最高保溫溫度，稱為永磁材料的最高工作溫度。

(8)退磁曲線的拐點鐵氧體退磁曲線的上半部分為直線，NdFeB稀土永磁體的退磁曲線在室溫下為直線，但溫度升高到一定程度時都會出現(xiàn)彎曲。退磁曲線上明顯發(fā)生彎曲的點稱為拐點。如果永磁體工作點在拐點以下，會發(fā)生磁性能的不可逆損失。

四、永磁材料的種類

我國是世界上最早利用磁性材料的國家，早在公元前2500年就己經(jīng)出現(xiàn)了關于天然磁石的知識，四大發(fā)明之一的指南針便是應用了天然磁鐵的特性。但是，世界上對永磁材料進行的深入科學研究直到19世紀末20世紀初才開始，永磁材料的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段:第一階段—基于碳鋼的永磁材料、第二階段一一鋁鎳鉆永磁材料、第三階段—鐵氧體永磁材料、第四階段—稀土永磁材料。永磁材料種類繁多，根據(jù)其制造方式和組成成為的不同，可將常見的永磁材料分類如下：

以下對主要的幾種永磁材料做簡要介紹：

(l)馬氏體鋼永磁材料是早期使用的永磁材料，包括碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鉆鋼和鋁鋼，它是通過熱處理將己經(jīng)加工好的零件加熱到高溫，通過淬火使奧氏體轉化為馬氏體而得到的永磁材料。它的優(yōu)點是塑性好，可進行冷加工和切削加工，原材料豐富，但矯頑力和磁能積較低，多用于對磁性能要求不高而注重生產(chǎn)成本的場合。

(2)鐵鎳鉆基永磁材料包括鋁鎳型永磁、鋁鎳鉆欽永磁和鋁鎳鉆永磁，其中鋁鎳鉆永磁材料應用較多。鋁鎳鉆永磁材料有鑄造和燒結兩種生產(chǎn)工藝，鑄造工藝可以加工不同尺寸和形狀的永磁體，而燒結工藝僅限于加工小尺寸的永磁體，但其工藝簡單，很適合大批量生產(chǎn)。鋁鎳鉆的主要優(yōu)點是溫度系數(shù)非常低，一般為一0.02%/K，且工作溫度范圍可達一273~400℃，最高工作溫度為520℃，居里溫度達800℃以上。鋁鎳鉆的剩磁密度較高，范圍在0.53~1.35T之間，但矯頑力較低，一般只有50一160kA/m，因此對其進行充磁和去磁都很容易，新型的記憶電動機就是通過對鋁鎳鉆材料不斷地進行充磁和去磁來達到改變極性和調節(jié)磁通的目的。在實際應用中，鋁鎳鉆永磁材料適合做成長棒形以盡可能地減小退磁。為充分發(fā)揮其磁性能，對鋁鎳鉆構成的磁路必須進行整體飽和充磁，且在重新組裝后還需再次整體飽和充磁，否則其磁性能將大大下降。鋁鎳鉆永磁材料廣泛應用于環(huán)境溫度高或對永磁體溫度穩(wěn)定性要求嚴格的場合。

(3)可加工永磁材料包括鐵鉻鉆、銅鎳鐵、銅鎳鉆、鉑鉆、鐵鉆釩和錳鋁碳等，它們力學性能好，能加工成各種帶、片、板、線形狀，且具有較高磁性能。鐵鉻鉆永磁材料的磁性能與鋁鎳鉆相當，最大磁能積為40一48kJ/m，矯頑力達159一207kA/m，最高使用溫度可達400℃，機械韌性好;銅鎳鐵和銅鎳鉆具有較高的矯頑力，但剩磁密度和最大磁能積較低;鉑鉆磁性能較高，其剩磁密度可達0.72T，矯頑力可達4O0kA/m，居里溫度為825℃，機械韌性好，但價格較高，主要應用于醫(yī)療和飛機航行記錄儀；錳鋁碳的矯頑力與鐵氧體相當，剩磁溫度系數(shù)為一0.02%/K，由于原料豐富因而價格便宜。

(4)鐵氧體永磁材料主要包括鋇鐵氧體和銘鐵氧體兩類。鐵氧體的顯著特點就是剩磁密度低、矯頑力高、相對回復磁導率小，其剩磁范圍一般在0.2一0.44T之間，而矯頑力可達128~264kA了m，其抗去磁能力強，實際使用時適合做成扁平形狀。鐵氧體永磁材料的主要原料是金屬氧化物，一般不受環(huán)境或化學物質影響，穩(wěn)定性好，且原材料豐富而價廉，因此是一種應用較廣泛的永磁材料，在永磁電機中也有較多應用。

(5)稀土鉆永磁材料主要有兩類：一類是RCos(R代表稀土元素)，稱為1:5稀土鉆;另一類是凡Col7，稱為2:17稀土鉆。1:5系列的矯頑力比2:17系列高，而2:17系列的剩磁密度比1:5系列高，在退磁磁場較大的場合宜用1:5系列永磁體。稀土鉆的剩磁密度一般為 0.85~1.15T，矯頑力可達80OkA/m，最大磁能積可達258.6kJ/m3，退磁曲線基本為一條直線。稀土鉆的居里溫度高，一般能達到710~800℃，剩磁溫度系數(shù)為一(0.03一0.09)%/K，磁性能穩(wěn)定性好，可在300℃高溫下使用。此外，稀土鉆具有很強的耐腐蝕和抗氧化能力，通常無需進行表面處理。雖然稀土鉆的性能優(yōu)異，但由于含有稀有的金屬衫和戰(zhàn)略金屬鉆，因此價格昂貴，限制了它的應用范圍，主要應用于軍事和航天等要求永磁體體積小、重量輕、磁性能高且穩(wěn)定的場合。

(6)欽鐵硼永磁材料是目前磁性能最好的永磁材料，它的主要成分是NdZFe，4B。其最大磁能積可達398kJ/m，為鐵氧體永磁材料的5一12倍、鋁鎳鉆永磁材料的3~10倍，剩磁密度最高可達1.47T，矯頑力最高可超過1000kA/m，能吸起相當于自身重量640倍的重物。但欽鐵硼的居里溫度低，僅為310~400℃，溫度穩(wěn)定性較差，其剩磁溫度系數(shù)為一(0.095一0.15)%/K，矯頑力溫度系數(shù)為一(0.4~0.7)%/K，一般最高工作溫度為150℃，但目前己有能耐200℃高溫的錢鐵硼材料。錢鐵硼在常溫下的退磁曲線是一條直線，但在高溫下其退磁曲線的下部會發(fā)生彎曲，若設計不當易發(fā)生不可逆退磁。欽鐵硼材料內(nèi)含有大量的欽和鐵成分，易銹蝕，化學穩(wěn)定性欠佳，一般需要對其表面做電鍍處理，通常鍍層厚度為10一40μm。由于欽鐵硼材料中不含鉆，且欽在稀土中的含量是衫的十幾倍，因此欽鐵硼的價格比稀土鉆材料要低很多，近些年己廣泛應用于永磁電機中，基本取代了鐵氧體材料。

五、結論

本文首先介紹了永磁電機的發(fā)展、應用，對從1821年開始以來永磁體的發(fā)展和永磁電機的應用場合及其發(fā)展方向進行了詳細介紹；其次對永磁電機和其永磁材料的主要性能參數(shù)做了詳細分析。最后對永磁材料的種類進行了概括性的介紹。

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