永磁電機的發展及在各個領域的應用

永磁電機采用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流，效率高結構簡單，是很好的節能電機，隨著高性能永磁材料的問世和控制技術的迅速發展．永磁電機的應用將會變得更為廣泛。

永磁電機的發展歷史

永磁電機的發展同永磁材料的發展密切相關。我國是世界上最早發現永磁材料的磁特性并把它應用于實的國家，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、軍事等領域發揮了巨大的作用，成為我國古代四大發明之一。

19世紀20年代出現的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。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展的需要和電流充磁器的發明，人們對永磁材料的機理、構成和制造技術進行了深入研究，相繼發現了碳鋼、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年代出現的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85 kJ/m3）和50年代出現的鐵氧體永磁（最大磁能積現可達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毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農業生產和日常生活中得到廣泛應用，產量急劇增加。相應地，這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和制造技術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異磁性能特別適合于制造電機，從而使永磁電機的發展進入一個新的歷史時期。

永磁電機的特點及應用

與傳統的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點。因而應用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業生產和日常生活的各個領域。下面介紹幾種典型永磁電機的主要特點及其主要應用場合。

稀土永磁發電機永磁同步發電機與傳統的發電機相比不需要集電環和電刷裝置，結構簡單，減少了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速提高到最佳值，提高功率質量比。當代航空、航天用發電機幾乎全部采用稀土永磁發電機。其典型產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電機。國內研發的第一臺稀土永磁電機即為3 kW 20 000 r/min的永磁發電機。

永磁發電機也用作大型汽輪發電機的副勵磁機，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汽輪發電機后大大提高電站運行的可靠性。

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

永磁電機在各個應用領域中的重要作用

1、節能稀土永磁電機以消費為主要對象，如紡織和化纖工業用稀土永磁同步電機，石油、采礦，稀土永磁同步電動機在煤礦運輸機械，稀土永磁同步電機驅動各種泵與風機。

2、各種稀土永磁電機被各種類型的車輛（汽車，摩托車，火車）使用，稀土永磁電機是zui大的市場。據統計，大約70%的車用稀土永磁電機。豪華轎車，為各種應用的電機已達70多套。由于各種汽車電機的要求是不同的，永磁材料的選擇是不一樣的。馬達磁鐵用于空調、風機、電動車窗，從價格的角度考慮，未來將繼續鐵氧體的優勢。點火線圈、驅動裝置、傳感器，仍然使用Sm-Co燒結磁體。此外，汽車零部件，也是電動汽車不可忽視的，作為一種環保型（EV）和混合動力電動汽車（HEV）。

3、稀土永磁電機交流伺服系統一套電子的、高性能的、速度控制系統的機電一體化機械。系統是一個自我控制的永磁同步電機主體。該系統用于數控機床的發展，柔性制造技術；也用于電動汽車，而不是傳統的熱動力車，車輛排放的自由。稀土永磁電機是一種很有發展前途的高技術產業。

4、新領域主要是為新的空調和冰箱的小功率稀土永磁同步電機變頻調速系統的支持，用于各種稀土永磁直流微電機的無線電動小工具，稀土永磁無刷直流電動機是功率不同的儀器。這種電機的需求也很大。

5、在航空航天應用為優勢的稀土永磁材料，使其在航空發動機應用非常合適。雖然有稀土永磁電機在空氣中的一些應用程序（如發電機電壓和短路保護等），但國內外的專家一致認為，稀土永磁電機是新一代航空發動機的一個重要發展方向。

成本問題

鐵氧體永磁電機，特別是微型永磁直流電動機，由于結構工藝簡單、質量減輕，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省來補償。

在某些場合，例如計算機磁盤驅動器的音圈電動機，采用釹鐵硼永磁后性能提高，體積質量顯著減小，總成本反而降低。在設計時既需根據具體使用場合和要求，進行性能、價格的比較后決定取舍，又要進行結構工藝的創新和設計優化以降低成本。

永磁電機的種類和特點

與傳統的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高，以及電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點，因而應用越來越廣。永磁電機采用永磁體作為磁場，不需要外界能量即可維持其磁場，而普通電機則需要電流通入才有磁場。

常規永磁電機通常分為以下五類：永磁直流電動機、異步起動永磁同步電動機、永磁無刷直流電動機、調速永磁同步電動機和永磁同步發電機。

永磁電機主要有以下特點：

1. 永磁直流電動機

永磁直流電動機與普通直流電動機結構上的不同在于，前者取消了勵磁繞組和磁極鐵心，代之以永磁磁極。永磁直流電動機的特性與他勵直流電動機類似，兩者之間的區別在于主磁場產生的方式不同。前者磁場不可控，后者磁場可控。永磁直流電動機除了具有他勵直流電動機的良好特性外，還具有結構簡單、運行可靠、效率高、體積小、質量輕等特點。

2. 異步起動永磁同步電動機

異步起動永磁同步電動機是具有自起動能力的永磁同步電動機，兼有感應電動機和電勵磁同步電動機的特點。它依靠定子旋轉磁場與籠型轉子相互作用產生的異步轉矩實現起動。正常運行時，轉子運行在同步速，籠型轉子不再起作用，其工作原理與電勵磁同步電動機基本相同。

異步起動永磁同步電動機與感應電動機相比，有以下特點：

（1）轉速恒定，為同步速。

（2）功率因數高， 甚至為超前功率因數，從而減少定子電流和定子電阻損耗，而且穩定運行時沒有轉子銅耗，進而可減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩損耗，效率比同規格感應電動機可提高 2% ～ 8% 。

（3）具有寬的經濟運行范圍。不僅額定負載時有較高的功率因數和效率， 而且在25% ～ 120% 額定負載范圍內都有較高的功率因數和效率，使輕載運行時節能效果更為顯著。這類電動機一般都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。

（4）永磁電機體積和質量較感應電機大大縮小。如 11kW 的異步電動機質量為220kg，而永磁電動機僅為 92kg，相當于異步電動機質量的 45. 8% 。

（5）對電網影響小。感應電動機的功率因數低，電動機要從電網中吸收大量的無功電流，造成電網的品質因數下降，加重電網變配電設備的負擔和電能損耗。而永磁電動機轉子中無感應電流勵磁，電動機功率因數高，提高了電網的品質因數，使電網中不再需要安裝無功補償裝置。

（6）由于通常采用釹鐵硼永磁材料，因此價格高；當電機設計或使用不當時，可能出現不可逆退磁。

（7） 加工工藝復雜，機械強度差。

（8） 電機性能受環境溫度、供電電壓等因素影響較大。

3. 永磁無刷直流電動機

永磁無刷直流電動機用電子換向裝置代替直流電動機的換向器，保留了直流電動機的優良特性。它既具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，又具有直流電動機起動轉矩大、調速性能好的優點。由于取消了電刷換向器，因此可靠性高；損耗主要由定子產生，散熱條件好；體積小、質量輕。

4. 調速永磁同步電動機

調速永磁同步電動機和永磁無刷直流電動機結構上基本相同，定子上為多相繞組，轉子上有永磁體，兩者優點相似。它們的主要區別在于永磁無刷直流電動機根據轉子位置信息實現同步，而調速永磁同步電動機需一套電子控制系統實現同步和調速。

5. 永磁同步發電機

永磁同步發電機是一種結構特殊的同步發電機，與普通同步發電機不同的是，它采用永磁體建立磁場，取消了勵磁繞組、勵磁電源、集電環和電刷等，結構簡單，運行可靠，效率高，免維護。采用稀土永磁時，氣隙磁密高，功率密度高，體積小，質量輕。但由于采用了永磁體建立磁場，因此難以通過調節勵磁的方法調節輸出電壓和無功功率。另外，永磁同步發電機通常采用釹鐵硼或鐵氧體永磁，永磁體的溫度系數較高，輸出電壓隨環境溫度的變化而變化， 導致輸出電壓偏離額定電壓，且難以調節。

永磁電機的效率為什么會更高？

永磁同步電機主要由定子、轉子和殼體部件構成。與普通交流電機一樣，定子鐵芯為疊片結構，以減小電動機運行時因渦流和磁滯效應鐵耗；繞組通常也為三相對稱結構，只是參數選取有較大區別。轉子部分則形式多樣，有帶啟動鼠籠的永磁轉子，也有內嵌式或表貼式純永磁轉子。轉子鐵芯可以制成實心結構，也可以疊片而成。轉子上裝有永磁體材料，大家習慣上稱之為磁鋼。

永磁電機正常工作下，轉子與定子磁場處于同步狀態，轉子部分沒有感應電流，無轉子銅耗和磁滯、渦流損耗，不需要考慮轉子損耗發熱問題。一般永磁電機為專用變頻器供電，天然具有軟啟動功能。另外，永磁電機屬于同步電機，具有同步電機通過勵磁強弱調節功率因數的特點，因而功率因數可以設計到規定數值。

從起動角度分析，緣于永磁電機由變頻電源或配套變頻器起動的實際，永磁電機的起動過程實現很容易；與變頻電機的起動相似，規避了普通籠型異步電機的起動缺陷。

總之，永磁電機的效率和功率因數可以達到很高，結構非常簡單，近十幾年來市場十分火爆。但是，失磁故障是永磁電機不可回避的問題，當電流過大或溫度過高時，會導致電機繞組溫度瞬間不斷攀升、電流急劇增大，永磁體迅速失磁。在永磁電機控制中，設定了過電流保護裝置，避免了電機定子繞組被燒毀的問題，但由此而導致的失磁和設備停運不可避免。

相對于其他電機，永磁電機在市場上的應用還不是很普及，無論對于電機制造者還是使用者，都有一些未知的技術盲區，特別是涉及到與變頻器的匹配問題，往往會導致設計值與試驗數據嚴重不符，必須反復驗證。

電機設計過程涉及一些基本考慮因素，對于啟動器，應用環境的要求，什么時候需要什么扭矩和速度，多久需要一次？什么是工作循環？溫度和壓力等環境條件是什么？即使是最高效的電機，如果電機應用錯誤的領域，其不會發揮最大的效率。許多電動機都用于齒輪電動機、齒輪減速器和電動機的組合。齒輪馬達以低速提供高扭矩，簡言之，齒輪電機在放大扭矩的同時，會吸收電機功率并降低轉速，齒輪電機占空比會影響電機的性能額定值，例如連續的占空比。

最佳冷卻設計外殼

一個冷卻較好的馬達運轉效率更高，為了獲得最佳的氣流，優化了冷卻風扇和風扇罩的設計，確保定子和電機外殼之間的緊密結合提供最佳的冷卻性能。電機的電效率提高了很多，但冷卻風扇的功率占總損耗的比例更大。冷卻風扇尺寸的優化包括使用風扇的最小功率，同時提供足夠的冷卻。優化的風扇設計可使風扇功率需求降低65%，一個重要的設計特點是葉片和殼體之間的間隙。外殼和風扇葉片之間的空間應盡可能小，以防止湍流和減少回流。

選擇適合工作速度的低摩擦軸承

滾珠或滾柱軸承用于高效電機，它們由一個內外圈和一個包含鋼或陶瓷輥或球的保持架組成。外圈與定子相連，內圈與轉子相連。當軸旋轉時，元件也旋轉，并且軸旋轉的摩擦力最小化。它們使用壽命長，維護成本低。高精度應用允許最小的氣隙。熱收縮和熱膨脹會影響軸和軸承座的配合以及內部軸承間隙本隙 。功率輸出控制軸尺寸和軸承孔。載荷大小和方向決定軸承尺寸和類型。考慮額外的力，如引起磁力拉力的不對稱氣隙、失衡力、齒輪的節距誤差和推力載荷。對于軸承載荷計算，將軸視為支撐在剛性無力矩支架上的梁。滾珠軸承比滾子軸承更適合高速應用。高速因素包括保持架設計、潤滑劑、運行精度、間隙、共振頻率和平衡。

軸承需要最小的負載，因此滾動元件旋轉形成潤滑膜而不是滑動，這會提高工作溫度并降解潤滑油。允許最小載荷等于滾珠軸承動態徑向載荷額定值的0.01倍。當軸承接近推薦額定值的70%時，這一點尤為重要。了解環境溫度范圍和正常工作溫度范圍將有助于確定軸承最有效的潤滑方法：潤滑油或潤滑脂，一般情況下考慮的齒輪電機的正常工作溫度范圍為-25至40°C。合成潤滑脂在各種溫度范圍內具有良好的性能，潤滑脂可以簡化維護、清潔、減少泄漏和污染保護。

使用高質量的平衡機，高標準和電機運行速度下的平衡

當軸心與旋轉軸不共存時，會產生噪聲和振動，平衡對效率的影響有限，但會影響運行噪音和預期壽命，這對最大限度地利用資源也很重要。軸承振動讀數通常在垂直、水平和軸向三個平面上讀取。垂直振動可能表明存在安裝問題，水平振動可能意味著平衡問題，而軸向振動可能意味著軸承問題。工作轉速下的平衡很重要，因為軸承的向心力也可能導致不平衡。

轉子疊片顯示正弦磁場的優化設計

具有高性能永磁的同步電機具有正弦磁通分布和電動勢，對于分布式繞組，定子繞組通常與異步電機繞組相同，它降低了振動、噪音和維護成本，提高了整體性能。

稀土與鐵氧體（陶瓷）磁體的選擇

電機中使用了釹、稀土、釤鈷磁鐵或鐵氧體（陶瓷）磁鐵，稀土磁鐵的強度是鐵氧體或陶瓷永磁體的兩到三倍，但價格較貴。釤鈷磁鐵是高溫應用的最佳選擇，因為它們具有高能量密度、250至550°C的耐溫性、溫度升高導致的參數小幅度降低以及氧化保護，選擇釤鈷或釹作為電機磁鐵是根據工作溫度、耐腐蝕性和要求的性能。如果加熱到80℃以上，低等級的釹磁鐵可能開始失去“強度”，高等級的釹磁鐵在220℃以下的溫度下工作。鐵氧體或陶瓷磁鐵由于其很強的電阻而得到廣泛的認可，退磁性好，耐腐蝕性強，價格低廉。在250°C以上的溫度下工作時會發生磁損耗，但當磁鐵降到較低的溫度時會恢復磁損耗。除非電路設計用于極端情況，否則-40°C的低溫可能會導致永磁強度的永久損失。

電機需要逆變器

逆變器驅動單元在空載運行/靜止狀態下可以無損耗，通過替換現有的線路供電的三相驅動裝置，預計可以節省高達30%的能源。驅動裝置的特點使其非常適合驅動連續運行的泵和風扇。不需要額外的組件，比如編碼器。高達25%的占地面積允許機器設計更緊湊。電機具有良好的控制性能，并與無傳感器驅動控制器單元相結合，即使在低速下也具有出色的真實運行性能，在脈沖負載和速度變化時具有令人印象深刻的動態特性。

選擇能夠提供無傳感器操作的逆變器

驅動器可以“自我檢測”并跟蹤轉子的永磁位置。這對于電機平穩啟動至關重要，同時也允許產生最佳扭矩，從而獲得最佳效率。缺少位置或速度傳感器降低了成本，提高了驅動系統的可靠性。隨著效率的不斷提高，對特定電機的控制器設置進行編程以獲得最佳效率的重要性越來越重要。

永磁電機的缺點辨析

永磁電機（PMM）通過定子電流與轉子上或轉子內的永磁體的相互作用產生轉矩。小型低功耗電機用于IT設備，商用機器和汽車輔助設備中的表面轉子磁體是常見的。內部磁體（IPM）在電動車輛和工業電機等大型機器中很常見。

在永磁電機中，如果不考慮轉矩脈動，則定子可能使用集中（短節距）繞組，但在較大的永磁電機中分布繞組是常見的。

由于永磁電機沒有機械換向器，所以逆變器對于控制繞組電流至關重要。與其他類型的無刷電機不同，永磁電機不需要電流來支持其磁場。

因此，如果體積小或重量輕，永磁電機可以提供最大的扭矩，并且可能是最好的選擇。無磁化電流也意味著在“最佳點”負載下效率更高 - 即電機性能最佳的地方。

此外，盡管永磁體在低速時帶來了性能優勢，但它們也是技術上的“致命弱點”。例如，隨著永磁電機速度的增加，反電動勢接近逆變器電源電壓，從而無法控制繞組電流。這定義了通用永磁電機的基本速度，并且在表面磁體設計中通常代表給定電源電壓的最大可能速度。

在大于基本速度的速度下，IPM使用主動磁場弱化，其中操縱定子電流故意壓低磁通量。可以可靠實施的速度范圍限制在4：1左右。和以前一樣，這個限制可以通過減少繞組匝數和接受更大的成本和逆變器中的功率損耗來實現。

磁場弱化的需要是速度相關的，并且不管扭矩如何都會產生相關的損失。這會降低高速下的效率，特別是在輕負載下。

在高速公路行駛的電動汽車中，這是非常嚴重的。永磁電機經常受到電動汽車的青睞，但是在實際駕駛周期進行計算時，效率的好處是值得懷疑的。有趣的是，至少有一家著名的電動汽車制造商已經從PM切換到感應電動機。

其他缺點包括由于其固有的反電動勢在故障條件下難以管理的事實。即使變頻器斷開，只要電機旋轉，電流就會持續流過繞組故障，從而導致齒槽轉矩和過熱，并且都是危險的。

例如，由于變頻器停機，在高速下的磁場減弱會導致不受控制的發電，并且逆變器的直流母線電壓可能上升到危險的水平。

除了那些裝有釤鈷磁體的永磁電機外，操作溫度是另一個重要的限制。而由于逆變器故障而產生的高電動機電流會導致退磁。

最大速度受機械磁鐵保持力的限制。如果永磁電機損壞，修理它通常需要返回到工廠，因為安全地提取和處理轉子是困難的。最后，報廢時的回收也很麻煩，盡管當前稀土材料的高價值可能會使這種材料更具經濟可行性。

盡管存在這些缺點，永磁電機仍然在低速和甜點效率方面保持無與倫比的地位，而且在尺寸和重量至關重要的情況下，它們都非常有用。