长篇鬼故事 - 永磁马达 什么是永磁电机？看完这篇文章你会懂的！

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。中国是世界上第一个发现永磁材料磁性并应用于实践的国家。两千多年前，中国利用永磁材料的磁性制作了指南针，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，永磁体产生激励磁场。但当时使用的永磁材料是天然磁铁矿，磁能密度低，用它制成的电机体积庞大，很快就被电励磁电机取代。

随着各种电机的快速发展和电流磁充电器的发明，人们对永磁材料的机理、成分和制造工艺进行了深入的研究，先后发现了碳钢、钨钢、钴钢等各种永磁材料。特别是20世纪30年代，出现了Al-Ni-Co永磁体和铁氧体永磁体，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机都采用永磁体励磁。永磁电机功率小到几毫瓦，大到几十千瓦，广泛应用于军事、工农业生产和日常生活中，产量增长迅速。相应地，在这一时期，永磁电机的设计理论、计算方法、磁化和制造技术都取得了突破，形成了一套以永磁体工作图图解方法为代表的分析研究方法。但铝镍钴永磁体矫顽力低，铁氧体永磁体剩磁密度低，限制了其在电机中的应用。直到20世纪60、80年代，稀土钴永磁体和钕铁硼永磁体相继问世。它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积、线性退磁曲线等优异的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；损耗低，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多变。所以应用范围很广，几乎涵盖了航空空航天、国防、工农业生产和日常生活的所有领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点和主要应用。

1.与传统发电机相比，稀土永磁发电机的永磁同步发电机不需要集电环和电刷装置，结构简单，降低了故障率。使用稀土永磁体后，可以提高气隙磁密，将电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。目前，稀土永磁发电机几乎用于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一台3 kW 20 000转/分的永磁发电机。

永磁发电机也用作大型汽轮发电机的辅助励磁器。20世纪80年代，我国成功研制出世界上最大的40千伏安~160千伏安稀土永磁辅助励磁机，并配备200兆瓦~ 600兆瓦汽轮发电机，大大提高了电站运行的可靠性。

目前，独立供电的内燃机驱动的小型发电机、车辆用永磁发电机、直接由风轮驱动的小型永磁风力发电机正在逐步普及。

2.高效永磁同步电机与感应电机相比，永磁同步电机不需要无功励磁电流，可显著提高功率因数，降低定子电流和定子电阻损耗，稳定运行时无转子铜损，从而降低风机及相应的风摩擦损耗，效率比同规格感应电机提高2 ~ 8个百分点。此外，永磁同步电机在25% ~ 120%的额定负载范围内可以保持较高的效率和功率因数，使得轻载运行时的节能效果更加显著。这类电机一般在转子上装有起动绕组，在一定的频率和电压下具有直接起动的能力。目前主要用于油田、纺织化纤行业、陶瓷玻璃行业、风机和年运行时间较长的泵类等。

我国自主研发的高效率、高起动转矩的钕铁硼永磁同步电机，可以解决油田应用中的“大马拉小车”问题。起动转矩比感应电动机高50% ~ 100%，可替代较大机架尺寸的感应电动机，节电率20%左右。

纺织化纤行业，负载惯性矩大，对牵入扭矩要求高。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。

用于大型电站、矿山、石油、化工等行业的数百千瓦和兆瓦级风机和泵的电机。是巨大的能源消耗者，但是目前使用的电动机的效率和功率因数很低。改用钕铁硼永磁体后，不仅提高了效率和功率因数，而且节约了能源。此外，无刷结构提高了操作的可靠性。1 120kW永磁同步电机是目前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%，功率因数0.94，可替代比其大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永磁电机正在用变频电源和交流电机组成的交流调速系统取代DC电机调速系统。在交流电机中，永磁同步电机在稳定运行时速度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渐增加变频器的频率来启动的。转子上不需要启动绕组，省略了电刷和换向器，便于维护。

自同步永磁电机由变频器供电的永磁同步电机和转子位置闭环控制系统组成，既具有电励磁DC电机优良的调速性能，又实现了无刷。主要用于控制精度高、可靠性高的场合，如航空空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动车、计算机外设等。

开发了宽调速范围、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转/分。永磁同步电机具有高效率、低振动、低噪声和高转矩密度的特点，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。比如家用空调节器，不仅耗电量大，而且是主要的噪声源。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，可以长时间自动调节到合适的速度，减少噪音和振动，让人感觉更舒适，比不调速的空调节器省电1/3。其他的，如冰箱、洗衣机、吸尘器和风扇，也在逐渐转向无刷DC电机。

4.永磁DC电机DC电机采用永磁励磁，不仅保留了电励磁DC电机良好的调速和机械特性，而且由于消除了励磁绕组和励磁损耗，具有结构和工艺简单、体积小、耗铜少、效率高的特点。因此，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，永磁DC电机被广泛使用。在500 W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，电机是汽车的关键部件。在一辆超豪华汽车中，有70多台不同用途的电机，其中大多数是低压永磁DC微电机。汽车、摩托车用起动电机采用钕铁硼永磁体和减速行星齿轮后，质量可减半。

永磁电机的分类

永磁电机有很多种。根据电机功能，大致可以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，因此通常被称为永磁同步电机。

永磁DC电机根据有无电机和换向器可分为永磁无刷DC电机和永磁无刷DC电机。

当今世界，现代电力电子理论和技术正在飞速发展。随着功率电子器件如场效应晶体管、IGBT和MCT的出现，控制器件发生了根本性的变化。自1971年F BlascEke提出交流电机矢量控制原理以来，矢量控制技术的发展开启了交流伺服驱动控制的新时代，各种高性能微处理器不断推出，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伺服系统已成为必然趋势。然而，正弦波反电动势的永磁同步电机和梯形波反电动势的无刷DC电机由于其优异的性能将成为发展高性能交流伺服系统的主流。

永磁电机使用注意事项

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，制造高性价比的永磁电机，不可能简单套用永磁电机或电励磁电机的传统结构和设计计算方法，需要建立新的设计理念，重新分析和改进磁路结构。随着计算机软硬件技术的飞速发展，电磁场数值计算、优化设计和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取得了突破性进展，形成了一整套电磁场数值计算和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。

2.控制问题

永磁电机可以在没有外部能量的情况下维持其磁场，但从外部调节和控制其磁场也非常困难。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电机不能再通过改变励磁来调节转速。这些限制了永磁电机的应用范围。然而，随着功率电子器件和控制技术的快速发展，如场效应管、IGBT等。在应用中，大多数永磁电机只能进行电枢控制，而不能进行磁场控制。在设计中，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，使永磁电机在新的工作条件下运行。

3.不可逆退磁

如果设计或使用不当，永磁电机在温度过高或过低时，在冲击电流引起的电枢反应下，或者在剧烈的机械振动下，可能会产生不可逆的退磁或退磁，从而降低电机的性能，甚至使其无法使用。因此，有必要研究和开发适用于电机制造商的永磁材料热稳定性检查方法和装置，分析各种结构形式的抗退磁能力，从而采取相应措施，保证永磁电机在设计和制造过程中不会失磁。

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。由于目前稀土永磁仍然价格昂贵，稀土永磁电机的成本普遍高于电励磁电机，这需要通过其高性能和节省运行成本来补偿。例如，在某些场合，计算机磁盘驱动器的音圈电机具有改进的性能、减小的体积和质量以及降低的总成本。在设计中，要根据具体的使用场合和要求进行性能价格对比，创新结构技术，优化设计，降低成本。

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