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    永磁電機(jī)是由永磁體建立勵(lì)磁磁場，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，它與電勵(lì)磁同步電機(jī)一樣以同步速旋轉(zhuǎn)，亦稱永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)，特別是稀土永磁同步電機(jī)與電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等特點(diǎn)，且永磁電機(jī)的尺寸和結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可以拓?fù)涑龊芏喾N結(jié)構(gòu)形式。由于永磁電機(jī)取消了電勵(lì)磁系統(tǒng)，從而提高了電機(jī)效率，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)簡化，運(yùn)行可靠。 

    永磁電機(jī)的發(fā)展是與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)的。早在1821年法拉第發(fā)明電機(jī)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(dǎo)線通以直流電，導(dǎo)線能夠繞著永磁磁鐵不停旋轉(zhuǎn)，這可以說是永磁電機(jī)的雛形。1831年法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后不久，利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了電機(jī)—法拉第圓盤發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)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(gè)電刷緊貼，用導(dǎo)線把電刷和電流表連接起來，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤中心處固定的搖柄時(shí)，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(jī)模型進(jìn)行了改進(jìn)，制成了一個(gè)簡單的永磁振蕩電動(dòng)機(jī)模型。1832年斯特金發(fā)明了換向器，并對亨利的振蕩電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，制作了能產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。同年，法國人皮克希發(fā)明了一臺永磁交流發(fā)電機(jī)。

    以上電機(jī)均是采用磁鐵建立磁場的，由于當(dāng)時(shí)磁鐵是用磁性能很低的天然磁鐵礦石做成的，造成電機(jī)體積龐大、性能較差。1845年英國的惠斯通用電磁鐵代替磁鐵，并于1857年發(fā)明了自勵(lì)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，開創(chuàng)了電勵(lì)磁方式的新紀(jì)元。由于電勵(lì)磁方式能在電機(jī)中產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場，使電機(jī)體積小、重量輕、性能優(yōu)良，在隨后的70多年內(nèi)，電勵(lì)磁電機(jī)理論和技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，而永磁勵(lì)磁方式在電機(jī)中的應(yīng)用則較少。20世紀(jì)中期，隨著鋁鎳鈷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(jī)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(yīng)用。但鋁鎳鉆和鐵氧體永磁材料的磁能積較低，導(dǎo)致永磁電機(jī)性能低、體積大，限制了永磁電機(jī)的發(fā)展。1967年釤鈷永磁材料的出現(xiàn)，開創(chuàng)了永磁電機(jī)發(fā)展的新紀(jì)元，杉鉆永磁材料性能好、價(jià)格昂貴，各國研究開發(fā)的重點(diǎn)是航空航天用電機(jī)和要求高性能而價(jià)格不是主要因素的高科技領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代末，西門子公司生產(chǎn)的用于艦船推進(jìn)的6相、1.IMW、230r/min、45kN·m的低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)，ABB公司生產(chǎn)的用于艦船推進(jìn)的1.SMW永磁同步電動(dòng)機(jī)和德國AEG研制的用于調(diào)速系統(tǒng)的3.SMW、4極永磁同步電動(dòng)機(jī)是國外稀土鈷永磁電機(jī)的代表。

    1983年磁性能更高而價(jià)格相對較低的釹鐵硼永磁材料問世后，國內(nèi)外研究開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用電機(jī)上。其中，釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的效率比同規(guī)格的感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)可提高2%一8%，且它在25%~120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。
       
    因此，近十年來在油田抽油機(jī)上得到了較多的應(yīng)用，是中小型釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用比較成功的例子。這類永磁電機(jī)通常在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動(dòng)繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)的能力，因而稱為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。對于100kW~1000kW的大功率同步電動(dòng)機(jī)來說，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)省去了勵(lì)磁柜，對比電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)不僅提高了效率、簡化了結(jié)構(gòu)，而且成本增加不多，因而成為它的又一重要應(yīng)用場合，以8極110Kw永磁電機(jī)為例，其效率達(dá)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(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)加上轉(zhuǎn)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(jī)床、機(jī)器人、電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器等方面都得到了廣泛應(yīng)用。另外，特殊結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，如盤式電機(jī)、無槽電機(jī)、無鐵心電機(jī)、音圈電機(jī)(即驅(qū)動(dòng)磁盤驅(qū)動(dòng)器中讀寫磁頭作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)圈式直線電動(dòng)機(jī))等在電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)、航天工程和要求正確的定位控制的場合都得到了廣泛應(yīng)用。隨著釹鐵硼永磁材料耐高溫性能的提高和價(jià)格的降低，釹鐵硼永磁電機(jī)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(yīng)用，正向大功率化(高轉(zhuǎn)速)、大轉(zhuǎn)矩化、高功能化和微型化方向發(fā)展，目前高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min，低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min，小電機(jī)外徑只有0.8mm，軸向長度只有1.2mm。


    常規(guī)的旋轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)可以分為以下4類:永磁(有刷)直流電動(dòng)機(jī)、異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁(有刷)直流電動(dòng)機(jī)與普通直流電動(dòng)機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上取消了勵(lì)磁繞組和磁極鐵心，代之以永磁磁極，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小、重量輕等特點(diǎn)。永磁(有刷)直流電動(dòng)機(jī)多為微型電機(jī)，在電動(dòng)玩具、家用電器、汽車電氣中得到了廣泛應(yīng)用，其中尤以在汽車電氣中的應(yīng)用發(fā)展快，在轎車中可使用幾十臺微型永磁(有刷)直流電動(dòng)機(jī)。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上基本相同，定子電樞為多相繞組，轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)的永磁無刷電動(dòng)機(jī)，而后者是由正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁無刷電動(dòng)機(jī)，它們具有可靠性高、散熱條件好、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上有起動(dòng)繞組或具有起動(dòng)作用的整體鐵心，能自起動(dòng)，無需控制系統(tǒng)即可接入市電起動(dòng)運(yùn)行。調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)勢，并采用轉(zhuǎn)子斜極或定子斜槽等措施來降低齒槽轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)和噪聲。調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(fù)磁導(dǎo)率接近于空氣的磁一導(dǎo)率，因此圖1 (a)所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直軸磁阻與交軸磁阻近似相等，于是該結(jié)構(gòu)的交、直軸電感近似相等，表現(xiàn)出隱極電機(jī)的特性。而另外兩種結(jié)構(gòu)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(jī)的特性。

    我國是世界上較早利用磁性材料的地區(qū)，早在公元前2500年就己經(jīng)出現(xiàn)了關(guān)于天然磁石的知識，四大發(fā)明之一的指南針便是應(yīng)用了天然磁鐵的特性。但是，世界上對永磁材料進(jìn)行的深入科學(xué)研究直到19世紀(jì)末20世紀(jì)初才開始，永磁材料的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段:一階段—基于碳鋼的永磁材料、二階段一一鋁鎳鉆永磁材料、三階段—鐵氧體永磁材料、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：

        

    (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(zhuǎn)化為馬氏體而得到的永磁材料。它的優(yōu)點(diǎn)是塑性好，可進(jìn)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)鐵鎳鈷基永磁材料包括鋁鎳型永磁、鋁鎳鈷鐵永磁和鋁鎳鈷永磁，其中鋁鎳鈷永磁材料應(yīng)用較多。鋁鎳鈷永磁材料有鑄造和燒結(jié)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(jié)工藝針對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)。鋁鎳鈷的主要優(yōu)點(diǎn)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(dá)一273~400℃，工作溫度為520℃，居里溫度達(dá)800℃以上。鋁鎳鈷的剩磁密度較高，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(jìn)行充磁和去磁都很容易，新型的記憶電動(dòng)機(jī)就是通過對鋁鎳鈷材料不斷地進(jìn)行充磁和去磁來達(dá)到改變極性和調(diào)節(jié)磁通的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，鋁鎳鈷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，對鋁鎳鈷構(gòu)成的磁路須進(jìn)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。鋁鎳鈷永磁材料廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度高或?qū)τ来朋w溫度穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的場合。 
       
    (3)可加工永磁材料包括鐵鉻鉆、銅鎳鐵、銅鎳鈷、鉑鈷、鐵鈷釩和錳鋁碳等，它們力學(xué)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鈷相當(dāng)，磁能積為40一48kJ/m，矯頑力達(dá)159一207kA/m，使用溫度可達(dá)400℃，機(jī)械韌性好;銅鎳鐵和銅鎳鈷具有較高的矯頑力，但剩磁密度和磁能積較低;鉑鈷磁性能較高，其剩磁密度可達(dá)0.72T，矯頑力可達(dá)4O0kA/m，居里溫度為825℃，機(jī)械韌性好，但價(jià)格較高，主要應(yīng)用于醫(yī)療和飛機(jī)航行記錄儀；錳鋁碳的矯頑力與鐵氧體相當(dāng)，剩磁溫度系數(shù)為一0.02%/K，由于原料豐富因而價(jià)格便宜。 
       
    (4)鐵氧體永磁材料主要包括鋇鐵氧體和鉻鐵氧體兩類。鐵氧體的顯著特點(diǎn)就是剩磁密度低、矯頑力高、相對回復(fù)磁導(dǎo)率小，其剩磁范圍一般在0.2一0.44T之間，而矯頑力可達(dá)128~264kA了m，其耐去磁能力強(qiáng)，實(shí)際使用時(shí)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(xué)物質(zhì)影響，穩(wěn)定性好，且原材料豐富而價(jià)廉，因此是一種應(yīng)用較廣泛的永磁材料，在永磁電機(jī)中也有較多應(yīng)用。 
       
    (5)稀土鈷永磁材料主要有兩類：一類是RCos(R代表稀土元素)，稱為1:5稀土鈷;另一類是凡Col7，稱為2:17稀土鈷。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(dá)80OkA/m，磁能積可達(dá)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(dá)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，稀土鈷具有很強(qiáng)的耐腐蝕和耐氧化能力，通常無需進(jìn)行表面處理。雖然稀土鈷的性能好，但由于含有稀有的金屬衫和戰(zhàn)略金屬鈷，因此價(jià)格昂貴，限制了它的應(yīng)用范圍，主要應(yīng)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)釹鐵硼永磁材料是目前磁性能好的永磁材料，它的主要成分是Nd2Fe14B。其磁能積可達(dá)398kJ/m，為鐵氧體永磁材料的5一12倍、鋁鎳鈷永磁材料的3~10倍，剩磁密度高可達(dá)1.47T，矯頑力高可超過1000kA/m，能吸起相當(dāng)于自身重量640倍的重物。但釹鐵硼的居里溫度低，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，一般較高工作溫度為150℃，但目前己有能耐200℃高溫的釹鐵硼材料。釹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(shè)計(jì)不當(dāng)易發(fā)生不可逆退磁。釹鐵硼材料內(nèi)含有大量的釹和鐵成分，易銹蝕，化學(xué)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。由于釹鐵硼材料中不含鈷，且釹在稀土中的含量是釤的十幾倍，因此釹鐵硼的價(jià)格比稀土鉆材料要低很多，近些年己廣泛應(yīng)用于永磁電機(jī)中，基本取代了鐵氧體材料。


    本文先介紹了永磁電機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用，對從1821年開始以來永磁體的發(fā)展和永磁電機(jī)的應(yīng)用場合及其發(fā)展方向進(jìn)行了詳細(xì)介紹；其次對永磁電機(jī)和其永磁材料的主要性能參數(shù)做了詳細(xì)分析。對永磁材料的種類進(jìn)行了概括性的介紹。