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永磁電機(jī)如何俘獲現(xiàn)代科技？

發(fā)布時(shí)間：2023年12月1日 | 文章來源：電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用 | 瀏覽次數(shù)：2,271 | 訪問原文
一如既往，永磁電機(jī)作為磁電領(lǐng)域的翹楚，一直受到眾多能源科技愛好者們的關(guān)注。這種電機(jī)神奇的地方在于，它利用永磁體來生成磁場(chǎng)，既不需要?jiǎng)?lì)磁線圈也不需要?jiǎng)?lì)磁電流，功率密度高效率更是顯著，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。據(jù)悉，隨著高性能永磁材料的不斷問世以及控制技術(shù)的飛速發(fā)展，永磁電機(jī)的應(yīng)用將會(huì)變得更為廣泛，帶來更多更高效的節(jié)能變革，為我們的社會(huì)和生活帶來更多積極的影響。

電機(jī)（馬達(dá)）

永磁電機(jī)的發(fā)展歷史

在永磁電機(jī)的發(fā)展史上，永磁材料起著至關(guān)重要的作用。早在兩千多年前，我國(guó)就發(fā)現(xiàn)了永磁材料的磁特性，并將其應(yīng)用于指南針的制造中，在航海和軍事領(lǐng)域發(fā)揮了不可忽視的作用，這也成為了古代四大發(fā)明之一。然而，直到19世紀(jì)20年代，世界上第一臺(tái)電機(jī)才誕生，它是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。但當(dāng)時(shí)所用的永磁材料只是天然磁鐵礦石（Fe3O4），其磁能密度很低，因此制成的電機(jī)體積龐大，很快就被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。如今，隨著高性能永磁材料的問世和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，永磁電機(jī)重新煥發(fā)出它的生命力，將在各行各業(yè)發(fā)揮更為廣泛的作用，成為節(jié)能減排的佼佼者。
稀土釹鐵硼的核心產(chǎn)業(yè)電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)業(yè)的十年之旅！
隨著工業(yè)發(fā)展的需要和科技創(chuàng)新的推動(dòng)，人們對(duì)永磁材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。從古代的指南針到20世紀(jì)初的永磁電機(jī)，永磁材料一直伴隨著人類的發(fā)展歷程。然而，最初的永磁材料并不盡如人意，磁能密度低，限制了永磁電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。直到20世紀(jì)30年代，鋁鎳鈷永磁和50年代的鐵氧體永磁相繼問世，才在一定程度上解決了這個(gè)問題。但是它們的局限性仍然很大，無法滿足更高功率和更小尺寸的電機(jī)需求。直到60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁的出現(xiàn)，徹底改變了永磁電機(jī)的面貌。這兩種永磁材料具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線等卓越的磁性能，使得永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍得到了極大拓展。因此，我們可以說，稀土永磁的問世，標(biāo)志著永磁電機(jī)進(jìn)入了一個(gè)新的歷史時(shí)期，也預(yù)示著永磁電機(jī)的未來將更加廣闊。

永磁電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用

永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)，是電機(jī)領(lǐng)域的一股清流。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，而且還體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高，簡(jiǎn)直就是個(gè)全能型選手。這家伙的形狀和尺寸也非常靈活，讓人有種駕馭神器的感覺。因此，永磁電機(jī)在航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，甚至日常生活中都應(yīng)用廣泛，簡(jiǎn)直是個(gè)老少皆宜的全能型電機(jī)。
現(xiàn)在，讓我們來看看幾種典型永磁電機(jī)的主要特點(diǎn)及其主要應(yīng)用場(chǎng)合。首先，稀土永磁發(fā)電機(jī)是個(gè)不錯(cuò)的選擇，它與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不需要集電環(huán)和電刷裝置，這不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，還降低了故障率。更重要的是，采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，從而提高功率質(zhì)量比?，F(xiàn)代航空、航天用發(fā)電機(jī)幾乎都采用稀土永磁發(fā)電機(jī)，比如美國(guó)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(fā)電機(jī)。在國(guó)內(nèi)，第一臺(tái)稀土永磁電機(jī)就是3 kW 20 000 r/min的永磁發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)直是電機(jī)領(lǐng)域的一匹黑馬。
除了稀土永磁發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)還可以用作大型汽輪發(fā)電機(jī)的副勵(lì)磁機(jī)。在80年代，我國(guó)研制成功了當(dāng)時(shí)世界容量最大的40 kVA～160 kVA稀土永磁副勵(lì)磁機(jī)，配備200 MW～600 MW汽輪發(fā)電機(jī)后大大提高電站運(yùn)行的可靠性。此外，獨(dú)立電源用的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)小型發(fā)電機(jī)、車用永磁發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)的小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)也正在逐步推廣。
稀土永磁電機(jī)有著廣泛的應(yīng)用，從紡織化纖工業(yè)到煤礦運(yùn)輸機(jī)械，再到汽車領(lǐng)域，無處不在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約70%的車用稀土永磁電機(jī)，豪華轎車更是裝備了超過70套的電機(jī)。而在未來，空調(diào)、風(fēng)機(jī)和電動(dòng)車窗等汽車零部件也將使用馬達(dá)磁鐵，而點(diǎn)火線圈、驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器仍將使用Sm-Co燒結(jié)磁體。此外，稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展，比如在新的空調(diào)和冰箱的小功率稀土永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的支持，以及用于各種稀土永磁直流微電機(jī)的無線電動(dòng)小工具。
稀土永磁材料的優(yōu)勢(shì)在于它的高性能和廣泛應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在航空航天領(lǐng)域中具有重要的發(fā)展前景。盡管稀土永磁電機(jī)在空氣中的應(yīng)用程序也有所涉及，但它的主要應(yīng)用方向是新一代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，高成本仍是稀土永磁電機(jī)面臨的挑戰(zhàn)，而鐵氧體永磁電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，總成本比電勵(lì)磁電機(jī)低，所以得到了廣泛的應(yīng)用。但是，在某些特殊場(chǎng)合，如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器的音圈電動(dòng)機(jī)中，使用釹鐵硼永磁材料可以提高性能、降低體積和質(zhì)量，從而反而降低總成本。在設(shè)計(jì)和選擇電機(jī)時(shí)，要綜合考慮性能、價(jià)格和成本等因素，進(jìn)行創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

?永磁電機(jī)的種類和特點(diǎn)

眼下，永磁電機(jī)如稀土永磁電機(jī)已經(jīng)成為了電機(jī)領(lǐng)域里的“寵兒”。與傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)相比，它們有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高等諸多超棒的優(yōu)點(diǎn)。更棒的是，它們可以靈活多樣地塑造成各種形狀和尺寸，真是個(gè)性十足！相比之下，普通電機(jī)要保持磁場(chǎng)則需要電流通入，真是費(fèi)事！不過永磁電機(jī)可不只有一種，它們還有永磁直流電動(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)、調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)等五種常規(guī)的小伙伴，真是多才多藝。
永磁電機(jī)主要有以下特點(diǎn)：
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1.永磁直流電動(dòng)機(jī)
做工程師的小伙伴們，你們有沒有想過用一個(gè)更高效、更輕便、更結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)來替代老舊的勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)呢？沒錯(cuò)，我就是在說永磁直流電動(dòng)機(jī)！相比于老舊電動(dòng)機(jī)，永磁直流電動(dòng)機(jī)取消了復(fù)雜的勵(lì)磁繞組和磁極鐵心，而是采用了永磁磁極來產(chǎn)生磁場(chǎng)。這樣的電動(dòng)機(jī)不僅特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相似，而且還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。它可是工程師們心中的香餑餑?。?/section>
2.異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)
異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)！這個(gè)家伙不僅是永磁同步電動(dòng)機(jī)，而且還具有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，可以自己起動(dòng)哦！你可能會(huì)問，這個(gè)怎么實(shí)現(xiàn)的呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，它利用定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與籠型轉(zhuǎn)子相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)起動(dòng)。當(dāng)它正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子速度和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步，籠型轉(zhuǎn)子也就不再起作用了。這個(gè)家伙真的是絕了，不僅起動(dòng)好用，而且運(yùn)行時(shí)效率高，工作原理和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)還基本相同。不得不說，工程師們的智慧真是無窮無盡?。?/section>
與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)大不相同！它轉(zhuǎn)速恒定，功率因數(shù)高，甚至是超前功率因數(shù)，不僅減少了電阻損耗，還能有效降低風(fēng)扇摩擦和銅耗損耗，提高效率。而且，它還有一個(gè)廣闊的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，能夠在額定負(fù)載時(shí)和輕載時(shí)都保持高效和高功率因數(shù)。此外，永磁電機(jī)的體積和重量也要比感應(yīng)電機(jī)小得多，但它對(duì)電網(wǎng)的影響卻很小。當(dāng)然，它也有缺點(diǎn)，比如價(jià)格較高、不可逆退磁等問題，但這并不能掩蓋其眾多優(yōu)點(diǎn)。

3. 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，靠電子換向裝置實(shí)現(xiàn)了電刷換向器的取代，保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，同時(shí)具備直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好等特點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)，取消了電刷換向器，可靠性大大提高；同時(shí)，損耗主要由定子產(chǎn)生，散熱條件得到優(yōu)化，體積和重量也大大減少。由此可見，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)可謂集交、直流電動(dòng)機(jī)之大成，實(shí)現(xiàn)了“優(yōu)點(diǎn)合一”的完美境界。

4. 調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)

讓我們來聊聊調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)家伙長(zhǎng)得基本一樣，定子上都有多相繞組，轉(zhuǎn)子上都有永磁體，優(yōu)點(diǎn)也差不多?？墒撬鼈兊膮^(qū)別在哪里呢？其實(shí)就在于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息實(shí)現(xiàn)同步，而調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)需要一套電子控制系統(tǒng)才能做到同步和調(diào)速。嗯，看起來這個(gè)電子控制系統(tǒng)有點(diǎn)厲害啊。不過好處也不少，畢竟取消了那個(gè)換向器，可靠性大大提高了；而且定子產(chǎn)生的損耗主要是散熱問題，不像其他電機(jī)那樣那么討厭；最重要的是它的體積和重量都很小，簡(jiǎn)直就是個(gè)“小巧玲瓏”的家伙。

5. 永磁同步發(fā)電機(jī)

永磁同步發(fā)電機(jī)！它是一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的發(fā)電機(jī)，與其他同步發(fā)電機(jī)不同的是，它利用永磁體來建立磁場(chǎng)，完全不需要?jiǎng)?lì)磁繞組、勵(lì)磁電源、集電環(huán)和電刷等組件，簡(jiǎn)直是太方便了！不僅如此，永磁同步發(fā)電機(jī)還能穩(wěn)定高效地運(yùn)行，不需要進(jìn)行太多維護(hù)。如果采用稀土永磁材料，不僅氣隙磁密高，功率密度也很高，體積小，質(zhì)量輕，完美地滿足了現(xiàn)代人對(duì)小巧高效的需求。但是，由于它采用永磁體建立磁場(chǎng)，所以很難通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁的方法調(diào)節(jié)輸出電壓和無功功率。此外，永磁同步發(fā)電機(jī)通常使用釹鐵硼或鐵氧體永磁，永磁體的溫度系數(shù)較高，輸出電壓會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓偏離額定電壓。