永磁电机的介绍、分析与应用

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一、  永磁电机的发展及应用

永磁电机是由永磁体建立励磁磁场，从而实现机电能量转换的装置，它与电励磁同步电机一样以同步速旋转，亦称永磁同步电机。永磁同步电机，特别是稀土永磁同步电机与电励磁同步电机相比，具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点，且永磁电机的尺寸和结构形式灵活多样，可以拓扑出很多种结构形式。由于永磁电机取消了电励磁系统，从而提高了电机效率，使得电机结构简化，运行可靠。 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。早在1821年法拉第发明世界上第一台电机模型，他就利用了天然永磁磁铁建立磁场，给放在磁场中的导线通以直流电，导线能够绕着永磁磁铁不停旋转，这可以说是永磁电机的雏形。1831年法拉第在发现电磁感应现象之后不久，利用电磁感应原理发明了世界上第一台真正意义上的电机—法拉第圆盘发电机，其结构是将紫铜圆盘放置在蹄形永磁体的磁场中，圆盘的边缘和圆心处各与一个电刷紧贴，用导线把电刷和电流表连接起来，当转动圆盘中心处固定的摇柄时，电流表的指针偏向一边，电路中产生了持续的电流。同年夏天，亨利对法拉第的电机模型进行了改进，制成了一个简单的永磁振荡电动机模型。1832年斯特金发明了换向器，并对亨利的振荡电动机进行了改进，制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机。同年，法国人皮克希发明了一台永磁交流发电机。

以上电机均是采用永久磁铁建立磁场的，由于当时永久磁铁是用磁性能很低的天然磁铁矿石做成的，造成电机体积庞大、性能较差。1845年英国的惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，并于1857年发明了自励电励磁发电机，开创了电励磁方式的新纪元。由于电励磁方式能在电机中产生足够强的磁场，使电机体积小、重量轻、性能优良，在随后的70多年内，电励磁电机理论和技术得到了迅猛发展，而永磁励磁方式在电机中的应用则较少。20世纪中期，随着铝镍钻和铁氧体永磁材料的出现以及性能的不断提高，各种微型永磁电机不断出现，在工农业生产、日常生活、军事工业中都得到了应用。但铝镍钻和铁氧体永磁材料的磁能积较低，导致永磁电机性能低、体积大，限制了永磁电机的发展。1967年衫钻永磁材料的出现，开创了永磁电机发展的新纪元，杉钻永磁材料性能好、价格昂贵，各国研究开发的重点是航空航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。20世纪80年代末，西门子公司生产的用于舰船推进的6相、1.IMW、230r/min、45kN·m的低速大转矩永磁同步电动机，ABB公司生产的用于舰船推进的1.SMW永磁同步电动机和德国AEG研制的用于调速系统的3.SMw、4极永磁同步电动机是国外稀土钻永磁电机的代表。

983年磁性能更高而价格相对较低的钱铁硼永磁材料问世后，国内外研究开发的重点转移到工业和民用电机上。其中，高效钦铁硼永磁同步电动机在额定负载时的效率比同规格的感应式异步电动机可提高2%一8%，且它在25%~120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。

因此，近十年来在油田抽油机上得到了较多的应用，是中小型钦铁硼永磁同步电动机应用比较成功的例子。这类永磁电机通常在转子上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力，因而称为异步起动永磁同步电动机。对于100kw~1000kW的大功率同步电动机来说，异步起动永磁同步电动机省去了励磁柜，对比电励磁同步电动机不仅提高了效率、简化了结构，而且成本增加不多，因而成为它的又一重要应用场合，以8极110kw永磁电机为例，其效率达95%，功率因数为0.916，永磁体用量为0.15kg/kW。由变频器供电的无刷直流和调速永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后，在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都得到了广泛应用。另外，特殊结构的永磁电机，如盘式电机、无槽电机、无铁心电机、音圈电机(即驱动磁盘驱动器中读写磁头作往复运动的动圈式直线电动机)等在电动汽车、计算机、航天工程和要求精确定位控制的场合都得到了广泛应用。随着钦铁硼永磁材料耐高温性能的提高和价格的降低，钦铁硼永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面得到了更为广泛的应用，正向大功率化(高转速)、大转矩化、高功能化和微型化方向发展，目前最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机外径只有0.8mm，轴向长度只有1.2mm。

二、  永磁电机的分类

常规的旋转永磁同步电动机可以分为以下4类:永磁(有刷)直流电动机、异步起动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机和调速永磁同步电动机。永磁(有刷)直流电动机与普通直流电动机相比，结构上取消了励磁绕组和磁极铁心，代之以永磁磁极，具有结构简单、效率高、体积小、重量轻等特点。永磁(有刷)直流电动机多为微型电机，在电动玩具、家用电器、汽车电气中得到了广泛应用，其中尤以在汽车电气中的应用发展最快，在高级轿车中可使用几十台微型永磁(有刷)直流电动机。永磁无刷直流电动机和调速永磁同步电动机在结构上基本相同，定子电枢为多相绕组，转子上装有永磁体，两者间的主要区别在于前者是由方波电流驱动的永磁无刷电动机，而后者是由正弦波电流驱动的永磁无刷电动机，它们具有可靠性高、散热条件好、体积小、重量轻等优点。异步起动永磁同步电动机的特点是转子上有起动绕组或具有起动作用的整体铁心，能自起动，无需控制系统即可接入市电起动运行。调速永磁同步电动机的定子一般采用三相对称的分布式短距绕组，以得到接近正弦波的相电动势，并采用转子斜极或定子斜槽等措施来降低齿槽转矩、振动和噪声。调速永磁同步电动机的转子结构形式多样，主要有永磁体表面凸出式、表面插入式和内置式三种结构，如图l一1所示。在永磁体采用稀土永磁材料的情况下，由于该材料的相对回复磁导率接近于空气的磁一导率，因此图1 (a)所示转子结构的直轴磁阻与交轴磁阻近似相等，于是该结构的交、直轴电感近似相等，表现出隐极电机的特性。而另外两种结构的直轴磁阻大于交轴磁阻，因而直轴电感小于交轴电感，表现出凸极电机的特性。

三、  永磁材料的性能

永磁材料的主要性能参数

永磁材料是一种经外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而可以持续提供磁场的特殊材料，也称为硬磁材料。永磁材料的磁滞回线较宽，可用磁滞回线的第二象限部分描述永磁材料的特性，称为退磁曲线，如图2所示。

真空的磁导率；M为单位体积内磁矩的矢量和，

称为磁化强度(A/m)。可以看出，在永磁材料中B有两个分量，即与真空中一样的脚沂口磁化后产生的分量脚M，脚初称为内票磁感应强度，用Bi表示。由式(l)可推知，内票磁感应强度与磁感应强度之间满足如下关系式：

由上式决定的曲线Bi=f（H）同称为内察退磁曲线。 永磁材料有以下几项主要的性能参数： 

(l)剩磁密度、矫顽力和内票矫顽力从图1一3可以看出，当磁场强度H为零时，磁感应强度B不为零，而是一个较大的值，称为剩余磁感应强度(或剩磁密度)，用Br表示。当磁感应强度B为零时，H不为零而是Hc，Hc称为矫顽力。同理，使内察磁感应强度B，降低至零所需的磁场强度称为内票矫顽力，用Hcj表示。对于内票矫顽力较高的稀土永磁材料来说，Hc和凡有较大的差别，而凡更能表征材料保持磁化状态的能力。 

(2)表观剩磁当永磁体两端开路时，外磁路具有较大的磁阻，相当于对永磁体产生了一个退磁场，这个退磁场的方向与材料内的磁感应强度方向相反。此时，永磁体表现出来的磁感应强度不是B，而是退磁曲线上低于的某一点D所对应的磁感应强度，如图所示，称为表观剩磁BD。 

(3)最大磁能积永磁体通常是在去磁情况下工作的，退磁曲线上任何一点代表一个磁状态，该点B和H的乘积代表了该磁状态下永磁体所具有的磁场能量密度，称为磁能积。如图1一3所示，退磁曲线上存在一点d，该点的磁感应强度B、和磁场强度场的乘积有最大值，称为最大磁能积，用叨闭max表示。最大磁能积越大，永磁材料性能越好。从理论上讲，在进行磁路设计时，将永磁体的工作点设计在最大磁能积点时，可用最少的永磁体得到所需要的磁场。 

(4)回复磁导率当永磁体处于外加磁场中时，工作点为A点；当去掉外加磁场时，工作点不是沿着退磁曲线变化，而是到一个新的位置A，如图1一3所示。如果循环地改变外磁场，得到一个局部磁滞回线，由于其非常狭窄，故可用一条直线代替，称为回复线。回复线的斜率称为回复磁导率。

μrec与μ0的比值称为相对回复磁导率，用μr表示。若退磁曲线为直线，则回复线与退磁曲线重合。

(5)温度系数永磁体通常工作在电磁装置内，装置所处环境温度的变化和装置产生的热量使永磁体工作温度变化，对永磁体的性能有一定影响，其影响可用温度系数表示。在永磁体允许的工作范围内，其所处环境温度每变化1℃，剩余磁感应强度变化的百分比称为剩磁温度系数，矫顽力变化的百分比称为矫顽力温度系数，分别用αBr和αHc表示。温度系数表征了永磁材料的温度稳定性。 

(6)居里温度磁性材料并不是在任何温度下都具有磁性的，存在一个临界温度Tc。在临界温度以上时，由于原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的，材料不显示磁性;在临界温度以下时，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，材料表现出铁磁性。居里首先发现了这一现象，因而该临界温度被称为居里温度。 

(7)最高工作温度将规定尺寸的永磁材料样品加热到某一特定温度，保持100Oh，然后冷却到室温，其开路磁通不可逆损失小于5%的最高保温温度，称为永磁材料的最高工作温度。 

(8)退磁曲线的拐点铁氧体退磁曲线的上半部分为直线，NdFeB稀土永磁体的退磁曲线在室温下为直线，但温度升高到一定程度时都会出现弯曲。退磁曲线上明显发生弯曲的点称为拐点。如果永磁体工作点在拐点以下，会发生磁性能的不可逆损失。

四、 永磁材料的种类 

我国是世界上最早利用磁性材料的国家，早在公元前2500年就己经出现了关于天然磁石的知识，四大发明之一的指南针便是应用了天然磁铁的特性。但是，世界上对永磁材料进行的深入科学研究直到19世纪末20世纪初才开始，永磁材料的发展大致经历了四个阶段:第一阶段—基于碳钢的永磁材料、第二阶段一一铝镍钻永磁材料、第三阶段—铁氧体永磁材料、第四阶段—稀土永磁材料。永磁材料种类繁多，根据其制造方式和组成成为的不同，可将常见的永磁材料分类如下：

以下对主要的几种永磁材料做简要介绍：

(l)马氏体钢永磁材料是早期使用的永磁材料，包括碳钢、钨钢、铬钢、钻钢和铝钢，它是通过热处理将己经加工好的零件加热到高温，通过淬火使奥氏体转化为马氏体而得到的永磁材料。它的优点是塑性好，可进行冷加工和切削加工，原材料丰富，但矫顽力和磁能积较低，多用于对磁性能要求不高而注重生产成本的场合。

(2)铁镍钻基永磁材料包括铝镍型永磁、铝镍钻钦永磁和铝镍钻永磁，其中铝镍钻永磁材料应用较多。铝镍钻永磁材料有铸造和烧结两种生产工艺，铸造工艺可以加工不同尺寸和形状的永磁体，而烧结工艺仅限于加工小尺寸的永磁体，但其工艺简单，很适合大批量生产。铝镍钻的主要优点是温度系数非常低，一般为一0.02%/K，且工作温度范围可达一273~400℃，最高工作温度为520℃，居里温度达800℃以上。铝镍钻的剩磁密度较高，范围在0.53~1.35T之间，但矫顽力较低，一般只有50一160kA/m，因此对其进行充磁和去磁都很容易，新型的记忆电动机就是通过对铝镍钻材料不断地进行充磁和去磁来达到改变极性和调节磁通的目的。在实际应用中，铝镍钻永磁材料适合做成长棒形以尽可能地减小退磁。为充分发挥其磁性能，对铝镍钻构成的磁路必须进行整体饱和充磁，且在重新组装后还需再次整体饱和充磁，否则其磁性能将大大下降。铝镍钻永磁材料广泛应用于环境温度高或对永磁体温度稳定性要求严格的场合。 

(3)可加工永磁材料包括铁铬钻、铜镍铁、铜镍钻、铂钻、铁钻钒和锰铝碳等，它们力学性能好，能加工成各种带、片、板、线形状，且具有较高磁性能。铁铬钻永磁材料的磁性能与铝镍钻相当，最大磁能积为40一48kJ/m，矫顽力达159一207kA/m，最高使用温度可达400℃，机械韧性好;铜镍铁和铜镍钻具有较高的矫顽力，但剩磁密度和最大磁能积较低;铂钻磁性能较高，其剩磁密度可达0.72T，矫顽力可达4O0kA/m，居里温度为825℃，机械韧性好，但价格较高，主要应用于医疗和飞机航行记录仪；锰铝碳的矫顽力与铁氧体相当，剩磁温度系数为一0.02%/K，由于原料丰富因而价格便宜。 

(4)铁氧体永磁材料主要包括钡铁氧体和铭铁氧体两类。铁氧体的显著特点就是剩磁密度低、矫顽力高、相对回复磁导率小，其剩磁范围一般在0.2一0.44T之间，而矫顽力可达128~264kA了m，其抗去磁能力强，实际使用时适合做成扁平形状。铁氧体永磁材料的主要原料是金属氧化物，一般不受环境或化学物质影响，稳定性好，且原材料丰富而价廉，因此是一种应用较广泛的永磁材料，在永磁电机中也有较多应用。 

(5)稀土钻永磁材料主要有两类：一类是RCos(R代表稀土元素)，称为1:5稀土钻;另一类是凡Col7，称为2:17稀土钻。1:5系列的矫顽力比2:17系列高，而2:17系列的剩磁密度比1:5系列高，在退磁磁场较大的场合宜用1:5系列永磁体。稀土钻的剩磁密度一般为 0.85~1.15T，矫顽力可达80OkA/m，最大磁能积可达258.6kJ/m3，退磁曲线基本为一条直线。稀土钻的居里温度高，一般能达到710~800℃，剩磁温度系数为一(0.03一0.09)%/K，磁性能稳定性好，可在300℃高温下使用。此外，稀土钻具有很强的耐腐蚀和抗氧化能力，通常无需进行表面处理。虽然稀土钻的性能优异，但由于含有稀有的金属衫和战略金属钻，因此价格昂贵，限制了它的应用范围，主要应用于军事和航天等要求永磁体体积小、重量轻、磁性能高且稳定的场合。 

(6)钦铁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。其最大磁能积可达398kJ/m，为铁氧体永磁材料的5一12倍、铝镍钻永磁材料的3~10倍，剩磁密度最高可达1.47T，矫顽力最高可超过1000kA/m，能吸起相当于自身重量640倍的重物。但钦铁硼的居里温度低，仅为310~400℃，温度稳定性较差，其剩磁温度系数为一(0.095一0.15)%/K，矫顽力温度系数为一(0.4~0.7)%/K，一般最高工作温度为150℃，但目前己有能耐200℃高温的钱铁硼材料。钱铁硼在常温下的退磁曲线是一条直线，但在高温下其退磁曲线的下部会发生弯曲，若设计不当易发生不可逆退磁。钦铁硼材料内含有大量的钦和铁成分，易锈蚀，化学稳定性欠佳，一般需要对其表面做电镀处理，通常镀层厚度为10一40μm。由于钦铁硼材料中不含钻，且钦在稀土中的含量是衫的十几倍，因此钦铁硼的价格比稀土钻材料要低很多，近些年己广泛应用于永磁电机中，基本取代了铁氧体材料。

五、 结论

本文首先介绍了永磁电机的发展、应用，对从1821年开始以来永磁体的发展和永磁电机的应用场合及其发展方向进行了详细介绍；其次对永磁电机和其永磁材料的主要性能参数做了详细分析。最后对永磁材料的种类进行了概括性的介绍。

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