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永磁电机的发展及在各个领域的应用

永磁电机采用永磁体生成电机的磁场,无需励磁线圈也无需励磁电流,效率高结构简单,是很好的节能电机,随着高性能永磁材料的问世和控制技术的迅速发展.永磁电机的应用将会变得更为广泛。


永磁电机的发展历史


永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。我国是世界上先发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家,两千多年前,我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针,在航海、军事等领域发挥了巨大的作用,成为我国古代四大发明之一。


19世纪20年代出现的世界上首台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是磁铁矿石(Fe3O4),磁能密度很低,用它制成的电机体积庞大,不久被电励磁电机所取代。


随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明,人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究,相继发现了碳钢、钨钢(磁能积约2.7 kJ/m3)、钴钢(磁能积约7.2 kJ/m3)等多种永磁材料。


特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁(磁能积可达85 kJ/m3)和50年代出现的铁氧体永磁(磁能积现可达40 kJ/m3),磁性能有了很大提高,各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦,大至几十千瓦,在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用,产量急剧增加。相应地,这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展,形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。


但是,铝镍钴永磁的矫顽力偏低(36~160 kA/m),铁氧体永磁的剩磁密度不高(0.2~0.44 T),克制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代,稀土钴永磁和钕铁硼永磁(二者统称稀土永磁)相继问世,它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机,从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。


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,特别是稀土永磁电机具有结构简单,运行可靠;体积小,质量轻;损耗小,效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样等显着优点。因而应用范围广泛,几乎遍及国防、工农业生产和日常生活的各个领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用场合。


稀土永磁发电机永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置,结构简单,减少了故障率。采用稀土永磁后还可以增加气隙磁密,并把电机转速提高到较高值,提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。国内研发的首台稀土永磁电机即为3 kW 20 000 r/min的永磁发电机。


永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机,80年代我国研制成功当时世界容量较大的40 kVA~160 kVA稀土永磁副励磁机,配备200 MW~600 MW汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。


目前,电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步推广。


成本问题


铁氧体永磁电机,特别是微型永磁直流电动机,由于结构工艺简单、质量减轻,总成本一般比电励磁电机低,因而得到了广泛的应用。由于稀土永磁目前费用还比较贵,稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高,这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。


在某些场合,例如计算机磁盘驱动器的音圈电动机,采用钕铁硼永磁后性能提高,体积质量显着减小,总成本反而降低。在设计时既需根据具体使用场合和要求,进行性能、费用的比较后决定取舍,又要进行结构工艺的创新和设计优化以降低成本。