永磁電機采用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流，效率高結(jié)構(gòu)簡單，是很好的節(jié)能電機，隨著高性能永磁材料的問世和控制技術(shù)的迅速發(fā)展．永磁電機的應(yīng)用將會變得更為廣泛。

永磁電機的特點及應(yīng)用

       與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。因而應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。下面介紹幾種典型永磁電機的主要特點及其主要應(yīng)用場合。

       稀土永磁發(fā)電機永磁同步發(fā)電機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比不需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)簡單，減少了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉(zhuǎn)速提高到最佳值，提高功率質(zhì)量比。當代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。其典型產(chǎn)品為美國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。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機即為3 kW 20 000 r/min的永磁發(fā)電機。

永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機，80年代我國研制成功當時世界容量最大的40 kVA～160 kVA稀土永磁副勵磁機，配備200 MW～600 MW汽輪發(fā)電機后大大提高電站運行的可靠性。

       目前，獨立電源用的內(nèi)燃機驅(qū)動小型發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風輪直接驅(qū)動的小型永磁風力發(fā)電機正在逐步推廣。

永磁電機在各個應(yīng)用領(lǐng)域中的重要作用

1、節(jié)能稀土永磁電機以消費為主要對象，如紡織和化纖工業(yè)用稀土永磁同步電機，石油、采礦，稀土永磁同步電動機在煤礦運輸機械，稀土永磁同步電機驅(qū)動各種泵與風機。

2、各種稀土永磁電機被各種類型的車輛（汽車，摩托車，火車）使用，稀土永磁電機是zui大的市場。據(jù)統(tǒng)計，大約70%的車用稀土永磁電機。豪華轎車，為各種應(yīng)用的電機已達70多套。由于各種汽車電機的要求是不同的，永磁材料的選擇是不一樣的。馬達磁鐵用于空調(diào)、風機、電動車窗，從價格的角度考慮，未來將繼續(xù)鐵氧體的優(yōu)勢。點火線圈、驅(qū)動裝置、傳感器，仍然使用Sm-Co燒結(jié)磁體。此外，汽車零部件，也是電動汽車不可忽視的，作為一種環(huán)保型（EV）和混合動力電動汽車（HEV）。

3、稀土永磁電機交流伺服系統(tǒng)一套電子的、高性能的、速度控制系統(tǒng)的機電一體化機械。系統(tǒng)是一個自我控制的永磁同步電機主體。該系統(tǒng)用于數(shù)控機床的發(fā)展，柔性制造技術(shù)；也用于電動汽車，而不是傳統(tǒng)的熱動力車，車輛排放的自由。稀土永磁電機是一種很有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

4、新領(lǐng)域主要是為新的空調(diào)和冰箱的小功率稀土永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的支持，用于各種稀土永磁直流微電機的無線電動小工具，稀土永磁無刷直流電動機是功率不同的儀器。這種電機的需求也很大。

5、在航空航天應(yīng)用為優(yōu)勢的稀土永磁材料，使其在航空發(fā)動機應(yīng)用非常合適。雖然有稀土永磁電機在空氣中的一些應(yīng)用程序（如發(fā)電機電壓和短路保護等），但國內(nèi)外的專家一致認為，稀土永磁電機是新一代航空發(fā)動機的一個重要發(fā)展方向。

成本問題

       鐵氧體永磁電機，特別是微型永磁直流電動機，由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節(jié)省來補償。

在某些場合，例如計算機磁盤驅(qū)動器的音圈電動機，采用釹鐵硼永磁后性能提高，體積質(zhì)量顯著減小，總成本反而降低。在設(shè)計時既需根據(jù)具體使用場合和要求，進行性能、價格的比較后決定取舍，又要進行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計優(yōu)化以降低成本。

永磁電機的種類和特點

       與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高，以及電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點，因而應(yīng)用越來越廣。永磁電機采用永磁體作為磁場，不需要外界能量即可維持其磁場，而普通電機則需要電流通入才有磁場。

       常規(guī)永磁電機通常分為以下五類：永磁直流電動機、異步起動永磁同步電動機、永磁無刷直流電動機、調(diào)速永磁同步電動機和永磁同步發(fā)電機。

永磁電機主要有以下特點：

1. 永磁直流電動機

       永磁直流電動機與普通直流電動機結(jié)構(gòu)上的不同在于，前者取消了勵磁繞組和磁極鐵心，代之以永磁磁極。永磁直流電動機的特性與他勵直流電動機類似，兩者之間的區(qū)別在于主磁場產(chǎn)生的方式不同。前者磁場不可控，后者磁場可控。永磁直流電動機除了具有他勵直流電動機的良好特性外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高、體積小、質(zhì)量輕等特點。

2. 異步起動永磁同步電動機

       異步起動永磁同步電動機是具有自起動能力的永磁同步電動機，兼有感應(yīng)電動機和電勵磁同步電動機的特點。它依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場與籠型轉(zhuǎn)子相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)起動。正常運行時，轉(zhuǎn)子運行在同步速，籠型轉(zhuǎn)子不再起作用，其工作原理與電勵磁同步電動機基本相同。

異步起動永磁同步電動機與感應(yīng)電動機相比，有以下特點：

 （1）轉(zhuǎn)速恒定，為同步速。

 （2）功率因數(shù)高， 甚至為超前功率因數(shù)，從而減少定子電流和定子電阻損耗，而且穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進而可減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應(yīng)的風摩損耗，效率比同規(guī)格感應(yīng)電動機可提高 2% ～ 8% 。

（3）具有寬的經(jīng)濟運行范圍。不僅額定負載時有較高的功率因數(shù)和效率， 而且在25% ～ 120% 額定負載范圍內(nèi)都有較高的功率因數(shù)和效率，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電動機一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。

（4）永磁電機體積和質(zhì)量較感應(yīng)電機大大縮小。如 11kW 的異步電動機質(zhì)量為220kg，而永磁電動機僅為 92kg，相當于異步電動機質(zhì)量的 45. 8% 。

（5）對電網(wǎng)影響小。感應(yīng)電動機的功率因數(shù)低，電動機要從電網(wǎng)中吸收大量的無功電流，造成電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)下降，加重電網(wǎng)變配電設(shè)備的負擔和電能損耗。而永磁電動機轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵磁，電動機功率因數(shù)高，提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)，使電網(wǎng)中不再需要安裝無功補償裝置。

（6）由于通常采用釹鐵硼永磁材料，因此價格高；當電機設(shè)計或使用不當時，可能出現(xiàn)不可逆退磁。

（7） 加工工藝復(fù)雜，機械強度差。

（8） 電機性能受環(huán)境溫度、供電電壓等因素影響較大。

3. 永磁無刷直流電動機

       永磁無刷直流電動機用電子換向裝置代替直流電動機的換向器，保留了直流電動機的優(yōu)良特性。它既具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具有直流電動機起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好的優(yōu)點。由于取消了電刷換向器，因此可靠性高；損耗主要由定子產(chǎn)生，散熱條件好；體積小、質(zhì)量輕。

 4. 調(diào)速永磁同步電動機

       調(diào)速永磁同步電動機和永磁無刷直流電動機結(jié)構(gòu)上基本相同，定子上為多相繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁體，兩者優(yōu)點相似。它們的主要區(qū)別在于永磁無刷直流電動機根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息實現(xiàn)同步，而調(diào)速永磁同步電動機需一套電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)同步和調(diào)速。

5. 永磁同步發(fā)電機

       永磁同步發(fā)電機是一種結(jié)構(gòu)特殊的同步發(fā)電機，與普通同步發(fā)電機不同的是，它采用永磁體建立磁場，取消了勵磁繞組、勵磁電源、集電環(huán)和電刷等，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率高，免維護。采用稀土永磁時，氣隙磁密高，功率密度高，體積小，質(zhì)量輕。但由于采用了永磁體建立磁場，因此難以通過調(diào)節(jié)勵磁的方法調(diào)節(jié)輸出電壓和無功功率。另外，永磁同步發(fā)電機通常采用釹鐵硼或鐵氧體永磁，永磁體的溫度系數(shù)較高，輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化， 導(dǎo)致輸出電壓偏離額定電壓，且難以調(diào)節(jié)。

永磁電機的效率為什么會更高？

       永磁同步電機主要由定子、轉(zhuǎn)子和殼體部件構(gòu)成。與普通交流電機一樣，定子鐵芯為疊片結(jié)構(gòu)，以減小電動機運行時因渦流和磁滯效應(yīng)鐵耗；繞組通常也為三相對稱結(jié)構(gòu)，只是參數(shù)選取有較大區(qū)別。轉(zhuǎn)子部分則形式多樣，有帶啟動鼠籠的永磁轉(zhuǎn)子，也有內(nèi)嵌式或表貼式純永磁轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子鐵芯可以制成實心結(jié)構(gòu)，也可以疊片而成。轉(zhuǎn)子上裝有永磁體材料，大家習慣上稱之為磁鋼。

永磁電機正常工作下，轉(zhuǎn)子與定子磁場處于同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子部分沒有感應(yīng)電流，無轉(zhuǎn)子銅耗和磁滯、渦流損耗，不需要考慮轉(zhuǎn)子損耗發(fā)熱問題。一般永磁電機為專用變頻器供電，天然具有軟啟動功能。另外，永磁電機屬于同步電機，具有同步電機通過勵磁強弱調(diào)節(jié)功率因數(shù)的特點，因而功率因數(shù)可以設(shè)計到規(guī)定數(shù)值。

從起動角度分析，緣于永磁電機由變頻電源或配套變頻器起動的實際，永磁電機的起動過程實現(xiàn)很容易；與變頻電機的起動相似，規(guī)避了普通籠型異步電機的起動缺陷。

總之，永磁電機的效率和功率因數(shù)可以達到很高，結(jié)構(gòu)非常簡單，近十幾年來市場十分火爆。但是，失磁故障是永磁電機不可回避的問題，當電流過大或溫度過高時，會導(dǎo)致電機繞組溫度瞬間不斷攀升、電流急劇增大，永磁體迅速失磁。在永磁電機控制中，設(shè)定了過電流保護裝置，避免了電機定子繞組被燒毀的問題，但由此而導(dǎo)致的失磁和設(shè)備停運不可避免。

相對于其他電機，永磁電機在市場上的應(yīng)用還不是很普及，無論對于電機制造者還是使用者，都有一些未知的技術(shù)盲區(qū)，特別是涉及到與變頻器的匹配問題，往往會導(dǎo)致設(shè)計值與試驗數(shù)據(jù)嚴重不符，必須反復(fù)驗證。

電機設(shè)計過程涉及一些基本考慮因素，對于啟動器，應(yīng)用環(huán)境的要求，什么時候需要什么扭矩和速度，多久需要一次？什么是工作循環(huán)？溫度和壓力等環(huán)境條件是什么？即使是最高效的電機，如果電機應(yīng)用錯誤的領(lǐng)域，其不會發(fā)揮最大的效率。許多電動機都用于齒輪電動機、齒輪減速器和電動機的組合。齒輪馬達以低速提供高扭矩，簡言之，齒輪電機在放大扭矩的同時，會吸收電機功率并降低轉(zhuǎn)速，齒輪電機占空比會影響電機的性能額定值，例如連續(xù)的占空比。

最佳冷卻設(shè)計外殼

一個冷卻較好的馬達運轉(zhuǎn)效率更高，為了獲得最佳的氣流，優(yōu)化了冷卻風扇和風扇罩的設(shè)計，確保定子和電機外殼之間的緊密結(jié)合提供最佳的冷卻性能。電機的電效率提高了很多，但冷卻風扇的功率占總損耗的比例更大。冷卻風扇尺寸的優(yōu)化包括使用風扇的最小功率，同時提供足夠的冷卻。優(yōu)化的風扇設(shè)計可使風扇功率需求降低65%，一個重要的設(shè)計特點是葉片和殼體之間的間隙。外殼和風扇葉片之間的空間應(yīng)盡可能小，以防止湍流和減少回流。

選擇適合工作速度的低摩擦軸承

       滾珠或滾柱軸承用于高效電機，它們由一個內(nèi)外圈和一個包含鋼或陶瓷輥或球的保持架組成。外圈與定子相連，內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子相連。當軸旋轉(zhuǎn)時，元件也旋轉(zhuǎn)，并且軸旋轉(zhuǎn)的摩擦力最小化。它們使用壽命長，維護成本低。高精度應(yīng)用允許最小的氣隙。熱收縮和熱膨脹會影響軸和軸承座的配合以及內(nèi)部軸承間隙本隙 。功率輸出控制軸尺寸和軸承孔。載荷大小和方向決定軸承尺寸和類型?？紤]額外的力，如引起磁力拉力的不對稱氣隙、失衡力、齒輪的節(jié)距誤差和推力載荷。對于軸承載荷計算，將軸視為支撐在剛性無力矩支架上的梁。滾珠軸承比滾子軸承更適合高速應(yīng)用。高速因素包括保持架設(shè)計、潤滑劑、運行精度、間隙、共振頻率和平衡。

       軸承需要最小的負載，因此滾動元件旋轉(zhuǎn)形成潤滑膜而不是滑動，這會提高工作溫度并降解潤滑油。允許最小載荷等于滾珠軸承動態(tài)徑向載荷額定值的0.01倍。當軸承接近推薦額定值的70%時，這一點尤為重要。了解環(huán)境溫度范圍和正常工作溫度范圍將有助于確定軸承最有效的潤滑方法：潤滑油或潤滑脂，一般情況下考慮的齒輪電機的正常工作溫度范圍為-25至40°C。合成潤滑脂在各種溫度范圍內(nèi)具有良好的性能，潤滑脂可以簡化維護、清潔、減少泄漏和污染保護。

使用高質(zhì)量的平衡機，高標準和電機運行速度下的平衡

       當軸心與旋轉(zhuǎn)軸不共存時，會產(chǎn)生噪聲和振動，平衡對效率的影響有限，但會影響運行噪音和預(yù)期壽命，這對最大限度地利用資源也很重要。軸承振動讀數(shù)通常在垂直、水平和軸向三個平面上讀取。垂直振動可能表明存在安裝問題，水平振動可能意味著平衡問題，而軸向振動可能意味著軸承問題。工作轉(zhuǎn)速下的平衡很重要，因為軸承的向心力也可能導(dǎo)致不平衡。

轉(zhuǎn)子疊片顯示正弦磁場的優(yōu)化設(shè)計

       具有高性能永磁的同步電機具有正弦磁通分布和電動勢，對于分布式繞組，定子繞組通常與異步電機繞組相同，它降低了振動、噪音和維護成本，提高了整體性能。

稀土與鐵氧體（陶瓷）磁體的選擇

       電機中使用了釹、稀土、釤鈷磁鐵或鐵氧體（陶瓷）磁鐵，稀土磁鐵的強度是鐵氧體或陶瓷永磁體的兩到三倍，但價格較貴。釤鈷磁鐵是高溫應(yīng)用的最佳選擇，因為它們具有高能量密度、250至550°C的耐溫性、溫度升高導(dǎo)致的參數(shù)小幅度降低以及氧化保護，選擇釤鈷或釹作為電機磁鐵是根據(jù)工作溫度、耐腐蝕性和要求的性能。如果加熱到80℃以上，低等級的釹磁鐵可能開始失去“強度”，高等級的釹磁鐵在220℃以下的溫度下工作。鐵氧體或陶瓷磁鐵由于其很強的電阻而得到廣泛的認可，退磁性好，耐腐蝕性強，價格低廉。在250°C以上的溫度下工作時會發(fā)生磁損耗，但當磁鐵降到較低的溫度時會恢復(fù)磁損耗。除非電路設(shè)計用于極端情況，否則-40°C的低溫可能會導(dǎo)致永磁強度的永久損失。

電機需要逆變器

       逆變器驅(qū)動單元在空載運行/靜止狀態(tài)下可以無損耗，通過替換現(xiàn)有的線路供電的三相驅(qū)動裝置，預(yù)計可以節(jié)省高達30%的能源。驅(qū)動裝置的特點使其非常適合驅(qū)動連續(xù)運行的泵和風扇。不需要額外的組件，比如編碼器。高達25%的占地面積允許機器設(shè)計更緊湊。電機具有良好的控制性能，并與無傳感器驅(qū)動控制器單元相結(jié)合，即使在低速下也具有出色的真實運行性能，在脈沖負載和速度變化時具有令人印象深刻的動態(tài)特性。

選擇能夠提供無傳感器操作的逆變器

       驅(qū)動器可以“自我檢測”并跟蹤轉(zhuǎn)子的永磁位置。這對于電機平穩(wěn)啟動至關(guān)重要，同時也允許產(chǎn)生最佳扭矩，從而獲得最佳效率。缺少位置或速度傳感器降低了成本，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。隨著效率的不斷提高，對特定電機的控制器設(shè)置進行編程以獲得最佳效率的重要性越來越重要。

永磁電機的缺點辨析

       永磁電機（PMM）通過定子電流與轉(zhuǎn)子上或轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。小型低功耗電機用于IT設(shè)備，商用機器和汽車輔助設(shè)備中的表面轉(zhuǎn)子磁體是常見的。內(nèi)部磁體（IPM）在電動車輛和工業(yè)電機等大型機器中很常見。在永磁電機中，如果不考慮轉(zhuǎn)矩脈動，則定子可能使用集中（短節(jié)距）繞組，但在較大的永磁電機中分布繞組是常見的。由于永磁電機沒有機械換向器，所以逆變器對于控制繞組電流至關(guān)重要。與其他類型的無刷電機不同，永磁電機不需要電流來支持其磁場。

       因此，如果體積小或重量輕，永磁電機可以提供最大的扭矩，并且可能是最好的選擇。無磁化電流也意味著在“最佳點”負載下效率更高 - 即電機性能最佳的地方。

       此外，盡管永磁體在低速時帶來了性能優(yōu)勢，但它們也是技術(shù)上的“致命弱點”。例如，隨著永磁電機速度的增加，反電動勢接近逆變器電源電壓，從而無法控制繞組電流。這定義了通用永磁電機的基本速度，并且在表面磁體設(shè)計中通常代表給定電源電壓的最大可能速度。

       在大于基本速度的速度下，IPM使用主動磁場弱化，其中操縱定子電流故意壓低磁通量?？梢钥煽繉嵤┑乃俣确秶拗圃?：1左右。和以前一樣，這個限制可以通過減少繞組匝數(shù)和接受更大的成本和逆變器中的功率損耗來實現(xiàn)。

       磁場弱化的需要是速度相關(guān)的，并且不管扭矩如何都會產(chǎn)生相關(guān)的損失。這會降低高速下的效率，特別是在輕負載下。

       其他缺點包括由于其固有的反電動勢在故障條件下難以管理的事實。即使變頻器斷開，只要電機旋轉(zhuǎn)，電流就會持續(xù)流過繞組故障，從而導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩和過熱，并且都是危險的。

       除了那些裝有釤鈷磁體的永磁電機外，操作溫度是另一個重要的限制。而由于逆變器故障而產(chǎn)生的高電動機電流會導(dǎo)致退磁。最大速度受機械磁鐵保持力的限制。如果永磁電機損壞，修理它通常需要返回到工廠，因為安全地提取和處理轉(zhuǎn)子是困難的。最后，報廢時的回收也很麻煩，盡管當前稀土材料的高價值可能會使這種材料更具經(jīng)濟可行性。

       盡管存在這些缺點，永磁電機仍然在低速和甜點效率方面保持無與倫比的地位，而且在尺寸和重量至關(guān)重要的情況下，它們都非常有用。