永磁電機(jī)的應(yīng)用性能及相關(guān)注意事項(xiàng)

永磁電機(jī)的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)。我國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應(yīng)用于實(shí)踐的國(guó)家，兩千多年前，我國(guó)就利用永磁材料的磁特性制成了指南針，在航海、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，成為我國(guó)古代四大發(fā)明之一。

19世紀(jì)20年代出現(xiàn)的世界上第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。但當(dāng)時(shí)所用的永磁材料是天然磁鐵礦石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的電機(jī)體積龐大，不久被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。

隨著各種電機(jī)迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對(duì)永磁材料的機(jī)理、構(gòu)成和制造技術(shù)進(jìn)行了深入研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼（最大磁能積約2.7 kJ/m3）、鈷鋼（最大磁能積約7.2 kJ/m3）等多種永磁材料。特別是20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達(dá)85 kJ/m3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁（最大磁能積現(xiàn)可達(dá)40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機(jī)又紛紛使用永磁體勵(lì)磁。永磁電機(jī)的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)量急劇增加。相應(yīng)地，這段時(shí)期在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性進(jìn)展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36～160 kA/m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它們?cè)陔姍C(jī)中的應(yīng)用范圍。一直到20世紀(jì)60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問(wèn)世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的歷史時(shí)期。

永磁材料

電機(jī)磁鐵：電機(jī)中常用的永磁材料包括燒結(jié)磁體跟粘結(jié)磁體，主要種類有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷、釹鐵硼等。

鋁鎳鈷：鋁鎳鈷永磁材料是最早廣泛使用的一種永磁材料，其制備工藝和技術(shù)比較成熟。目前日本、美國(guó)、歐洲、俄羅斯、中國(guó)都有工廠生產(chǎn)。在大規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)當(dāng)中，杭州永磁的產(chǎn)量目前在國(guó)內(nèi)數(shù)第一，年產(chǎn)能力達(dá)3000噸。

永磁鐵氧體材料：進(jìn)入50年代，鐵氧體開(kāi)始蓬勃發(fā)展起來(lái)，尤其是70年代，在矯頑力、磁能機(jī)方面性能較好的鍶鐵氧體大量投入生產(chǎn)，迅速擴(kuò)大了永磁鐵氧體的用途。作為一款非金屬磁性材料，鐵氧體沒(méi)有金屬永磁材料易氧化、居里溫度低、成本高的弊端，因此大受歡迎。

釤鈷材料：20世紀(jì) 60年代中期興起的磁性能優(yōu)異的永磁材料，且性能非常穩(wěn)定。釤鈷從磁性能方面來(lái)說(shuō)特別適合于制造電機(jī)，但由于其價(jià)格昂貴，主要用于研究開(kāi)發(fā)航空、航天、武器等軍用電機(jī)和高性能而價(jià)格不是主要因素的高科技領(lǐng)域的電機(jī)中。

釹鐵硼材料：釹鐵硼磁性材料是釹，氧化鐵等的合金，又稱磁鋼。具有極高的磁能積和矯力，同時(shí)高能量密度的優(yōu)點(diǎn)使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用，從而使儀器儀表、電聲電機(jī)、磁選磁化等設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化成為可能。由于含有大量的釹和鐵，容易銹蝕。表面化學(xué)鈍化是目前很好的解決方法之一。

電機(jī)常用永磁材料抗腐蝕性能、最高工作溫度、加工性能、退磁曲線形狀、價(jià)格對(duì)比（圖）

磁鋼性能與電機(jī)性能的關(guān)系

1、剩磁的影響

對(duì)于直流電機(jī)，在同樣的繞組參數(shù)和測(cè)試條件下，剩磁越高，空載轉(zhuǎn)速越低、空載電流也越小；最大扭矩越大，最高效率點(diǎn)的效率越高。在實(shí)際的測(cè)試中，一般都是用空載轉(zhuǎn)速的高低和最大扭矩的大小判斷磁鋼的剩磁標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于同一繞組參數(shù)和電參數(shù)而言，之所以剩磁越高，空載轉(zhuǎn)速越低、空載電流越小，是因?yàn)檫\(yùn)行中的電機(jī)，以比較低的轉(zhuǎn)速，就產(chǎn)生了足夠的反向感生電壓，使得施加在繞組上的電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和減小。

2、矯頑力的影響

在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，始終存在著溫度和反向退磁場(chǎng)的影響。從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度上講，矯頑力越高，磁鋼的厚度方向可以越小，矯頑力越小，磁鋼的厚度方向越大。但是磁鋼的超過(guò)一定的矯頑力之后，是沒(méi)有用處的，因?yàn)殡姍C(jī)的其他元件也不可能穩(wěn)定地在那個(gè)溫度下的工作。矯頑力滿足需求即可，以在推薦的實(shí)驗(yàn)條件下滿足需要為標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有必要浪費(fèi)資源。

3、方形度的影響

方形度僅僅影響電機(jī)性能測(cè)試效率曲線的平直性，盡管目前還沒(méi)有把電機(jī)效率曲線的平直性列為重要的指標(biāo)性標(biāo)準(zhǔn)，但是，這對(duì)于輪轂電機(jī)在自然路況條件下的續(xù)行距離非常重要。因?yàn)槁窙r條件不同，電機(jī)不可能始終工作在最大效率點(diǎn)上，這就是為什么有的電機(jī)的最大效率并不高而續(xù)行距離反而遠(yuǎn)的原因之一。 一個(gè)好的輪轂電機(jī)，不僅最大效率應(yīng)當(dāng)高，而且效率曲線應(yīng)當(dāng)盡可能的水平，效率降低的斜率越小越好。隨著輪轂電機(jī)的市場(chǎng)、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的成熟，這將逐漸成為一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。

4、性能一致性的影響

剩磁不一致：即便是有個(gè)別性能特別高的也不好，由于各單向磁場(chǎng)區(qū)段的磁通的不一致，導(dǎo)致扭矩的不對(duì)稱而發(fā)生震動(dòng)。

矯頑力不一致：尤其是個(gè)別產(chǎn)品的矯頑力過(guò)低，容易產(chǎn)生反向退磁，導(dǎo)致各磁鋼的磁通不一致使電機(jī)震動(dòng)。這種影響對(duì)于無(wú)刷電機(jī)更顯著。

磁鋼的形狀和公差對(duì)電機(jī)性能的影響

1、磁鋼厚度的影響

在內(nèi)或外磁路圈固定的情況下，厚度增加時(shí)，氣隙減小，有效磁通增加，明顯的表現(xiàn)是同樣的剩磁下空載轉(zhuǎn)速降低，空載電流減小，電機(jī)的最大效率提高。但是，也有不利的方面，如電機(jī)的換向震動(dòng)增加，電機(jī)的效率曲線相對(duì)變陡。因此，電機(jī)磁鋼的厚度應(yīng)當(dāng)盡可能的一致，減小震動(dòng)。

2、磁鋼寬度的影響

對(duì)于密排分布的無(wú)刷電機(jī)磁鋼，總的累計(jì)間隙不能超過(guò)0.5毫米，過(guò)小會(huì)無(wú)法安裝，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電機(jī)震動(dòng)和效率降低，這是因?yàn)闇y(cè)量磁鋼位置的霍爾元件的位置和磁鋼的實(shí)際位置不對(duì)應(yīng)，而且必須保證寬度的一致性，否則電機(jī)的效率低、震動(dòng)大。

對(duì)于有刷電機(jī)，磁鋼之間都有一定的間隙，是留給機(jī)械換向過(guò)渡區(qū)的。雖然留有間隙，但大多廠家為了保證電機(jī)磁鋼的安裝位置準(zhǔn)確，都有嚴(yán)格的磁鋼安裝工序來(lái)保證安裝精度。如果磁鋼的寬度超出，會(huì)無(wú)法安裝；如果磁鋼寬度過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致磁鋼定位失準(zhǔn)，電機(jī)的震動(dòng)增加、效率降低。

3、磁鋼倒角大小和不倒角的影響

如果不倒角，則電機(jī)的磁場(chǎng)邊沿的磁場(chǎng)變化率大，造成電機(jī)的脈震，倒角越大，震動(dòng)越小。但是倒角一般對(duì)磁通有一定的損失，對(duì)于有些規(guī)格倒角到0.8時(shí)磁通損失0.5~1.5%。對(duì)于有刷電機(jī)剩磁偏低時(shí)，適當(dāng)減小倒角大小，有利于補(bǔ)償剩磁，但是電機(jī)的脈震增加。 一般而言，剩磁偏低的時(shí)候，可以適當(dāng)放大長(zhǎng)度方向的公差，這樣可以在一定程度上提高有效磁通，使電機(jī)的性能基本不變化。

永磁電機(jī)的相關(guān)注意事項(xiàng)

1 、磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算

為了充分發(fā)揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優(yōu)異磁性能，制造出性價(jià)比高的永磁電機(jī)，就不能簡(jiǎn)單套用傳統(tǒng)的永磁電機(jī)或電勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，必須建立新的設(shè)計(jì)概念，重新分析和改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法的不斷完善，經(jīng)過(guò)電機(jī)學(xué)術(shù)界和工程界的共同努力，現(xiàn)已在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面取得了突破性進(jìn)展，形成了以電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)軟件，并正在不斷完善中。

2、 控制問(wèn)題

永磁電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場(chǎng)，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場(chǎng)極為困難。永磁發(fā)電機(jī)難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，永磁直流電動(dòng)機(jī)不能再用改變勵(lì)磁的辦法來(lái)調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。這些使永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，大多數(shù)永磁電機(jī)在應(yīng)用中，可以不必進(jìn)行磁場(chǎng)控制而只進(jìn)行電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使永磁電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。

3、 不可逆退磁問(wèn)題

如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過(guò)高（釹鐵硼永磁）或過(guò)低（鐵氧體永磁）溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械震動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無(wú)法使用。因而，既要研究開(kāi)發(fā)適于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力，以便在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，采用相應(yīng)措施保證永磁電機(jī)不失磁。

4 、成本問(wèn)題

鐵氧體永磁電機(jī)，特別是微型永磁直流電動(dòng)機(jī)，由于結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價(jià)格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)高，這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來(lái)補(bǔ)償。在某些場(chǎng)合，例如計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的音圈電動(dòng)機(jī)，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(jì)時(shí)既需根據(jù)具體使用場(chǎng)合和要求，進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后決定取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低成本。

審核編輯：郭婷