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永磁电机------Permanentmagnetmotor

电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械，而永磁电机采用永磁体产生电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流。

permanentmagnetmotor———即用永磁体建立磁场的一种电机。

永磁电机的发展跟永磁材料的发展密切相关，下面我们先来了解一下永磁体。

什么是永磁体

永磁体也叫硬磁体，能够长期保持其磁性的磁体称永久磁体。如天然的磁石（磁铁矿）和人造磁体（铝镍钴合金）等。磁体中除永久磁体外，也有需通电才有磁性的电磁体。永磁体不易失磁，也不易被磁化。

钢或其他材料能成为永磁体，就是因为它们经过恰当地处理、加工后，内部存在的不均匀性处于最佳状态，矫顽力最大。铁的晶体结构、内应力等不均匀性很小，矫顽力自然很小，使它磁化或去磁都不需要很强的磁场，因此，它就不能变成永磁体。

通常把磁化和去磁都很容易的材料，称为“软”磁性材料。“软”磁性材料不能作永磁体，铁就属于这种材料。

永磁材料及其分类

permanentmagneticmaterial——永磁材料，具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料，又称硬磁材料。

从永磁材料的发展历史来看，十九世纪末使用的碳钢，磁能积（BH）max(衡量永磁体储存磁能密度的物理量)不足1MGOe(兆高奥)，而国外批量生产的Nd-Fe-B永磁材料，磁能积已达50MGOe以上。

这一个世纪以来，材料的剩磁Br提高甚小，能积的提高要归功于矫顽力Hc的提高。而矫顽力的提高，主要得益于对其本质的认识和高磁晶各向异性化合物的发现，以及制备技术的进步。

常用的永磁材料分为合金永磁材料和铁氧体永磁材料。中国近年发展不错的稀土永磁体就属于合金永磁材料制造。这些材料按生产工艺不同分为：烧结铁氧体、粘结铁氧体、注塑铁氧体，这三种工艺依据磁晶的取向不同又各分为等方性和异方性磁体。

铝镍钴材料在20世纪80年代以前使用较多。它具有优异的温度稳定性、时间稳定性和适用超高温使用环境条件等优点,在一些特殊用途如使用温度要求高、磁稳定性非常好的军用或仪器仪表等特殊使用环境的电机中才采用。

铁氧体材料属非金属永磁材料，价格低廉。它主要用于对使用性能及体积要求不高及量大面广的经济系列微电机产品中。如玩具电机、日用电器电机、音像电机、办公设备及通用仪表电机、汽车摩托车电机以及工业用的小功率驱动电机等。

粘结永磁材料是由粘结剂与永磁材料混合后压缩、注射或挤压成型等方法制成的一种复合型永磁材料,包括粘结铁氧体、粘结铝镍钴、粘结钐钴及粘结钕铁硼。其中粘结钕铁硼是目前最好的粘结永磁材料。

它与烧结永磁材料相比有机械加工性能好,成型容易,可制成各种复杂的形状,磁性能均匀一致性好以及容易进行多极充磁等优点。

但粘结永磁材料的磁性能低于同类型的烧结磁体，磁能积约为相同材料的烧结磁体的40%~70%。

在粘结永磁材料中，粘结钕铁硼的前景最好，粘结钕铁硼如果解决了工艺问题及提高质量后,将成为应用前景最广的永磁材料。它目前主要用于小型无刷直流电机及步进电机等精密微电机中。

衡量永磁材料的好坏，主要根据它的剩磁磁密Br、矫顽力Hc、最大磁能积（BH）max以及机械加工性能和稳定性等。其之间的换算关系如下：

↑永磁材料磁能积的进展

↑1，2——退磁曲线3，4——磁能积曲线

↑Hci大、内禀曲线矩形度高，稳定性高

永磁电机的分类及工作原理

永磁电机种类繁多，根据电机功能大致可以分为永磁发电机和永磁电动机两大类。

永磁发电机有轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电动势，通过接线端子引出，接在回路中，变产生了电流。永磁发电机只是将同步发电机的励磁绕组磁极换位永磁体罢了。

永磁电动机又可以分为永磁直流电动机和永磁交流电动机。而永磁交流电动机指的是带有永磁转子的多相同步电机，所以常被称作永磁同步电机；永磁直流电动机如果按照有无电刷、换向器来分，有可分为永磁有刷直流电机和永磁无刷直流电机。

永磁同步电机结构示意图

永磁直流电机结构示意图

永磁同步电机的工作原理与电励磁同步电机相同，差别就是永磁体代替励磁绕组进行励磁。

永磁同步电机结构示意

永磁同步电机转子上安装有永磁体磁极：

凸装式永磁转子

嵌入式永磁转子

（为了防止永磁体的磁通通过转轴短路，在转轴和转子铁芯间加装隔磁材料）

永磁电机的电气原理如下：

三相星形桥式主电路原理图

永磁电机运行状态示意如下：

定子和转子正视图

磁场和转子旋转图

磁场和转子旋转图

磁场和转子旋转图

永磁电机的发展

世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机，上文我们说过永磁电机发展其实就是伴随着永磁材料的发展。

十九世纪末使用的碳钢，这一个世纪以来，材料的剩磁Br提高甚小，能积的提高要归功于矫顽力Hc的提高。而矫顽力的提高，主要得益于对其本质的认识和高磁晶各向异性化合物的发现，以及制备技术的进步。

二十世纪初，人们主要使用碳钢、钨钢、铬钢和钴钢作永磁材料。

二十世纪三十年代末，AlNiCo永磁材料开发成功，才使永磁材料的大规模应用成为可能。

五十年代，钡铁氧体的出现，既降低了永磁体成本，又将永磁材料的应用范围拓宽到高频领域。

到六十年代，稀土钴永磁的出现，则为永磁体的应用开辟了一个新时代。

年，美国Dayton大学的Strnat等，用粉末粘结法成功地制成SmCo5永磁体，标志着稀土永磁时代的到来。迄今为止，稀土永磁已经历第一代SmCo5，第二代沉淀硬化型Sm2Co17，发展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。

当前稀土类永磁材料的产值已大大超过铁氧体永磁材料，稀土永磁材料的生产已发展成一大产业。

永磁电机的特点

永磁电机中最大功率已达到kW，最小直径φ0.8mm，最高转速r/min，最低转速0.01r/min。随着稀土永磁材料的发展，稀土永磁电机与电励磁电机相比，具有以下特点：

结构简单，可靠性高：

采用稀土永磁体可以明显减轻电机重量，缩小体积。例如10kW发电机，常规发电机重量为value=""unitname="kg"kg，而永磁发电机重量仅为value="92"unitname="kg"92kg，相当于常规发电机重量的45.8％。省去了励磁用的集电环和电刷，不但改善了电机的工艺性，而且电机运行的机械可靠性大为增强，寿命增加。

性能优异：

永磁电机与传统的电机相比，结构简单。采用稀土永磁铁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速调整到最佳值，提高功率质量比。现代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。

优异的控制性能：

由于稀土永磁材料的高性能而使电机的力矩常数、转矩惯量比、功率密度等大大提高。通过合理设计又能使转动惯量、电气及机械时间常数等指标大大降低，作为伺服控制性能的主要指标有了很大改善。

现代永磁电机中，永磁磁路的设计已较完善，加上稀土永磁材料的矫顽力高，因而永磁电机的抗电枢反应及其它去磁的能力大大加强，电机的控制参量随外部扰动影响大大减小。

由于用永磁材料取代了电励磁，减少了励磁绕组及励磁磁场的设计，因而减少了励磁磁通、励磁绕组电感、励磁电流等诸多参数，从而直接减少了可控变量或参量。

高效节能：

稀土永磁电机是一种高效节能产品，平均节电率高达10％以上，专用稀土永磁电机的节电率可高达15％～20％。美国GM公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，效率提高了45％。在水泵、风机、压缩机采用永磁电机及变频调速技术后可节电率30％以上。

稀土永磁电动机的基本结构是转子为永磁结构，产生气隙磁通，定子为电枢，有多相对称绕组，如下图所示。稀土无铁心无刷电机的出现是采用新材料、新工艺的结果。

电枢采用耐热性能优越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行；由于电枢无铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，消除了由齿槽效应带来的转矩波动，具有优异的控制性能；运行效率高、温升低、转速范围广；电机的电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载动行时，噪声及振动都很低。

安托山特种机电有限公司是专业生产高效节能稀土永磁无铁芯电机产品系列的高科技企业。目前，已投入3亿元建成3条无铁芯电机自动化生产线，4条自主创新的新型变频电机调速控制系统和高速贴片电子生产线。并规划在3~5年内建成40条自动生产线，实现日产40万台不同功率电机的生产规模。

稀土永磁无铁芯电机是一个重大创新，技术上实现了“三大”突破，一是与传统径向磁场结构设计相比，采用了轴向磁场结构设计，大幅度提高功率密度和转矩体积比。二是采用新型绕制工艺、高压精密压铸成型及高分子材料，有效降低绕组铜损。三是不使用硅钢片作为定、转子铁芯材料，消除了磁阻尼及铁损，降低了驱动功率，减少了铁损发热源。

永磁电机的未来展望

电机系统用电量约占全国用电量的60%，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。电机系统量大面广，节电潜力巨大。

据行业协会统计，全国现有各类电机系统总装机容量约7亿kW，运行效率普遍比国外先进水平低10~20个百分点，相当于每年浪费电能约亿kWh。

永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。

稀土永磁电机国内外应用现状：

(1)航天航空领域：美国已研制成驱动航天飞机升降副翼用的12.6kW，r/min

稀土永磁无刷直流电动机，效率为95%，仅重value="7.65"unitname="kg"7.65kg。

(2)船舶电力推进领域：高性能舰船一般均采用全电力推进系统。国外在电力推进系统中普遍采用永磁电机作为系统的推进电机。

如西门子、ABB和Alstom等都已形成产业。德国西门子已制成了由6相变频电源供电的kW、r/min的稀土永磁

同步电动机；俄罗斯最近也试制成功kW的大型稀土永磁同步电机。

(3)风机水泵行业：主要有油田电力驱动系统、发电厂和钢铁生产企业中，水泵和通风机等机械负载的应用数量最大。这也是永磁稀土电机推广应用主要场合。

我国在油井抽油机推广使用稀土永磁同步电机，已形成年产1万台以上的生产能力，在油田运行情况良好，取得了明显的技术经济效益。

(4)电梯行业：国外主要电梯制造商大都采用了永磁同步电动机驱动无齿轮曳引机，其效率可高达0.9以上，比交流异步电机+减速箱结构系统节能30%以上，国内三菱电梯、日立电梯和迅达电梯等均采用了该技术。

(5)空调行业：永磁同步电机及直流变频驱动技术是未来空调发展的主流，通过改变频率来调节压缩机功率，且电机在低频运转时的效率极高，是实现家电节能的最佳技术途径之一。目前，日本已掌握较先进的?正弦波控制及驱动技术，上海海立与中央研究院合作也已掌握此技术。

(6)风电行业：国内湘潭电机厂，已研制成功2台2MW直驱永磁同步风力发电机，已应用于内蒙古卓姿风电场。力德风电与国家稀土永磁电机工程技术研究中心已经设计完成2.0MW直驱永磁风力发电机。

目前，永磁电机正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展。作为21世纪具有广泛应用前景的产品，它的产业化程度还有待提高。

由于它所具备各种优良性能和特点，可以相信，在不久的未来，它会在各个领域得到广泛应用，会渗透到日常生活和工业生产地方方面面。随着国家对电机领域的重视和投资，永磁电机必将蓬勃发展！