永磁電機的性能特點

永磁電機中大功率已達到 1000kW，小直徑φ0.8mm，高轉(zhuǎn)速 300000r/min，低轉(zhuǎn)速 0.01r/min。永磁電機與電勵磁電機相比，具有以下特點：

1、結(jié)構(gòu)簡單, 可靠性高

用永磁材料勵磁，可將原電勵磁電機中勵磁用的極靴及勵磁線圈由一塊或多塊永磁體替代，零部件大量減少，在結(jié)構(gòu)上大大簡化。同時由于省去了勵磁用的集電環(huán)和電刷，不但改善了電機的工藝性，而且電機運行的機械可靠性大為增強，壽命增加。

2、性能優(yōu)異

永磁電機，特別是采用稀土永磁材料的電機，氣隙磁密可大大提高，電機指標可實現(xiàn)很好的設(shè)計，其直接效果就是電機體積縮小,重量減輕。不僅如此，較其它電機而言，永磁電機還具有非常優(yōu)異的控制性能。這是因為：其一，由于稀土永磁材料的高性能而使電機的力矩常數(shù)、轉(zhuǎn)矩慣量比、功率密度等大大提高。通過合理設(shè)計又能使轉(zhuǎn)動慣量、電氣及機械時間常數(shù)等指標大大降低，作為伺服控制性能的主要指標有了很大改善。其二，現(xiàn)代永磁電機中，永磁磁路的設(shè)計已較完善，加上稀土永磁材料的矯頑力高，因而永磁電機的抗電樞反應(yīng)及其它去磁的能力大大加強，電機的控制參量隨外部擾動影響大大減小。其三，由于用永磁材料取代了電勵磁，減少了勵磁繞組及勵磁磁場的設(shè)計，因而減少了勵磁磁通、勵磁繞組電感、勵磁電流等諸多參數(shù)，從而直接減少了可控變量或參量。綜合以上各因素可以說永磁電機具有優(yōu)異的可控性。

例如，目前全數(shù)字永磁交流伺服電動機調(diào)速性能非常優(yōu)異，正弦波交流伺服電機的調(diào)速比高可達 1：100000。步進電機和低速同步電機在采用永磁材料后，其輸出轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應(yīng)特性等都有明顯的改進和提高。因而與同規(guī)格電機相比，永磁電機的動態(tài)性能指標、穩(wěn)態(tài)性能指標、控制性能指標以及可靠性指標等都比普通電機有較大的提高。

3、高效節(jié)能

永磁電機不但可減小電阻損耗，還能有效地提高功率因素。如永磁同步電機可在 25％~120％額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因素。300W微 電 機 專 題2006 年第 7 期 16以內(nèi)的微型永磁直流電機比同規(guī)格的電勵磁電機效率高 10％ ~ 20％。大量使用的風機和泵類負載的電機改為永磁電機后，綜合節(jié)能效果十分顯著, 功率越大，勵磁損耗占總損耗比例越大，因而永磁電機效率高的優(yōu)點越突出。

永磁電機設(shè)計中應(yīng)深入研究的問題

1、永磁材料利用率

永磁電機中，永磁材料成本占電機總成本的比例較大，因此如何節(jié)省材料，提高材料利用率是永磁電機生產(chǎn)廠家關(guān)心的問題之一。理論上講，永磁體的大磁能積點表示磁體能對外提供的能量大，且從去磁曲線上也能求得該大工作點。但實際應(yīng)用中絕非如此簡單. 要具體研究電機的使用場合，分析電機應(yīng)完成的預(yù)定功能，找出其對應(yīng)的重點指標，以此來決定電機工作點選擇的很好位置，并合理確定永磁體的形狀及體積，同時還須考慮其加工工藝的影響。在綜合考慮各種因素后達到電機在功能、性能、成本等各方面的很好設(shè)計。

2、過載與退磁

磁性材料的退磁包括溫度退磁、時間退磁和環(huán)境退磁等。又分可逆退磁和不可逆退磁兩類。深入研究永磁材料矯頑力和內(nèi)稟矯頑力與穩(wěn)定工作溫度的關(guān)系；溫度系數(shù)對電機性能指標的影響程度以及退磁安全系數(shù)；基于磁性能變化引出的電機高工作溫度的定義；可逆退磁和不可逆退磁在電機使用溫度范圍內(nèi)所占比例

以及對電機性能產(chǎn)生的影響；永磁材料退磁后的再充磁及重復利用等等問題是很有必要的。

3、分析與設(shè)計

現(xiàn)代永磁電機的理論與設(shè)計已比較成熟，不僅有眾多的以磁路分析計算為主的設(shè)計程序和方法，永磁磁場的數(shù)值分析法也已普遍使用于工程實踐中。但由于在永磁電機中，永磁體即作場激勵源或磁路的磁源，又是磁場和磁路的組成部分, 同時永磁材料制造工藝、形狀尺寸、充磁工具、充磁方法等都會使永磁材料一致性和均勻性不理想，有時分散性較大, 甚至同一牌號同一批次的永磁材料的性能數(shù)據(jù)都可能有較大的差異。因而永磁體分散性也給永磁電機的設(shè)計分析及永磁磁場的數(shù)值計算帶來了一定困難，設(shè)計的準確性會受到影響。比如在場的理論和數(shù)值分析中永磁模型建立與等值問題；在工程磁路計算中的漏磁系數(shù)、局部退磁和電樞反應(yīng)準確計算等諸多問題，都較電勵磁電機分析計算的誤差要大。

4、充磁與測磁

永磁電機設(shè)計是建立在永磁材料飽和磁化的基礎(chǔ)上的。那么，用在電機上的磁體是否已被充分磁化飽和，若是永磁體是由磁性材料生產(chǎn)廠充磁并帶磁供貨，一般不存在問題, 但如果是在電機上整體充磁時，如何保證永磁體被充分磁化，如何在飽和磁化同時還能保持磁性能的均勻性和一致性等問題值得研究。

同樣，針對磁性能檢測問題，也還有較多值得研究的問題。如帶磁供貨的磁體在電機制造廠如何對其進行有效的簡便易行而又相對準確的入廠檢測，而現(xiàn)在多數(shù)電機廠家無法在零部件階段對永磁材料磁性能進行有效測量，往往只有到整機性能檢測不合格時才能發(fā)現(xiàn)磁性材料有問題。

5 、抗腐蝕性

釹鐵硼材料的易腐蝕問題對電機的質(zhì)量影響較大，而目前它的表面防護問題在國內(nèi)未得到很好的解決，其采用的電鍍等辦法常出現(xiàn)表面鍍層脫落使電機出現(xiàn)故障的現(xiàn)象。同時耐受特殊環(huán)境條件(如潮濕、鹽霧及特殊氣體等)的能力有限，影響了電機對特殊環(huán)境條件的適應(yīng)能力。希望永磁材料在表面防護能力方面有更進一步的提高。

6、磁性能穩(wěn)定性、均勻性、一致性

為保證電機性能在其壽命周期內(nèi)不發(fā)生較大變化，特別是一些有特殊要求的軍用電機，其可靠工作壽命要求長達 15 年以上,希望永磁材料的磁性能保持長期穩(wěn)定。

電機特別是高精度電機對永磁材料磁性能均勻性及一致性要求較高。磁性能不均勻?qū)е码姍C磁場不均勻，轉(zhuǎn)矩波動增大, 發(fā)電機的輸出電壓紋波增大，線性度變差, 控制電機的精度指標降低等。另外，同一牌號的永磁材料在不同批次時的磁性能不一致，有時會導致電機成批不合格。因此，高精度電機要求永磁材料磁性能一致性能滿足誤差在 5％以內(nèi)，均勻性誤差在 3％以內(nèi)。

7、加工工藝

永磁電機在制造過程中還有較多的加工工藝問題值得研究。比如粘接過程中的工藝參數(shù)如何掌握，是否會對磁性能產(chǎn)生影響。機加工過程中的沖擊、振動和加工環(huán)境是否對磁性能產(chǎn)生影響，帶磁零部件在工藝周轉(zhuǎn)過程中以及在裝配工序中如何采取保護措施等。

永磁電機中的永磁體多采用帶磁供貨，這樣雖然減輕了電機生產(chǎn)廠充磁的難度，但卻大大增加了制造工藝難度. 如永磁無刷直流電機及永磁同步電機等常采用多極多塊磁體直接粘在轉(zhuǎn)子表面的表面貼裝結(jié)構(gòu)。多使用高性能的燒結(jié)釹鐵硼，其粘接工藝較復雜且操作困難，當其轉(zhuǎn)速較高時還會造成粘接可靠性不理想。如能將燒結(jié)磁體做成徑向結(jié)晶充磁的多極環(huán)形結(jié)構(gòu)，將大大簡化電機轉(zhuǎn)子的制造工藝。目前粘接磁體可以做到，但磁性能不高。如燒結(jié)磁體能實現(xiàn)并能批量供貨且價格不高(有報道已有廠家在開展此項研究)，將很有發(fā)展前途。