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永磁电机如何俘获现代科技?

发布时间:2023年12月1日 | 文章来源:电机技术及应用 | 浏览次数:158 | 访问原文

一如既往,永磁电机作为磁电领域的翘楚,一直受到众多能源科技爱好者们的关注。这种电机神奇的地方在于,它利用永磁体来生成磁场,既不需要励磁线圈也不需要励磁电流,功率密度高效率更是显著,且结构相对简单。据悉,随着高性能永磁材料的不断问世以及控制技术的飞速发展,永磁电机的应用将会变得更为广泛,带来更多更高效的节能变革,为我们的社会和生活带来更多积极的影响。

电机(马达)

永磁电机的发展历史

在永磁电机的发展史上,永磁材料起着至关重要的作用。早在两千多年前,我国就发现了永磁材料的磁特性,并将其应用于指南针的制造中,在航海和军事领域发挥了不可忽视的作用,这也成为了古代四大发明之一。然而,直到19世纪20年代,世界上第一台电机才诞生,它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只是天然磁铁矿石(Fe3O4),其磁能密度很低,因此制成的电机体积庞大,很快就被电励磁电机所取代。如今,随着高性能永磁材料的问世和控制技术的迅速发展,永磁电机重新焕发出它的生命力,将在各行各业发挥更为广泛的作用,成为节能减排的佼佼者。
稀土钕铁硼的核心产业电机,电机产业的十年之旅!
随着工业发展的需要和科技创新的推动,人们对永磁材料的研究进入了一个新的阶段。从古代的指南针到20世纪初的永磁电机,永磁材料一直伴随着人类的发展历程。然而,最初的永磁材料并不尽如人意,磁能密度低,限制了永磁电机的进一步发展。直到20世纪30年代,铝镍钴永磁和50年代的铁氧体永磁相继问世,才在一定程度上解决了这个问题。但是它们的局限性仍然很大,无法满足更高功率和更小尺寸的电机需求。直到60年代和80年代,稀土钴永磁和钕铁硼永磁的出现,彻底改变了永磁电机的面貌。这两种永磁材料具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等卓越的磁性能,使得永磁电机的应用范围得到了极大拓展。因此,我们可以说,稀土永磁的问世,标志着永磁电机进入了一个新的历史时期,也预示着永磁电机的未来将更加广阔。

永磁电机的特点及应用

永磁电机,特别是稀土永磁电机,是电机领域的一股清流。与传统的电励磁电机相比,永磁电机不仅结构简单、运行可靠,而且还体积小、质量轻、损耗小、效率高,简直就是个全能型选手。这家伙的形状和尺寸也非常灵活,让人有种驾驭神器的感觉。因此,永磁电机在航空航天、国防、工农业生产,甚至日常生活中都应用广泛,简直是个老少皆宜的全能型电机。
现在,让我们来看看几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用场合。首先,稀土永磁发电机是个不错的选择,它与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置,这不仅简化了结构,还降低了故障率。更重要的是,采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密,让电机转速提高到最佳值,从而提高功率质量比。现代航空、航天用发电机几乎都采用稀土永磁发电机,比如美国通用电气公司制造的150 kVA 14 极 12 000 r/min~21 000 r/min和100 kVA 60 000 r/min的稀土钴永磁同步发电机。在国内,第一台稀土永磁电机就是3 kW 20 000 r/min的永磁发电机,简直是电机领域的一匹黑马。
除了稀土永磁发电机,永磁发电机还可以用作大型汽轮发电机的副励磁机。在80年代,我国研制成功了当时世界容量最大的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。此外,独立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也正在逐步推广。
稀土永磁电机有着广泛的应用,从纺织化纤工业到煤矿运输机械,再到汽车领域,无处不在。据统计,大约70%的车用稀土永磁电机,豪华轿车更是装备了超过70套的电机。而在未来,空调、风机和电动车窗等汽车零部件也将使用马达磁铁,而点火线圈、驱动装置和传感器仍将使用Sm-Co烧结磁体。此外,稀土永磁电机的应用领域还在不断拓展,比如在新的空调和冰箱的小功率稀土永磁同步电机变频调速系统中的支持,以及用于各种稀土永磁直流微电机的无线电动小工具。
稀土永磁材料的优势在于它的高性能和广泛应用领域,尤其是在航空航天领域中具有重要的发展前景。尽管稀土永磁电机在空气中的应用程序也有所涉及,但它的主要应用方向是新一代的航空发动机。然而,高成本仍是稀土永磁电机面临的挑战,而铁氧体永磁电机因其结构简单,质量轻,总成本比电励磁电机低,所以得到了广泛的应用。但是,在某些特殊场合,如计算机磁盘驱动器的音圈电动机中,使用钕铁硼永磁材料可以提高性能、降低体积和质量,从而反而降低总成本。在设计和选择电机时,要综合考虑性能、价格和成本等因素,进行创新和设计优化,以实现更广泛的应用。

 永磁电机的种类和特点

眼下,永磁电机如稀土永磁电机已经成为了电机领域里的“宠儿”。与传统电励磁电机相比,它们有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高等诸多超棒的优点。更棒的是,它们可以灵活多样地塑造成各种形状和尺寸,真是个性十足!相比之下,普通电机要保持磁场则需要电流通入,真是费事!不过永磁电机可不只有一种,它们还有永磁直流电动机、异步起动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机和永磁同步发电机等五种常规的小伙伴,真是多才多艺。
永磁电机主要有以下特点:
 
1.永磁直流电动机
做工程师的小伙伴们,你们有没有想过用一个更高效、更轻便、更结构简单的电动机来替代老旧的励磁直流电动机呢?没错,我就是在说永磁直流电动机!相比于老旧电动机,永磁直流电动机取消了复杂的励磁绕组和磁极铁心,而是采用了永磁磁极来产生磁场。这样的电动机不仅特性与他励直流电动机相似,而且还有结构简单、运行可靠、效率高、体积小、质量轻等特点。它可是工程师们心中的香饽饽啊!
2.异步起动永磁同步电动机
异步起动永磁同步电动机!这个家伙不仅是永磁同步电动机,而且还具有感应电动机和电励磁同步电动机的特点,可以自己起动哦!你可能会问,这个怎么实现的呢?其实很简单,它利用定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生的异步转矩来实现起动。当它正常运行时,转子速度和旋转磁场同步,笼型转子也就不再起作用了。这个家伙真的是绝了,不仅起动好用,而且运行时效率高,工作原理和电励磁同步电动机还基本相同。不得不说,工程师们的智慧真是无穷无尽啊!
与感应电动机大不相同!它转速恒定,功率因数高,甚至是超前功率因数,不仅减少了电阻损耗,还能有效降低风扇摩擦和铜耗损耗,提高效率。而且,它还有一个广阔的经济运行范围,能够在额定负载时和轻载时都保持高效和高功率因数。此外,永磁电机的体积和重量也要比感应电机小得多,但它对电网的影响却很小。当然,它也有缺点,比如价格较高、不可逆退磁等问题,但这并不能掩盖其众多优点。

3. 永磁无刷直流电动机

永磁无刷直流电动机,靠电子换向装置实现了电刷换向器的取代,保留了直流电动机的优良特性。其结构简单、运行可靠、维护方便,同时具备直流电动机起动转矩大、调速性能好等特点。相较于传统的直流电动机,取消了电刷换向器,可靠性大大提高;同时,损耗主要由定子产生,散热条件得到优化,体积和重量也大大减少。由此可见,永磁无刷直流电动机可谓集交、直流电动机之大成,实现了“优点合一”的完美境界。

4. 调速永磁同步电动机

让我们来聊聊调速永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机。这两个家伙长得基本一样,定子上都有多相绕组,转子上都有永磁体,优点也差不多。可是它们的区别在哪里呢?其实就在于永磁无刷直流电动机能够根据转子位置信息实现同步,而调速永磁同步电动机需要一套电子控制系统才能做到同步和调速。嗯,看起来这个电子控制系统有点厉害啊。不过好处也不少,毕竟取消了那个换向器,可靠性大大提高了;而且定子产生的损耗主要是散热问题,不像其他电机那样那么讨厌;最重要的是它的体积和重量都很小,简直就是个“小巧玲珑”的家伙。

5. 永磁同步发电机

永磁同步发电机!它是一种结构独特的发电机,与其他同步发电机不同的是,它利用永磁体来建立磁场,完全不需要励磁绕组、励磁电源、集电环和电刷等组件,简直是太方便了!不仅如此,永磁同步发电机还能稳定高效地运行,不需要进行太多维护。如果采用稀土永磁材料,不仅气隙磁密高,功率密度也很高,体积小,质量轻,完美地满足了现代人对小巧高效的需求。但是,由于它采用永磁体建立磁场,所以很难通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率。此外,永磁同步发电机通常使用钕铁硼或铁氧体永磁,永磁体的温度系数较高,输出电压会随环境温度的变化而变化,这会导致输出电压偏离额定电压。