永磁电机的种类和特点 永磁电机的效率为什么会更高？

　　　　永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高结构简单，是很好的节能电机，随着高性能永磁材料的问世和控制技术的迅速发展．永磁电机的应用将会变得更为广泛。永磁电机的发展历史 永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家，两千多年前，我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为我国古代四大发明之一。

　　19世纪20年代出现的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。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。 随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢（最大磁能积约2.7 kJ/m3）、钴钢（最大磁能积约7.2 kJ/m3）等多种永磁材料。

　　特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85 kJ/m3）和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积现可达40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。

　　相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。 但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36～160 kA/m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。

　　永磁电机的特点及应用 与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显着优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用场合。

　　稀土永磁发电机永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为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。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3 kW 20 000 r/min的永磁发电机。

　　永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机，80年代我国研制成功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。目前，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正在逐步推广。

　　永磁电机在各个应用领域中的重要作用

　　1 节能稀土永磁电机以消费为主要对象，如纺织和化纤工业用稀土永磁同步电机，石油、采矿，稀土永磁同步电动机在煤矿运输机械，稀土永磁同步电机驱动各种泵与风机。

　　2 各种稀土永磁电机被各种类型的车辆（汽车，摩托车，火车）使用，稀土永磁电机是zui大的市场。据统计，大约70%的车用稀土永磁电机。豪华轿车，为各种应用的电机已达70多套。由于各种汽车电机的要求是不同的，永磁材料的选择是不一样的。马达磁铁用于空调、风机、电动车窗，从价格的角度考虑，未来将继续铁氧体的优势。点火线圈、驱动装置、传感器，仍然使用Sm-Co烧结磁体。此外，汽车零部件，也是电动汽车不可忽视的，作为一种环保型（EV）和混合动力电动汽车（HEV）。

　　3 稀土永磁电机交流伺服系统一套电子的、高性能的、速度控制系统的机电一体化机械。系统是一个自我控制的永磁同步电机主体。该系统用于数控机床的发展，柔性制造技术；也用于电动汽车，而不是传统的热动力车，车辆排放的自由。稀土永磁电机是一种很有发展前途的高技术产业。

　　4 新领域主要是为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的支持，用于各种稀土永磁直流微电机的无线电动小工具，稀土永磁无刷直流电动机是功率不同的仪器。这种电机的需求也很大。

　　5 在航空航天应用为优势的稀土永磁材料，使其在航空发动机应用非常合适。虽然有稀土永磁电机在空气中的一些应用程序（如发电机电压和短路保护等），但国内外的专家一致认为，稀土永磁电机是新一代航空发动机的一个重要发展方向。

　　成本问题

　　铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。

　　在某些场合，例如计算机磁盘驱动器的音圈电动机，采用钕铁硼永磁后性能提高，体积质量显着减小，总成本反而降低。在设计时既需根据具体使用场合和要求，进行性能、价格的比较后决定取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化以降低成本。

　　永磁电机的种类和特点

　　与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高，以及电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因而应用越来越广。永磁电机采用永磁体作为磁场，不需要外界能量即可维持其磁场，而普通电机则需要电流通入才有磁场。

　　常规永磁电机通常分为以下五类：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。

　　永磁电机主要有以下特点：

　　1. 永磁直流电动机

　　永磁直流电动机与普通直流电动机结构上的不同在于，前者取消了励磁绕组和磁极铁心，代之以永磁磁极。永磁直流电动机的特性与他励直流电动机类似，两者之间的区别在于主磁场产生的方式不同。前者磁场不可控，后者磁场可控。永磁直流电动机除了具有他励直流电动机的良好特性外，还具有结构简单、运行可靠、效率高、体积小、质量轻等特点。

　　2. 异步起动永磁同步电动机

　　异步起动永磁同步电动机是具有自起动能力的永磁同步电动机，兼有感应电动机和电励磁同步电动机的特点。它依靠定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生的异步转矩实现起动。正常运行时，转子运行在同步速，笼型转子不再起作用，其工作原理与电励磁同步电动机基本相同。

　　异步起动永磁同步电动机与感应电动机相比，有以下特点：

　　（1） 转速恒定，为同步速。

　　（2） 功率因数高， 甚至为超前功率因数，从而减少定子电流和定子电阻损耗，而且稳定运行时没有转子铜耗，进而可减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，效率比同规格感应电动机可提高 2% ～ 8% 。

　　（3） 具有宽的经济运行范围。不仅额定负载时有较高的功率因数和效率， 而且在25% ～ 120% 额定负载范围内都有较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电动机一般都在转子上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力。

　　（4）永磁电机体积和质量较感应电机大大缩小。如 11kW 的异步电动机质量为220kg，而永磁电动机仅为 92kg，相当于异步电动机质量的 45. 8% 。

　　（5）对电网影响小。感应电动机的功率因数低，电动机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网的品质因数下降，加重电网变配电设备的负担和电能损耗。而永磁电动机转子中无感应电流励磁，电动机功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需要安装无功补偿装置。

　　（6）由于通常采用钕铁硼永磁材料，因此价格高；当电机设计或使用不当时，可能出现不可逆退磁。

　　（7） 加工工艺复杂，机械强度差。

　　（8） 电机性能受环境温度、供电电压等因素影响较大。

　　3. 永磁无刷直流电动机

　　永磁无刷直流电动机用电子换向装置代替直流电动机的换向器，保留了直流电动机的优良特性。它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电动机起动转矩大、调速性能好的优点。由于取消了电刷换向器，因此可靠性高；损耗主要由定子产生，散热条件好；体积小、质量轻。

　　4. 调速永磁同步电动机

　　调速永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机结构上基本相同，定子上为多相绕组，转子上有永磁体，两者优点相似。它们的主要区别在于永磁无刷直流电动机根据转子位置信息实现同步，而调速永磁同步电动机需一套电子控制系统实现同步和调速。

　　5. 永磁同步发电机

　　永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，与普通同步发电机不同的是，它采用永磁体建立磁场，取消了励磁绕组、励磁电源、集电环和电刷等，结构简单，运行可靠，效率高，免维护。采用稀土永磁时，气隙磁密高，功率密度高，体积小，质量轻。但由于采用了永磁体建立磁场，因此难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率。另外，永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化， 导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。

　　永磁电机的效率为什么会更高？

　　永磁同步电机主要由定子、转子和壳体部件构成。与普通交流电机一样，定子铁芯为叠片结构，以减小电动机运行时因涡流和磁滞效应铁耗；绕组通常也为三相对称结构，只是参数选取有较大区别。转子部分则形式多样，有带启动鼠笼的永磁转子，也有内嵌式或表贴式纯永磁转子。转子铁芯可以制成实心结构，也可以叠片而成。转子上装有永磁体材料，大家习惯上称之为磁钢。

　　永磁电机正常工作下，转子与定子磁场处于同步状态，转子部分没有感应电流，无转子铜耗和磁滞、涡流损耗，不需要考虑转子损耗发热问题。一般永磁电机为专用变频器供电，天然具有软启动功能。另外，永磁电机属于同步电机，具有同步电机通过励磁强弱调节功率因数的特点，因而功率因数可以设计到规定数值。

　　

　　从起动角度分析，缘于永磁电机由变频电源或配套变频器起动的实际，永磁电机的起动过程实现很容易；与变频电机的起动相似，规避了普通笼型异步电机的起动缺陷。

　　总之，永磁电机的效率和功率因数可以达到很高，结构非常简单，近十几年来市场十分火爆。但是，失磁故障是永磁电机不可回避的问题，当电流过大或温度过高时，会导致电机绕组温度瞬间不断攀升、电流急剧增大，永磁体迅速失磁。在永磁电机控制中，设定了过电流保护装置，避免了电机定子绕组被烧毁的问题，但由此而导致的失磁和设备停运不可避免。

　　相对于其他电机，永磁电机在市场上的应用还不是很普及，无论对于电机制造者还是使用者，都有一些未知的技术盲区，特别是涉及到与变频器的匹配问题，往往会导致设计值与试验数据严重不符，必须反复验证。

　　电机设计过程涉及一些基本考虑因素，对于启动器，应用环境的要求，什么时候需要什么扭矩和速度，多久需要一次？什么是工作循环？温度和压力等环境条件是什么？即使是最高效的电机，如果电机应用错误的领域，其不会发挥最大的效率。许多电动机都用于齿轮电动机、齿轮减速器和电动机的组合。齿轮马达以低速提供高扭矩，简言之，齿轮电机在放大扭矩的同时，会吸收电机功率并降低转速，齿轮电机占空比会影响电机的性能额定值，例如连续的占空比。

　　最佳冷却设计外壳

　　一个冷却较好的马达运转效率更高，为了获得最佳的气流，优化了冷却风扇和风扇罩的设计，确保定子和电机外壳之间的紧密结合提供最佳的冷却性能。电机的电效率提高了很多，但冷却风扇的功率占总损耗的比例更大。冷却风扇尺寸的优化包括使用风扇的最小功率，同时提供足够的冷却。优化的风扇设计可使风扇功率需求降低65%，一个重要的设计特点是叶片和壳体之间的间隙。外壳和风扇叶片之间的空间应尽可能小，以防止湍流和减少回流。

　　选择适合工作速度的低摩擦轴承

　　滚珠或滚柱轴承用于高效电机，它们由一个内外圈和一个包含钢或陶瓷辊或球的保持架组成。外圈与定子相连，内圈与转子相连。当轴旋转时，元件也旋转，并且轴旋转的摩擦力最小化。它们使用寿命长，维护成本低。高精度应用允许最小的气隙。热收缩和热膨胀会影响轴和轴承座的配合以及内部轴承间隙本隙 。功率输出控制轴尺寸和轴承孔。载荷大小和方向决定轴承尺寸和类型。考虑额外的力，如引起磁力拉力的不对称气隙、失衡力、齿轮的节距误差和推力载荷。对于轴承载荷计算，将轴视为支撑在刚性无力矩支架上的梁。滚珠轴承比滚子轴承更适合高速应用。高速因素包括保持架设计、润滑剂、运行精度、间隙、共振频率和平衡。

　　轴承需要最小的负载，因此滚动元件旋转形成润滑膜而不是滑动，这会提高工作温度并降解润滑油。允许最小载荷等于滚珠轴承动态径向载荷额定值的0.01倍。当轴承接近推荐额定值的70%时，这一点尤为重要。了解环境温度范围和正常工作温度范围将有助于确定轴承最有效的润滑方法：润滑油或润滑脂，一般情况下考虑的齿轮电机的正常工作温度范围为-25至40°C。合成润滑脂在各种温度范围内具有良好的性能，润滑脂可以简化维护、清洁、减少泄漏和污染保护。

　　使用高质量的平衡机，高标准和电机运行速度下的平衡

　　当轴心与旋转轴不共存时，会产生噪声和振动，平衡对效率的影响有限，但会影响运行噪音和预期寿命，这对最大限度地利用资源也很重要。轴承振动读数通常在垂直、水平和轴向三个平面上读取。垂直振动可能表明存在安装问题，水平振动可能意味着平衡问题，而轴向振动可能意味着轴承问题。工作转速下的平衡很重要，因为轴承的向心力也可能导致不平衡。

　　转子叠片显示正弦磁场的优化设计

　　具有高性能永磁的同步电机具有正弦磁通分布和电动势，对于分布式绕组，定子绕组通常与异步电机绕组相同，它降低了振动、噪音和维护成本，提高了整体性能。

　　稀土与铁氧体（陶瓷）磁体的选择

　　电机中使用了钕、稀土、钐钴磁铁或铁氧体（陶瓷）磁铁，稀土磁铁的强度是铁氧体或陶瓷永磁体的两到三倍，但价格较贵。钐钴磁铁是高温应用的最佳选择，因为它们具有高能量密度、250至550°C的耐温性、温度升高导致的参数小幅度降低以及氧化保护，选择钐钴或钕作为电机磁铁是根据工作温度、耐腐蚀性和要求的性能。如果加热到80℃以上，低等级的钕磁铁可能开始失去“强度”，高等级的钕磁铁在220℃以下的温度下工作。铁氧体或陶瓷磁铁由于其很强的电阻而得到广泛的认可，退磁性好，耐腐蚀性强，价格低廉。在250°C以上的温度下工作时会发生磁损耗，但当磁铁降到较低的温度时会恢复磁损耗。除非电路设计用于极端情况，否则-40°C的低温可能会导致永磁强度的永久损失。

　　电机需要逆变器

　　逆变器驱动单元在空载运行/静止状态下可以无损耗，通过替换现有的线路供电的三相驱动装置，预计可以节省高达30%的能源。驱动装置的特点使其非常适合驱动连续运行的泵和风扇。不需要额外的组件，比如编码器。高达25%的占地面积允许机器设计更紧凑。电机具有良好的控制性能，并与无传感器驱动控制器单元相结合，即使在低速下也具有出色的真实运行性能，在脉冲负载和速度变化时具有令人印象深刻的动态特性。

　　选择能够提供无传感器操作的逆变器

　　驱动器可以“自我检测”并跟踪转子的永磁位置。这对于电机平稳启动至关重要，同时也允许产生最佳扭矩，从而获得最佳效率。缺少位置或速度传感器降低了成本，提高了驱动系统的可靠性。随着效率的不断提高，对特定电机的控制器设置进行编程以获得最佳效率的重要性越来越重要。

　　永磁电机的缺点辨析

　　永磁电机（PMM）通过定子电流与转子上或转子内的永磁体的相互作用产生转矩。小型低功耗电机用于IT设备，商用机器和汽车辅助设备中的表面转子磁体是常见的。内部磁体（IPM）在电动车辆和工业电机等大型机器中很常见。

　　在永磁电机中，如果不考虑转矩脉动，则定子可能使用集中（短节距）绕组，但在较大的永磁电机中分布绕组是常见的。

　　由于永磁电机没有机械换向器，所以逆变器对于控制绕组电流至关重要。与其他类型的无刷电机不同，永磁电机不需要电流来支持其磁场。

　　因此，如果体积小或重量轻，永磁电机可以提供最大的扭矩，并且可能是最好的选择。无磁化电流也意味着在“最佳点”负载下效率更高 - 即电机性能最佳的地方。

　　

　　此外，尽管永磁体在低速时带来了性能优势，但它们也是技术上的“致命弱点”。例如，随着永磁电机速度的增加，反电动势接近逆变器电源电压，从而无法控制绕组电流。这定义了通用永磁电机的基本速度，并且在表面磁体设计中通常代表给定电源电压的最大可能速度。

　　在大于基本速度的速度下，IPM使用主动磁场弱化，其中操纵定子电流故意压低磁通量。可以可靠实施的速度范围限制在4：1左右。和以前一样，这个限制可以通过减少绕组匝数和接受更大的成本和逆变器中的功率损耗来实现。

　　磁场弱化的需要是速度相关的，并且不管扭矩如何都会产生相关的损失。这会降低高速下的效率，特别是在轻负载下。

　　在高速公路行驶的电动汽车中，这是非常严重的。永磁电机经常受到电动汽车的青睐，但是在实际驾驶周期进行计算时，效率的好处是值得怀疑的。有趣的是，至少有一家著名的电动汽车制造商已经从PM切换到感应电动机。

　　其他缺点包括由于其固有的反电动势在故障条件下难以管理的事实。即使变频器断开，只要电机旋转，电流就会持续流过绕组故障，从而导致齿槽转矩和过热，并且都是危险的。

　　例如，由于变频器停机，在高速下的磁场减弱会导致不受控制的发电，并且逆变器的直流母线电压可能上升到危险的水平。

　　除了那些装有钐钴磁体的永磁电机外，操作温度是另一个重要的限制。而由于逆变器故障而产生的高电动机电流会导致退磁。

　　最大速度受机械磁铁保持力的限制。如果永磁电机损坏，修理它通常需要返回到工厂，因为安全地提取和处理转子是困难的。最后，报废时的回收也很麻烦，尽管当前稀土材料的高价值可能会使这种材料更具经济可行性。

　　尽管存在这些缺点，永磁电机仍然在低速和甜点效率方面保持无与伦比的地位，而且在尺寸和重量至关重要的情况下，它们都非常有用。

　　编辑：黄飞