對永磁電機的探索2017-07-03

近年來，與原有的直流牽引電機系統相比，永磁電機具有明顯優勢，其突出優點是體積小，質量輕（其比質量為0.5-1.0kg/Kw）、效率高、基本免維護、調速范圍廣。

一、永磁電機概述

　　在今直流電動機中，用直流電流來產生主極磁場的勵磁方式，稱為電流勵磁；若用永久磁體取代電流勵磁，以產生主極磁場，則此種電機稱為永磁電動機。

　　在許多情況下可以實現無刷化，因此其多為小型和微型電動機所采用。采用變頻電源供電時，永磁電動機亦可用于調速傳動系統。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善永磁電動機已在家用電器、醫療器械、汽車、航空和國防等各個領域內獲得了廣泛的應用。

　　永磁電動機的不足之處是，若使用不當，在過高溫度或過低溫度下工作時，在沖擊電流所產生的電樞反應作用下，或者在劇烈的機械振動下.有可能產生不可逆的退磁，使電動機的性能下降，甚至無法使用。因此，使用永磁電動機時應特別予以注意。

二、永磁發電機的優點

　　1.中、低速發電性能好

　　功率等級相同的情況下，怠速時，永磁式發電機要比勵磁式發電機的輸出功率高一倍，也就是說，永磁式發電機的實際等功率等級的勵磁式發電機。

　　2.結構簡單、可靠性高

　　永磁式發電機省去了勵磁式發電機的勵磁繞組、碳刷、滑環結構，整機結構簡單，避免了勵磁式發電機勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環易磨損等故障，可靠性大為提高。

　　3.能顯著地延長蓄電池壽命，減少蓄電池維護工作

　　主要原因是永磁式發電機采用的是開關式的整流穩壓方式，穩壓精度高，充電效果好。避免了過電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發電機的開頭式整流輸出對蓄電池采用小電流脈沖充電，相同的充電電流充電效果更好，從而延長蓄電池的使用壽命。

　　4.體積小、重量輕、比功率大

　　永磁轉子結構的采用，使得發電機內部結構設計排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉子結構的簡化，還使得轉子轉動慣量減少，實用轉速增加，比功率（即功率、體積之比例）達到一個很高的值。

　　5.采用自啟動式穩壓器

　　無需外加勵磁電源。發電機只要一旋轉就能發電。當蓄電池損壞時，只要發動機處于運行狀態，汽車充電系統仍可工常工作。如汽車沒有蓄電池，只要搖轉手把或溜車，也可實現點火運行。

　　6.效率高

　　永磁式發電機是一種節能產品。永磁轉子結構免去了產生轉子磁場所需的勵磁功率和碳刷、滑環之間磨擦的機械損耗，使得永磁式發電機效率大為提高。普通勵磁式發電機在1500轉/分至6000轉/分之間的轉速范圍內平均效率只有45%至55%，而永磁式發電機則可高達75%至80%。

　　7.無無線電干擾

　　永磁發電機無碳刷、無滑環的結構，消除了碳刷與滑環磨擦產生的無線電干擾；消除了電火花，特別適合于爆炸性危險程度較大的環境下工作，也降低了發電機對環境溫度的要求。

　　8.特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環境下工作。

三、永磁電機的發動原理

　　1.磁路結構和設計計算

　　永磁體在電機中既是磁源，又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產廠的制造工藝有關，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機的容量和充磁方法有關，具體性能數據的離散性很大。而且永磁體在電機中所能提供的磁通量和磁動勢還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機運行狀態而變化。這些都增加了永磁發電機電磁計算的復雜性，使計算結果的準確度低于電勵磁發電機。因此，必須建立新的設計概念，重新分析和改進磁路結構和控制系統；必須應用現代設計方法，研究新的分析計算方法，以提高設計計算的準確度；必須研究采用先進的測試方法和制造工藝。

　　2.控制問題

　　永磁發電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節、控制其磁場極為困難。這些使永磁發電機的應用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBTT等電力電子器件的控制技術的迅猛發展，永磁發電機在應用中無需磁場控制而只進行電機輸出控制。設計時需要釹鐵硼材料，電力電子器件和微機控制三項新技術結合起來，使永磁發電機在嶄新的工況下運行。

　　3.成本問題

　　由于稀土永磁材料目前的價格還比較貴，稀土永磁發電機的成本一般比電勵磁式發電機高，但這個成會在電機高性能和運行中得到較好的補償。在今后的設計中會根據具體使用的場合和要求，進行性能、價格的比較，并進行結構的創新和設計的優化，以降低制造成本。無可否認，現正在開發的產品成本價格比目前通用的發電機略高，但是我們相信，隨著產品更進一步的完美，成本問題會得到很好的解決。美國DELPHI（德爾福）公司的技術部負責人認為：“顧客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的這一說法充分說明了交流永磁發電機的市場前景不會被成本問題困擾。

　　4.不可逆退磁問題

　　如果設計和使用不當，永磁發電機在溫度過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）時，在沖擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發適合于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構形式的抗去磁能力，以便在設計和制造時采用相應措施保證永磁式發電機不會失磁。

四、永磁電機的新發展

　　1993年美國能源部、商務部、貿易部、國防部、環保局、宇航局、國家科學基金會七個政府部門下美國三個最大的汽車制造公司，克萊斯勒、福特和通用，建立了新一代車輛伙伴關系，目標是開發新一代機動車技術，以增強美國汽車工業的實力。1998年至2002年期間，美國國家自然科學基金（NSF）資助美國國家電力電子中心（由美國Virginia和美國Wisconsin等四所大學組建）研發車輛電子動力驅動系統、電子伺服控制系統和各種車輛專用IC模塊，提高汽車電子電氣部件的可靠性，降低其成本和搶占車輛電氣自動化技術的制高點，增強在國際市場的競爭力。線控的汽車電子伺服系統（X-by-wire）在未來將是十分重要的技術，該技術可將各種獨立的系統（如轉向、制動、懸掛等）集成到一起由計算機調控，使汽車的操縱性、安全性以及汽車的總體結構大大改善，設計的靈活度也大大增加。目前，電子動力方向盤和線控剎車已經在一些歐洲車型上被采用，在這個系統中已經削減了相當多的機械部件，如液壓泵等。汽車電子伺服技術是具有革命性的技術，隨著這個技術的使用，許多傳統的機械部件將會在未來的汽車上消失，而越來越多的車用伺服電機將出現在未來的汽車上。

　　全球最大的汽車零部件企業一美國德爾福汽車系統公司預計，在未來的3-5年內全世界的汽車將逐步采用電子伺服驅動系統，如電子動力方向盤和線控剎車伺服驅動系統。目前，美國德爾福汽車系統公司正在全球范圍內尋找年產300萬臺以上的電子動力方向盤的交流伺服電機合作伙伴。

五、結束語

　　本文主要是從永磁電機的概述開始，詳細地介紹了永磁電機的優點，從而詳述了它的相關發動原理，展望永磁電機的新發展。