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永磁電機(jī)
閱讀�16498�(shí)間:2011-05-22 11:05:24

  永磁電機(jī)采用永磁體生成電�(jī)的磁�,無需�(lì)磁線圈也無需�(lì)磁電�,效率高�(jié)�(gòu)簡單,是很好的節(jié)能電�(jī),隨著高性能永磁材料的問世和控制技�(shù)的迅速發(fā)展.永磁電機(jī)的應(yīng)用將會變得更為廣泛�

�(fā)展歷�

  永磁電機(jī)的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相�(guān)。我國是世界上最早發(fā)�(xiàn)永磁材料的磁特性并把它�(yīng)用于�(shí)踐的國家,兩千多年前,我國利用永磁材料的磁特性制成了指南�,在航海、軍事等�(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用,成為我國古代四大�(fā)明之一�

  19世紀(jì)20年代出現(xiàn)的世界上臺電�(jī)就是由永磁體�(chǎn)生勵(lì)磁磁場的永磁電機(jī)。但�(dāng)�(shí)所用的永磁材料是天然磁鐵礦石(Fe3O4�,磁能密度很�,用它制成的電機(jī)體積龐大,不久被電勵(lì)磁電�(jī)所取代�

  隨著各種電機(jī)迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的�(fā)明,人們對永磁材料的機(jī)理、構(gòu)成和制造技�(shù)�(jìn)行了深入研究,相繼發(fā)�(xiàn)了碳�、鎢鋼(磁能積約2.7 kJ/m3)、鈷鋼(磁能積約7.2 kJ/m3)等多種永磁材料。特別是20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁(磁能積可達(dá)85 kJ/m3)和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁(磁能積�(xiàn)可達(dá)40 kJ/m3�,磁性能有了很大提高,各種微型和小型電機(jī)又紛紛使用永磁體�(lì)磁。永磁電�(jī)的功率小至數(shù)毫瓦,大至幾十千�,在軍事、工�(nóng)�(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛�(yīng)�,產(chǎn)量急劇增加。相�(yīng)地,這段�(shí)期在永磁電機(jī)的設(shè)�(jì)理論、計(jì)算方�、充磁和制造技�(shù)等方面也都取得了突破性�(jìn)�,形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方�。但是,鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低(36�160 kA/m�,鐵氧體永磁的剩磁密度不高(0.2�0.44 T�,限制了它們在電機(jī)中的�(yīng)用范�。一直到20世紀(jì)60年代�80年代,稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁(二者統(tǒng)稱稀土永磁)相繼問世,它們的高剩磁密度、高矯頑�、高磁能積和線性退磁曲線的�(yōu)異磁性能特別適合于制造電�(jī),從而使永磁電機(jī)的發(fā)展�(jìn)入一�(gè)新的歷史�(shí)期�

特點(diǎn)及應(yīng)�

  與傳�(tǒng)的電�(lì)磁電�(jī)相比,永磁電�(jī),特別是稀土永磁電�(jī)具有�(jié)�(gòu)簡單,運(yùn)行可�;體積小,質(zhì)量輕;損耗小,效率高;電�(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著�(yōu)�(diǎn)。因而應(yīng)用范圍極為廣泛,幾乎遍及航空航天、國�、工�(nóng)�(yè)生產(chǎn)和日常生活的各�(gè)�(lǐng)�。下面介紹幾種典型永磁電�(jī)的主要特�(diǎn)及其主要�(yīng)用場��

  1 稀土永磁發(fā)電機(jī)永磁同步�(fā)電機(jī)與傳�(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不需要集電環(huán)和電刷裝�,結(jié)�(gòu)簡單,減少了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁�,并把電�(jī)�(zhuǎn)速提高到�,提高功率質(zhì)量比。當(dāng)代航�、航天用�(fā)電機(jī)幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機(jī)。其典型�(chǎn)品為美國通用電氣公司制造的150 kVA 14 � 12 000 r/min�21 000 r/min�100 kVA 60 000 r/min的稀土鈷永磁同步�(fā)電機(jī)。國�(nèi)研發(fā)的臺稀土永磁電�(jī)即為3 kW 20 000 r/min的永磁發(fā)電機(jī)�

  永磁�(fā)電機(jī)也用作大型汽輪發(fā)電機(jī)的副�(lì)磁機(jī)�80年代我國研制成功�(dāng)�(shí)世界容量�40 kVA�160 kVA稀土永磁副�(lì)磁機(jī),配�200 MW�600 MW汽輪�(fā)電機(jī)后大大提高電站運(yùn)行的可靠性�

  目前,獨(dú)立電源用的內(nèi)燃機(jī)�(qū)�(dòng)小型�(fā)電機(jī)、車用永磁發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪直接驅(qū)�(dòng)的小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在逐步推廣�

  2 高效永磁同步電動(dòng)�(jī)永磁同步電動(dòng)�(jī)與感�(yīng)電動(dòng)�(jī)相比,不需要無功勵(lì)磁電�,可以顯著提高功率因�(shù)(可�(dá)�1,甚至容性),減少了定子電流和定子電阻損�,而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有�(zhuǎn)子銅耗,�(jìn)而可以減小風(fēng)扇(小容量電�(jī)甚至可以去掉�(fēng)扇)和相�(yīng)的風(fēng)摩損�,效率比同規(guī)格感�(yīng)電動(dòng)�(jī)可提�2�8�(gè)百分�(diǎn)。而且,永磁同步電�(dòng)�(jī)�25%�120%額定�(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù),使輕載�(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯�。這類電機(jī)一般都在轉(zhuǎn)子上�(shè)置起�(dòng)繞組,具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)的能�。目前主要應(yīng)用在油田、紡織化纖工�(yè)、陶瓷玻璃工�(yè)和年�(yùn)行時(shí)間長的風(fēng)�(jī)水泵等領(lǐng)��

  我國自主開發(fā)的高效高起動(dòng)�(zhuǎn)矩釹鐵硼永磁同步電動(dòng)�(jī)在油田應(yīng)用中可以解決“大馬拉小車”問�,起�(dòng)�(zhuǎn)矩比感應(yīng)電動(dòng)�(jī)�50%�100%,可以替代大一�(gè)�(jī)座號的感�(yīng)電動(dòng)�(jī),節(jié)電率�20%左右�

  紡織化纖行業(yè)中負(fù)載轉(zhuǎn)�(dòng)慣量�,要求高牽入�(zhuǎn)矩。合理設(shè)�(jì)永磁同步電動(dòng)�(jī)的空載漏磁系�(shù)、凸極比、轉(zhuǎn)子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝�(shù)可以提高永磁電機(jī)的牽入性能,促使它�(yīng)用于新型的紡織和化纖工業(yè)�

  大型電站、礦�、石�、化工等行業(yè)所用幾百千瓦和兆瓦級風(fēng)�(jī)、泵類用電機(jī)是耗能大戶,而目前所用電�(jī)的效率和功率因數(shù)較低,改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因�(shù),節(jié)約能�,且為無刷結(jié)�(gòu),提高了�(yùn)行的可靠�。目�1 120kW永磁同步電動(dòng)�(jī)是世界上功率的異步起�(dòng)高效稀土永磁電�(jī),效率高�96.5%(同�(guī)格電�(jī)效率�95%�,功率因�(shù)0.94,可以替代比它大1�2�(gè)功率等級的普通電�(dòng)�(jī)� 3 交流伺服永磁電動(dòng)�(jī)和無刷直流永磁電�(dòng)�(jī)�(xiàn)在越來越多地用變頻電源和交流電動(dòng)�(jī)組成交流�(diào)速系�(tǒng)來替代直流電�(dòng)�(jī)�(diào)速系�(tǒng)。在交流電動(dòng)�(jī)�,永磁同步電�(jī)的轉(zhuǎn)速在�(wěn)定運(yùn)行時(shí)與電源頻率保持恒定的�(guān)�,使得它可直接用于開�(huán)的變頻調(diào)速系�(tǒng)。這類電機(jī)通常由變頻器頻率的逐步升高來起�(dòng),在�(zhuǎn)子上可以不設(shè)置起�(dòng)繞組,而且省去了電刷和換向器,維護(hù)方便�

  變頻器供電的永磁同步電動(dòng)�(jī)加上�(zhuǎn)子位置閉�(huán)控制系統(tǒng)�(gòu)成自同步永磁電動(dòng)�(jī),既具有電勵(lì)磁直流電�(dòng)�(jī)的優(yōu)異調(diào)速性能,又�(shí)�(xiàn)了無刷化,主要應(yīng)用于高控制精度和高可靠性的場合,如航空、航�、數(shù)控機(jī)床、加工中�、機(jī)器人、電�(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)外圍�(shè)備等�

  �(xiàn)已研制成寬調(diào)速范�、高恒功率調(diào)速比的釹鐵硼永磁同步電動(dòng)�(jī)和驅(qū)�(dòng)系統(tǒng),調(diào)速比高達(dá)1�22 500,極限轉(zhuǎn)速達(dá)�9 000 r/min。永磁同步電�(dòng)�(jī)高效、小振動(dòng)、低噪聲、高�(zhuǎn)矩密度的特點(diǎn)在電�(dòng)�、機(jī)床等�(qū)�(dòng)裝置中是最理想的電�(dòng)�(jī)�

  隨著人民生活水平的不斷提�,對家用電器的要求越來越�。例如家用空�(diào)器,既是耗電大件,又是噪聲的主要來源,其�(fā)展趨勢是使用能無級調(diào)速的永磁無刷直流電動(dòng)�(jī)。它既能根據(jù)室溫的變化,自動(dòng)�(diào)整到適宜的轉(zhuǎn)速下長時(shí)間運(yùn)�(zhuǎn),減少噪聲和振動(dòng),使人的感覺更為舒適,還比不�(diào)速的空調(diào)器節(jié)�1/3。其他如電冰�、洗衣機(jī)、除塵器、風(fēng)扇等也在逐步改用無刷直流電動(dòng)�(jī)�

  4 永磁直流電動(dòng)�(jī)直流電動(dòng)�(jī)采用永磁�(lì)磁后,既保留了電�(lì)磁直流電�(dòng)�(jī)良好的調(diào)速特性和�(jī)械特�,還因省去了�(lì)磁繞組和�(lì)磁損耗而具有結(jié)�(gòu)工藝簡單、體積小、用銅量�、效率高等特�(diǎn)。因而從家用電器、便攜式電子�(shè)�、電�(dòng)工具到要求有良好�(dòng)�(tài)性能的精密速度和位置傳�(dòng)系統(tǒng)都大量應(yīng)用永磁直流電�(dòng)�(jī)�500 W以下的微型直流電�(dòng)�(jī)中,永磁電機(jī)�92%,�10 W以下的永磁電�(jī)�99%以上�

  目前,我國汽車行�(yè)�(fā)展迅速,汽車工業(yè)是永磁電�(jī)的用�,電�(jī)是汽車的�(guān)鍵部件,一輛超豪華轎車�,各種不同用途的電機(jī)�(dá)70余臺,其中絕大部分是低壓永磁直流微電�(jī)。汽�、摩托車用起�(dòng)�(jī)電動(dòng)�(jī),采用釹鐵硼永磁并采用減速行星齒輪后,可使起�(dòng)�(jī)電動(dòng)�(jī)的質(zhì)量減輕一��

分類

  永磁電機(jī)種類繁多。根�(jù)電機(jī)功能大致可分為永磁發(fā) 電機(jī)和永磁電�(dòng)�(jī)兩大� �

  永磁 電動(dòng)�(jī)又可分為永磁直流電動(dòng)�(jī)和永磁交流電�(dòng)�(jī)。而永磁交流電�(dòng)�(jī)指的是帶有永磁轉(zhuǎn)子的多相同步電動(dòng)�(jī),所以常被稱為永� 同步電動(dòng)�(jī) (PMSM)�

  永磁直流電動(dòng)�(jī)如果按有� 電劇� 換向器來分.又可分為永磁有刷直流電動(dòng)�(jī)和永磁無� 直流 電動(dòng)�(jī) (BLDCM )�

  �(dāng)今世界,�(xiàn)代電力電子學(xué)理論和技�(shù)正在大發(fā)展.電力電子器件,如 MOSFET、IGBT、MCT 等的不斷問世,控制裝置發(fā)生根本性變�。自 1971� F·BlascEke提出交流電機(jī)矢量控制原理之后,矢量控制技�(shù)的發(fā)展開�(chuàng) 了交流伺服傳�(dòng)控制 的新紀(jì)�,麗各種高性能微處理器的不斷推 出,�(jìn)一步加速了交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)的發(fā)�。交辯I伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)已成必然趨勢。然�,具有正弦波反電勢的永磁同步電動(dòng)�(jī) (PMSM)和具有梯形波反電勢的無刷直流電動(dòng)�(jī) (BLIX~)因其本身卓越 的性能必將會成為發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的主� �

相關(guān)注意事項(xiàng)

  1 磁路�(jié)�(gòu)和設(shè)�(jì)�(jì)�

  為了充分�(fā)揮各種永磁材料的磁性能,特別是稀土永磁的�(yōu)異磁性能,制造出性價(jià)比高的永磁電�(jī),就不能簡單套用傳統(tǒng)的永磁電�(jī)或電�(lì)磁電�(jī)的結(jié)�(gòu)和設(shè)�(jì)�(jì)算方法,必須建立新的�(shè)�(jì)概念,重新分析和改�(jìn)磁路�(jié)�(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技�(shù)的迅猛發(fā)�,以及電磁場�(shù)值計(jì)�、優(yōu)化設(shè)�(jì)和仿真技�(shù)等現(xiàn)代化�(shè)�(jì)方法的不斷完�,經(jīng)過電�(jī)�(xué)�(shù)界和工程界的共同努力,現(xiàn)已在永磁電機(jī)的設(shè)�(jì)理論、計(jì)算方�、結(jié)�(gòu)工藝和控制技�(shù)等方面取得了突破性�(jìn)�,形成了以電磁場�(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)�(jì)軟件,并正在不斷完善中�

  2 控制問題

  永磁電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁�,但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機(jī)難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù),永磁直流電�(dòng)�(jī)不能再用改變�(lì)磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)�。這些使永磁電�(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但�,隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技�(shù)的迅猛發(fā)展,大多�(shù)永磁電機(jī)在應(yīng)用中,可以不必�(jìn)行磁場控制而只�(jìn)行電樞控制。設(shè)�(jì)�(shí)需要把稀土永磁材�、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技�(shù)�(jié)合起來,使永磁電�(jī)在嶄新的工況下運(yùn)��

  3 不可逆退磁問�

  如果�(shè)�(jì)或使用不�(dāng),永磁電�(jī)在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度�(shí),在沖擊電流�(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用�,或在劇烈的�(jī)械震�(dòng)�(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁,或叫失磁,使電機(jī)性能降低,甚至無法使用。因�,既要研究開�(fā)適于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱�(wěn)定性的方法和裝�,又要分析各種不同結(jié)�(gòu)形式的抗去磁能力,以便在�(shè)�(jì)和制造時(shí),采用相�(yīng)措施保證永磁電機(jī)不失��

  4 成本問題

  鐵氧體永磁電�(jī),特別是微型永磁直流電動(dòng)�(jī),由于結(jié)�(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減�,總成本一般比電勵(lì)磁電�(jī)�,因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價(jià)格還比較�,稀土永磁電�(jī)的成本一般比電勵(lì)磁電�(jī)�,這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來�(bǔ)償。在某些場合,例如計(jì)算機(jī)磁盤�(qū)�(dòng)器的音圈電動(dòng)�(jī),采用釹鐵硼永磁后性能提高,體積質(zhì)量顯著減小,總成本反而降�。在�(shè)�(jì)�(shí)既需根據(jù)具體使用場合和要�,�(jìn)行性能、價(jià)格的比較后決定取�,又要�(jìn)行結(jié)�(gòu)工藝的創(chuàng)新和�(shè)�(jì)�(yōu)化以降低成本�

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