稀土永磁电机的发展趋势及应用

　　三、永磁电机的主要特点和应用
　　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著优点。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。
　　1、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150kVA14极12000 r/min~21000r/min和100kVA6000 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3KW20000r/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~160KVA稀土永磁副励磁机，配备200MW~600MW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。
　　2、高效永磁同步电动机
　　永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可达到1，甚至容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以减小风扇（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个百分点。而且，永磁同步电动机在25%~120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电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。目前主要应用在油田、纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机水泵等领域。
　　我国自主开发的高效高起动转矩钕铁硼永磁同步电动机在油田应用中可以解决“大马拉小车”问题，起动转矩比感应电动机大50%~100%，可以替代大一个机座号的感应电动机，节电率在20%左右。
　　纺织化纤行业中负载转动惯量大，要求高牵入转矩。合理设计永磁同步电动机的空载漏磁系数、凸极比、转子电阻、永磁体尺寸和定子绕组匝数可以提高永磁电机的牵入性能，促使它应用于新型的纺织和化纤工业。
　　大型电站、矿山、石油、化工等行业所用几百千瓦和兆瓦级风机、泵类用电机是耗能大户，而目前所用电机的效率和功率因数较低，改用钕铁硼永磁后不仅提高了效率和功率因数，节约能源，且为无刷结构，提高了运行的可靠性。目前1120KW永磁同步电动机是世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机，效率高于96.5%（同规格电机效率为95%），功率因数0.94，可以替代比它大1~2个功率等级的普通电动机。
　　3、交流伺服永磁电动机和无刷直流永磁电动机
　　现在越来越多地用变频电源和交流电动机组成交流调速系统来替代直流电动机调速系统。在交流电动机中，永磁同步电机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系，使得它可直接用于开环的变频调速系统。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不设置起动绕组，而且省去了电刷和换向器，维护方便。变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁电动机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，主要应用于高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备等。
　　现己研制成宽调速范围、高恒功率调速比的钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统，调速比高达1∶22500，极限转速达到9000 r/min。永磁同步电动机高效、小振动、低噪声、高转矩密度的特点在电动车、机床等驱动装置中是最理想的电动机。
随着人民生活水平的不断提高，对家用电器的要求越来越高。例如家用空调器，既是耗电大件，又是噪声的主要来源，其发展趋势是使用能无级调速的永磁无刷直流电动机。它既能根据室温的变化，自动调整到适宜的转速下长时间运转，减少噪声和振动，使人的感觉更为舒适，还比不调速的空调器节电1/3。其他如电冰箱、洗衣机、除尘器、风扇等也在逐步改用无刷直流电动机。
　　4、永磁直流电动机
　　直流电动机采用永磁励磁后，既保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性，还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少、效率高等特点。因而从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动机。500W以下的微型直流电动机中，永磁电机占92%，而10 w以下的永磁电机占99%以上。
　　目前，我国汽车行业发展迅速，汽车工业是永磁电机的最大用户，电机是汽车的关键部件，一辆超豪华轿车中，各种不同用途的电机达70余台，其中绝大部分是低压永磁直流微电机。汽车、摩托车用起动机电动机，采用钕铁硼永磁并采用减速行星齿轮后，可使起动机电动机的质量减轻一半。
　　5、几种新型结构的永磁电机
　　1）无铁心钕铁硼永磁电机
　　利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性不用或少用硅钢片，制成无铁心电机，质量大大减轻。无铁心永磁电机采用聚磁型结构和正余弦充磁，所产生的磁场呈正弦分布，因此可以不斜槽，可以采用集中绕组，便于AC控制。绕组端部短，损耗小，转矩密度高，振动噪声显著降低。应用在汽车方向盘驱动、机器人、电梯及DVD的驱动等许多方面。
　　2）横向磁通敏铁棚永磁电机
　　为了解决安放线圈的槽的宽度与磁通流经的齿部的宽度之间的矛盾，提高电机的功率密度和转矩密度，人们不断探索新的磁路结构，出现了横向磁通电机（Transverse Flux Machine）结构思想。这种电机定子齿槽结构和电枢线圈在空间上相互垂直，主磁通沿电机轴向流通，电流和磁负荷在空间上不存在竞争，因而定子尺寸和通电线圈的大小相互独立，在一定范围内可以任意选取，提高了功率密度。目前国际上对这种结构电机的研发刚刚起步，有广阔的发展前景。