永磁電機的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相關。我國是世界上早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應用于實踐的國家,兩千多年前,我國利用永磁材料的磁特性制成了指南針,在航海、軍事等領域發(fā)揮了巨大的作用,成為我國古代四大發(fā)明之一。 19世紀20年代出現(xiàn)的世界上臺電機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石(Fe3O4),磁能密度很低,用它制成的電機體積龐大,不久被電勵磁電機所取代。
隨著各種電機迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明,人們對永磁材料的機理、構(gòu)成和制造技術(shù)進行了深入研究,相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼(大磁能積約2.7 kJ/m3)、鈷鋼(大磁能積約7.2 kJ/m3)等多種永磁材料。特別是20世紀30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁(大磁能積可達85 kJ/m3)和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁(大磁能積現(xiàn)可達40 kJ/m3),磁性能有了很大提高,各種微型和小型電機又紛紛使用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數(shù)毫瓦,大至幾十千瓦,在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應用,產(chǎn)量急劇增加。相應地,這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性進展,形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。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),限制了它們在電機中的應用范圍。一直到20世紀60年代和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、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機,從而使永磁電機的發(fā)展進入一個新的歷史時期。
與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比,永磁電機,特別是稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠;體積小,質(zhì)量輕;損耗小,效率高;電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。因而應用范圍極為廣泛,幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領域。下面介紹幾種典型永磁電機的主要特點及其主要應用場合。
1、 稀土永磁發(fā)電機永磁同步發(fā)電機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比不需要集電環(huán)和電刷裝置,結(jié)構(gòu)簡單,減少了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密,并把電機轉(zhuǎn)速提高到佳值,提高功率質(zhì)量比。當代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。
永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機,80年代我國研制成功當時世界容量大的40 kVA~160 kVA稀土永磁副勵磁機,配備200 MW~600 MW汽輪發(fā)電機后大大提高電站運行的可靠性。
目前,獨立電源用的內(nèi)燃機驅(qū)動小型發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風輪直接驅(qū)動的小型永磁風力發(fā)電機正在逐步推廣。
2 、永磁同步電動機永磁同步電動機與感應電動機相比,不需要無功勵磁電流,可以顯著提高功率因數(shù)(可達到1,甚至容性),減少了定子電流和定子電阻損耗,而且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗,進而可以減小風扇(小容量電機甚至可以去掉風扇)和相應的風摩損耗,效率比同規(guī)格感應電動機可提高2~8個百分點。而且,永磁同步電動機在25%~120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù),使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電機一般都在轉(zhuǎn)子上設置起動繞組,具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。目前主要應用在油田、紡織化纖工業(yè)、陶瓷玻璃工業(yè)和年運行時間長的風機水泵等領域。
我國自主開發(fā)的高起動轉(zhuǎn)矩釹鐵硼永磁同步電動機在油田應用中可以解決“大馬拉小車”問題,起動轉(zhuǎn)矩比感應電動機大50%~100%,可以替代大一個機座號的感應電動機,節(jié)電率在20%左右。
紡織化纖行業(yè)中負載轉(zhuǎn)動慣量大,要求高牽入轉(zhuǎn)矩。合理設計永磁同步電動機的空載漏磁系數(shù)、凸極比、轉(zhuǎn)子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數(shù)可以提高永磁電機的牽入性能,促使它應用于新型的紡織和化纖工業(yè)。
大型電站、礦山、石油、化工等行業(yè)所用幾百千瓦和兆瓦級風機、泵類用電機是耗能大戶,而目前所用電機的效率和功率因數(shù)較低,改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數(shù),節(jié)約能源,且為無刷結(jié)構(gòu),提高了運行的可靠性。目前1 120kW永磁同步電動機是世界上功率大的異步起動稀土永磁電機,效率高于96.5%(同規(guī)格電機效率為95%),功率因數(shù)0.94,可以替代比它大1~2個功率等級的普通電動機。
3 、交流伺服永磁電動機和無刷直流永磁電動機現(xiàn)在越來越多地用變頻電源和交流電動機組成交流調(diào)速系統(tǒng)來替代直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。在交流電動機中,永磁同步電機的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定運行時與電源頻率保持恒定的關系,使得它可直接用于開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。這類電機通常由變頻器頻率的逐步升高來起動,在轉(zhuǎn)子上可以不設置起動繞組,而且省去了電刷和換向器,維護方便。
變頻器供電的永磁同步電動機加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成自同步永磁電動機,既具有電勵磁直流電動機的優(yōu)異調(diào)速性能,又實現(xiàn)了無刷化,主要應用于高控制精度和高可靠性的場合,如航空、航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設備等。
現(xiàn)已研制成寬調(diào)速范圍、高恒功率調(diào)速比的釹鐵硼永磁同步電動機和驅(qū)動系統(tǒng),調(diào)速比高達1:22 500,極限轉(zhuǎn)速達到9 000 r/min。永磁同步電動機、小振動、低噪聲、高轉(zhuǎn)矩密度的特點在電動車、機床等驅(qū)動裝置中是理想的電動機。
隨著人民生活水平的不斷提高,對家用電器的要求越來越高。例如家用空調(diào)器,既是耗電大件,又是噪聲的主要來源,其發(fā)展趨勢是使用能無級調(diào)速的永磁無刷直流電動機。它既能根據(jù)室溫的變化,自動調(diào)整到適宜的轉(zhuǎn)速下長時間運轉(zhuǎn),減少噪聲和振動,使人的感覺更為舒適,還比不調(diào)速的空調(diào)器節(jié)電1/3。其他如電冰箱、洗衣機、除塵器、風扇等也在逐步改用無刷直流電動機。
4 、永磁直流電動機直流電動機采用永磁勵磁后,既保留了電勵磁直流電動機良好的調(diào)速特性和機械特性,還因省去了勵磁繞組和勵磁損耗而具有結(jié)構(gòu)工藝簡單、體積小、用銅量少、效率高等特點。因而從家用電器、便攜式電子設備、電動工具到要求有良好動態(tài)性能的精密速度和位置傳動系統(tǒng)都大量應用永磁直流電動機。500 W以下的微型直流電動機中,永磁電機占92%,而10 W以下的永磁電機占99%以上。
目前,我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速,汽車工業(yè)是永磁電機的大用戶,電機是汽車的關鍵部件,一輛超豪華轎車中,各種不同用途的電機達70余臺,其中絕大部分是低壓永磁直流微電機。汽車、摩托車用起動機電動機,采用釹鐵硼永磁并采用減速行星齒輪后,可使起動機電動機的質(zhì)量減輕一半。