稀土永磁電機的發(fā)展趨勢及應用

　　三、永磁電機的主要特點和應用
　　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)速提高到最佳值，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。其典型產(chǎn)品為美國通用電氣公司制造的150kVA14極12000 r/min~21000r/min和100kVA6000 r/min的稀土鈷永磁同步發(fā)電機。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機即為3KW20000r/min的永磁發(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最大的40 kVA~160KVA稀土永磁副勵磁機，配備200MW~600MW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、高效永磁同步電動機
　　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)的高效高起動轉(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1120KW永磁同步電動機是世界上功率最大的異步起動高效稀土永磁電機，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)己研制成寬調(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∶22500，極限轉(zhuǎn)速達到9000 r/min。永磁同步電動機高效、小振動、低噪聲、高轉(zhuǎn)矩密度的特點在電動車、機床等驅(qū)動裝置中是最理想的電動機。
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。500W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)是永磁電機的最大用戶，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。
　　5、幾種新型結(jié)構(gòu)的永磁電機
　　1）無鐵心釹鐵硼永磁電機
　　利用釹鐵硼永磁材料高矯頑力的優(yōu)異特性不用或少用硅鋼片，制成無鐵心電機，質(zhì)量大大減輕。無鐵心永磁電機采用聚磁型結(jié)構(gòu)和正余弦充磁，所產(chǎn)生的磁場呈正弦分布，因此可以不斜槽，可以采用集中繞組，便于AC控制。繞組端部短，損耗小，轉(zhuǎn)矩密度高，振動噪聲顯著降低。應用在汽車方向盤驅(qū)動、機器人、電梯及DVD的驅(qū)動等許多方面。
　　2）橫向磁通敏鐵棚永磁電機
　　為了解決安放線圈的槽的寬度與磁通流經(jīng)的齒部的寬度之間的矛盾，提高電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，人們不斷探索新的磁路結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了橫向磁通電機（Transverse Flux Machine）結(jié)構(gòu)思想。這種電機定子齒槽結(jié)構(gòu)和電樞線圈在空間上相互垂直，主磁通沿電機軸向流通，電流和磁負荷在空間上不存在競爭，因而定子尺寸和通電線圈的大小相互獨立，在一定范圍內(nèi)可以任意選取，提高了功率密度。目前國際上對這種結(jié)構(gòu)電機的研發(fā)剛剛起步，有廣闊的發(fā)展前景。