稀土永磁電機的發展趨勢及應用

　　三、永磁電機的主要特點和應用
　　與傳統的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕:損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點。因而應用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業生產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、稀土永磁發電機
　　永磁同步發電機與傳統的發電機相比不需要集電環和電刷裝置，結構簡單，減少了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速提高到最佳值，提高功率質量比。當代航空、航天用發電機幾乎全部采用稀土永磁發電機。其典型產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電機。國內研發的第一臺稀土永磁電機即為3KW20000r/min的永磁發電機。
　　永磁發電機也用作大型汽輪發電機的副勵磁機，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汽輪發電機后大大提高電站運行的可靠性。
　　目前，獨立電源用的內燃機驅動小型發電機、車用永磁發電機、風輪直接驅動的小型永磁風力發電機正在逐步推廣。
　　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（可達到1，甚至容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，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%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。這類電機一般都在轉子上設置起動繞組，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、陶瓷玻璃工業和年運行時間長的風機水泵等領域。
　　我國自主開發的高效高起動轉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，節電率在20%左右。
　　紡織化纖行業中負載轉動慣量大，要求高牽入轉矩。合理設計永磁同步電動機的空載漏磁系數、凸極比、轉子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數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。
　　大型電站、礦山、石油、化工等行業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較低，改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數，節約能源，且為無刷結構，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%（同規格電機效率為95%），功率因數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
　　現在越來越多地用變頻電源和交流電動機組成交流調速系統來替代直流電動機調速系統。在交流電動機中，永磁同步電機的轉速在穩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的變頻調速系統。這類電機通常由變頻器頻率的逐步升高來起動，在轉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子位置閉環控制系統構成自同步永磁電動機，既具有電勵磁直流電動機的優異調速性能，又實現了無刷化，主要應用于高控制精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設備等。
　　現己研制成寬調速范圍、高恒功率調速比的釹鐵硼永磁同步電動機和驅動系統，調速比高達1∶22500，極限轉速達到9000 r/min。永磁同步電動機高效、小振動、低噪聲、高轉矩密度的特點在電動車、機床等驅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。例如家用空調器，既是耗電大件，又是噪聲的主要來源，其發展趨勢是使用能無級調速的永磁無刷直流電動機。它既能根據室溫的變化，自動調整到適宜的轉速下長時間運轉，減少噪聲和振動，使人的感覺更為舒適，還比不調速的空調器節電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構工藝簡單、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性能的精密速度和位置傳動系統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，我國汽車行業發展迅速，汽車工業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量減輕一半。
　　5、幾種新型結構的永磁電機
　　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異特性不用或少用硅鋼片，制成無鐵心電機，質量大大減輕。無鐵心永磁電機采用聚磁型結構和正余弦充磁，所產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，轉矩密度高，振動噪聲顯著降低。應用在汽車方向盤驅動、機器人、電梯及DVD的驅動等許多方面。
　　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的齒部的寬度之間的矛盾，提高電機的功率密度和轉矩密度，人們不斷探索新的磁路結構，出現了橫向磁通電機（Transverse Flux Machine）結構思想。這種電機定子齒槽結構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，在一定范圍內可以任意選取，提高了功率密度。目前國際上對這種結構電機的研發剛剛起步，有廣闊的發展前景。