稀土永磁電機(jī)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用

　　6、永磁特種電機(jī)
　　控制電機(jī)和特種電機(jī)的種類很多，其共同的發(fā)展趨勢之一是永磁化，以高性能的永磁體勵磁逐步取代電勵磁。
由于稀土永磁具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積的特點(diǎn)，可以容許所制成的電機(jī)具有較大的氣隙長度和氣隙密度，因而在永磁體安放和磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有很大靈活性，可以根據(jù)使用場合，特別是汽車、計(jì)算機(jī)和航天工程的需要，制成與傳統(tǒng)電機(jī)不同的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，例如盤式電機(jī)、無槽電機(jī)等。這既可以進(jìn)一步減少電機(jī)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，提高電機(jī)的反應(yīng)靈敏度；又可以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動，增加運(yùn)行的平穩(wěn)性；還可以簡化電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝。因而在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公設(shè)備和要求精度定位控制的場合得到廣泛應(yīng)用。
　　計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動器中用以驅(qū)動讀寫磁頭作往復(fù)運(yùn)動的動圈式直線電動機(jī)一一音圈電動機(jī)需要高性能磁體，以保證足夠的靈敏度，縮小體積和減輕質(zhì)量。釹鐵硼永磁正好能滿足這一要求。20世紀(jì)60年代采用鐵氧體永磁研制的是14in磁盤驅(qū)動器用音圈電動機(jī)。自采用釹鐵硼永磁后，驅(qū)動器尺寸不斷縮小，存取時間明顯減少，存儲容量增加。1984年磁盤驅(qū)動器縮小到以5.25in盤為主；進(jìn)入20世紀(jì)90年代，3.5in磁盤驅(qū)動器迅速增長，成為主體。今后幾年內(nèi)2.5in和1.8in磁盤驅(qū)動器將大為發(fā)展。因此，日、美等國釹鐵硼永磁銷售量的一半左右用于制造音圈電動機(jī)。
　　此外，在步進(jìn)電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動、低速同步電動機(jī)等特種電機(jī)中增加釹鐵硼永磁勵磁后，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、動態(tài)響應(yīng)特性都有明顯提高與改進(jìn)。
　　四、永磁電機(jī)的研究推動了電機(jī)學(xué)科的發(fā)展
　　在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用過程中，需要注意對以下幾個問題的研究分析。
　　1、磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算
　　為了充分發(fā)揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優(yōu)異磁性能，制造出性價比高的永磁電機(jī)，就不能簡單套用傳統(tǒng)的永磁電機(jī)或電勵磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，必須建立新的設(shè)計(jì)概念，重新分析和改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及電磁場數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法的不斷完善，經(jīng)過電機(jī)學(xué)術(shù)界和工程界的共同努力，現(xiàn)已在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面取得了突破性進(jìn)展，形成了以電磁場數(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)計(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場，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)，永磁直流電動機(jī)不能再用改變勵磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。這些使永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，大多數(shù)永磁電機(jī)在應(yīng)用中，可以不必進(jìn)行磁場控制而只進(jìn)行電樞控制。設(shè)計(jì)時需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。
　　3、不可逆退磁問題
　　如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械震動時有可能產(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。因而，既要研究開發(fā)適于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力，以便在設(shè)計(jì)和制造時，采用相應(yīng)措施保證永磁電機(jī)不失磁。
　　4、成本問題
　　鐵氧體永磁電機(jī)，特別是微型永磁直流電動機(jī)，由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機(jī)低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵磁電機(jī)高，這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來補(bǔ)償。在某些場合，例如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動器的音圈電動機(jī)，采用釹鐵硼永磁后性能提高，體積質(zhì)量顯著減小，總成本反而降低。在設(shè)計(jì)時既需根據(jù)具體使用場合和要求，進(jìn)行性能、價格的比較后決定取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低成本。
　　五、稀土永磁電機(jī)的發(fā)展趨勢
　　我國稀土資源豐富，稀土礦的儲藏量居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平，充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對加快實(shí)現(xiàn)我國全面進(jìn)入小康社會具有重要的意義。
　　稀土永磁電機(jī)正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展，不斷擴(kuò)展新的電機(jī)品種和應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常樂觀。為了滿足需要，稀土永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造工藝尚需不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，電磁結(jié)構(gòu)將更為復(fù)雜，計(jì)算結(jié)構(gòu)將更為精確，制造工藝更為先進(jìn)適用。這些復(fù)雜問題需要應(yīng)用多學(xué)科理論和系統(tǒng)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高性價比，促進(jìn)電機(jī)等學(xué)科和行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。