干貨·詳解永磁電機

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2022年8月9日 11:16

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永磁電機什么是？

永磁電機采用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流，效率高結構簡單，是很好的節能電機，隨著高性能永磁材料的問世和控制技術的迅速發展．永磁電機的應用將會變得更為廣泛。

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永磁電機的發展歷史

永磁電機的發展同永磁材料的發展密切相關。我國是世界上最早發現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、軍事等領域發揮了巨大的作用，成為我國古代四大發明之一。

19世紀20年代出現的世界上第一臺電機就是由永磁體產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展的需要和電流充磁器的發明，人們對永磁材料的機理、構成和制造技術進行了深入研究，相繼發現了碳鋼、鎢鋼（最大磁能積約2.7 kJ/m3）、鈷鋼（最大磁能積約7.2 kJ/m3）等多種永磁材料。特別是20世紀30年代出現的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85 kJ/m3）和50年代出現的鐵氧體永磁（最大磁能積現可達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毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農業生產和日常生活中得到廣泛應用，產量急劇增加。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異磁性能特別適合于制造電機，從而使永磁電機的發展進入一個新的歷史時期。

永磁電機的特點及應用

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150 kVA 14 極 12 000 r/min～21 000 r/min和100 kVA 60 000 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3 kW 20 000 r/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～160 kVA稀土永磁副勵磁機，配備200 MW～600 MW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1 120kW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。

現已研制成寬調速范圍、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1：22 500，極限轉速達到9 000 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。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。

永磁電機的分類

永磁電機種類繁多。根據電機功能大致可分為永磁發電機和永磁電動機兩大類。

永磁電動機又可分為永磁直流電動機和永磁交流電動機。而永磁交流電動機指的是帶有永磁轉子的多相同步電動機，所以常被稱為永磁同步電動機 (PMSM)。

永磁直流電動機如果按有無電劇和換向器來分．又可分為永磁有刷直流電動機和永磁無刷直流電動機 (BLDCM )。

當今世界，現代電力電子學理論和技術正在大發展．電力電子器件，如 MOSFET、IGBT、MCT 等的不斷問世，控制裝置發生根本性變化。自 1971年 F·BlascEke提出交流電機矢量控制原理之后，矢量控制技術的發展開創了交流伺服傳動控制的新紀元，麗各種高性能微處理器的不斷推出，進一步加速了交流伺服系統取代直流伺服系統的發展。交辯I伺服系統取代直流伺服系統已成必然趨勢。然而，具有正弦波反電勢的永磁同步電動機 (PMSM)和具有梯形波反電勢的無刷直流電動機 (BLIX~)因其本身卓越的性能必將會成為發展高性能交流伺服系統的主流。

永磁電機的相關注意事項

1 、磁路結構和設計計算

為了充分發揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優異磁性能，制造出性價比高的永磁電機，就不能簡單套用傳統的永磁電機或電勵磁電機的結構和設計計算方法，必須建立新的設計概念，重新分析和改進磁路結構。隨著計算機硬件和軟件技術的迅猛發展，以及電磁場數值計算、優化設計和仿真技術等現代化設計方法的不斷完善，經過電機學術界和工程界的共同努力，現已在永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面取得了突破性進展，形成了以電磁場數值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究方法和計算機輔助分析、設計軟件，并正在不斷完善中。

2、控制問題

永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節、控制其磁場極為困難。永磁發電機難以從外部調節其輸出電壓和功率因數，永磁直流電動機不能再用改變勵磁的辦法來調節其轉速。這些使永磁電機的應用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術的迅猛發展，大多數永磁電機在應用中，可以不必進行磁場控制而只進行電樞控制。設計時需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術結合起來，使永磁電機在嶄新的工況下運行。

3、不可逆退磁問題

如果設計或使用不當，永磁電機在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發適于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構形式的抗去磁能力，以便在設計和制造時，采用相應措施保證永磁電機不失磁。

4 、成本問題

鐵氧體永磁電機，特別是微型永磁直流電動機，由于結構工藝簡單、質量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了極為廣泛的應用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節省來補償。在某些場合，例如計算機磁盤驅動器的音圈電動機，采用釹鐵硼永磁后性能提高，體積質量顯著減小，總成本反而降低。在設計時既需根據具體使用場合和要求，進行性能、價格的比較后決定取舍，又要進行結構工藝的創新和設計優化以降低成本。

永磁電機的效率

永磁同步電機主要由定子、轉子和殼體部件構成。與普通交流電機一樣，定子鐵芯為疊片結構，以減小電動機運行時因渦流和磁滯效應鐵耗；繞組通常也為三相對稱結構，只是參數選取有較大區別。轉子部分則形式多樣，有帶啟動鼠籠的永磁轉子，也有內嵌式或表貼式純永磁轉子。轉子鐵芯可以制成實心結構，也可以疊片而成。轉子上裝有永磁體材料，大家習慣上稱之為磁鋼。

永磁電機正常工作下，轉子與定子磁場處于同步狀態，轉子部分沒有感應電流，無轉子銅耗和磁滯、渦流損耗，不需要考慮轉子損耗發熱問題。一般永磁電機為專用變頻器供電，天然具有軟啟動功能。另外，永磁電機屬于同步電機，具有同步電機通過勵磁強弱調節功率因數的特點，因而功率因數可以設計到規定數值。

從起動角度分析，緣于永磁電機由變頻電源或配套變頻器起動的實際，永磁電機的起動過程實現很容易；與變頻電機的起動相似，規避了普通籠型異步電機的起動缺陷。

總之，永磁電機的效率和功率因數可以達到很高，結構非常簡單，近十幾年來市場十分火爆。

但是，失磁故障是永磁電機不可回避的問題，當電流過大或溫度過高時，會導致電機繞組溫度瞬間不斷攀升、電流急劇增大，永磁體迅速失磁。在永磁電機控制中，設定了過電流保護裝置，避免了電機定子繞組被燒毀的問題，但由此而導致的失磁和設備停運不可避免。

相對于其他電機，永磁電機在市場上的應用還不是很普及，無論對于電機制造者還是使用者，都有一些未知的技術盲區，特別是涉及到與變頻器的匹配問題，往往會導致設計值與試驗數據嚴重不符，必須反復驗證。

永磁電機如何耐高溫

高低溫環境下永磁電機系統的器件特性和指標變化大，電機模型與參數復雜，非線性度增加、耦合程度增加，功率器件損耗變化大，不但驅動器的損耗分析與溫升控制策略復雜，而且四象限運行控制更加重要，常規的驅動控制器設計和電機系統控制策略不能滿足高溫環境的要求。

常規設計的驅動控制器工作在環境溫度相對穩定條件下，而且很少考慮質量、體積等指標。然而在極端工況下，環境溫度在－70～180℃的寬溫區范圍內變化，大部分的功率器件無法在此低溫中啟動，導致驅動器功能失效。另外受電機系統總質量限制，驅動控制器的散熱性能必然要大幅度減小，這反過來影響驅動控制器的性能及可靠性。

超高溫條件下，成熟的SPWM、SVPWM、矢量控制方法等開關損耗較大，應用受到限制。隨著控制理論和全數字控制技術的發展，速度前饋、人工智能、模糊控制、神經元網絡、滑模變結構控制和混沌控制等各種先進算法在現代永磁電機伺服控制中都有了成功的應用。

對耐高溫環境永磁電機驅動控制系統，必須以物理場計算為基礎，密切結合材料與器件特性的變化特點，建立電機－變流器一體化模型，進行場路耦合分析才能充分考慮環境對電機系統特性的影響，充分利用現代控制技術以及智能控制技術，才能提高電機綜合控制品質。另外，工作于惡劣環境下的永磁電機由于不易更換，處于長時間運行工況下，并且外部環境參數（包括：溫度、壓強、氣流速度和方向等）變化復雜，導致電機系統工況隨動。因此，必須研究參數攝動以及外部擾動情況下永磁電機高魯棒性驅動控制器的設計技術。