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      3. 永磁电机的发展及在各个领域的应用

        点击: 日期:2021-4-6 字体大。14px 12px
        永磁电机的发展及在各个领域的应用

        永磁电机采用永磁体生成电机的磁场,无需励磁线圈也无需励磁电流,效率高结构简单,是很好的节能电机,随着高性能永磁材料的问世和控制技术的迅速发展.永磁电机的应用将会变得更为广泛。

         
         

        永磁电机的发展历史
        永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家,两千多年前,我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针,在航海、军事等领域发挥了巨大的作用,成为我国古代四大发明之一。
        19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石(Fe3O4),磁能密度很低,用它制成的电机体积庞大,不久被电励磁电机所取代。
        随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明,人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究,相继发现了碳钢、钨钢(最大磁能积约2.7 kJ/m3)、钴钢(最大磁能积约7.2 kJ/m3)等多种永磁材料。
        特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁(最大磁能积可达85 kJ/m3)和50年代出现的铁氧体永磁(最大磁能积现可达40 kJ/m3),磁性能有了很大提高,各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦,大至几十千瓦,在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用,产量急剧增加。相应地,这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展,形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。

        但是,铝镍钴永磁的矫顽力偏低(36~160 kA/m),铁氧体永磁的剩磁密度不高(0.2~0.44 T),限制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代,稀土钴永磁和钕铁硼永磁(二者统称稀土永磁)相继问世,它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机,从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。
        永磁电机的特点及应用
        与传统的电励磁电机相比,永磁电机,特别是稀土永磁电机具有结构简单,运行可靠;体积小,质量轻;损耗小,效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样等显着优点。因而应用范围极为广泛,几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用场合。
        稀土永磁发电机永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置,结构简单,减少了故障率。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密,并把电机转速提高到最佳值,提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的150 kVA 14 极 12 000 r/min~21 000 r/min和100 kVA 60 000 r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3 kW 20 000 r/min的永磁发电机。



         

        永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机,80年代我国研制成功当时世界容量最大的40 kVA~160 kVA稀土永磁副励磁机,配备200 MW~600 MW汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。
        目前,独立电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步推广。
        永磁电机在各个应用领域中的重要作用
        1 节能稀土永磁电机以消费为主要对象,如纺织和化纤工业用稀土永磁同步电机,石油、采矿,稀土永磁同步电动机在煤矿运输机械,稀土永磁同步电机驱动各种泵与风机。
        2 各种稀土永磁电机被各种类型的车辆(汽车,摩托车,火车)使用,稀土永磁电机是zui大的市场。据统计,大约70%的车用稀土永磁电机。豪华轿车,为各种应用的电机已达70多套。由于各种汽车电机的要求是不同的,永磁材料的选择是不一样的。马达磁铁用于空调、风机、电动车窗,从价格的角度考虑,未来将继续铁氧体的优势。点火线圈、驱动装置、传感器,仍然使用Sm-Co烧结磁体。此外,汽车零部件,也是电动汽车不可忽视的,作为一种环保型(EV)和混合动力电动汽车(HEV)。
        3 稀土永磁电机交流伺服系统一套电子的、高性能的、速度控制系统的机电一体化机械。系统是一个自我控制的永磁同步电机主体。该系统用于数控机床的发展,柔性制造技术;也用于电动汽车,而不是传统的热动力车,车辆排放的自由。稀土永磁电机是一种很有发展前途的高技术产业。
        4 新领域主要是为新的空调和冰箱的小功率稀土永磁同步电机变频调速系统的支持,用于各种稀土永磁直流微电机的无线电动小工具,稀土永磁无刷直流电动机是功率不同的仪器。这种电机的需求也很大。
        5 在航空航天应用为优势的稀土永磁材料,使其在航空发动机应用非常合适。虽然有稀土永磁电机在空气中的一些应用程序(如发电机电压和短路;さ龋,但国内外的专家一致认为,稀土永磁电机是新一代航空发动机的一个重要发展方向。

        成本问题


        铁氧体永磁电机,特别是微型永磁直流电动机,由于结构工艺简单、质量减轻,总成本一般比电励磁电机低,因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵,稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高,这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。


        在某些场合,例如计算机磁盘驱动器的音圈电动机,采用钕铁硼永磁后性能提高,体积质量显着减小,总成本反而降低。在设计时既需根据具体使用场合和要求,进行性能、价格的比较后决定取舍,又要进行结构工艺的创新和设计优化以降低成本


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