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永磁電機生產廠家為大家介紹永磁電機的分析與應用

文章出處:www.cee123.com  |  發布時間:2017/1/16 17:02:05  |  瀏覽次數:645
★  永磁電機的發展及應用  ★

    永磁電機是由永磁體建立勵磁磁場,從而實現機電能量轉換的裝置,它與電勵磁同步電機一樣以同步速旋轉,亦稱永磁同步電機。永磁同步電機,特別是稀土永磁同步電機與電勵磁同步電機相比,具有結構緊湊、體積小、重量輕等特點,且永磁電機的尺寸和結構形式靈活多樣,可以拓撲出很多種結構形式。由于永磁電機取消了電勵磁系統,從而提高了電機效率,使得電機結構簡化,運行可靠。 

    永磁電機的發展是與永磁材料的發展密切相關的。早在1821年法拉第發明電機模型,他就利用了天然永磁磁鐵建立磁場,給放在磁場中的導線通以直流電,導線能夠繞著永磁磁鐵不停旋轉,這可以說是永磁電機的雛形。1831年法拉第在發現電磁感應現象之后不久,利用電磁感應原理發明了真正意義上的電機—法拉第圓盤發電機,其結構是將紫銅圓盤放置在蹄形永磁體的磁場中,圓盤的邊緣和圓心處各與一個電刷緊貼,用導線把電刷和電流表連接起來,當轉動圓盤中心處固定的搖柄時,電流表的指針偏向一邊,電路中產生了持續的電流。同年夏天,亨利對法拉第的電機模型進行了改進,制成了一個簡單的永磁振蕩電動機模型。1832年斯特金發明了換向器,并對亨利的振蕩電動機進行了改進,制作了能產生連續運動的旋轉電動機。同年,法國人皮克希發明了一臺永磁交流發電機。

    以上電機均是采用磁鐵建立磁場的,由于當時磁鐵是用磁性能很低的天然磁鐵礦石做成的,造成電機體積龐大、性能較差。1845年英國的惠斯通用電磁鐵代替磁鐵,并于1857年發明了自勵電勵磁發電機,開創了電勵磁方式的新紀元。由于電勵磁方式能在電機中產生足夠強的磁場,使電機體積小、重量輕、性能優良,在隨后的70多年內,電勵磁電機理論和技術得到了迅猛發展,而永磁勵磁方式在電機中的應用則較少。20世紀中期,隨著鋁鎳鈷和鐵氧體永磁材料的出現以及性能的不斷提高,各種微型永磁電機不斷出現,在工農業生產、日常生活、軍事工業中都得到了應用。但鋁鎳鉆和鐵氧體永磁材料的磁能積較低,導致永磁電機性能低、體積大,限制了永磁電機的發展。1967年釤鈷永磁材料的出現,開創了永磁電機發展的新紀元,杉鉆永磁材料性能好、價格昂貴,各國研究開發的重點是航空航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。20世紀80年代末,西門子公司生產的用于艦船推進的6相、1.IMW、230r/min、45kN·m的低速大轉矩永磁同步電動機,ABB公司生產的用于艦船推進的1.SMW永磁同步電動機和德國AEG研制的用于調速系統的3.SMW、4極永磁同步電動機是國外稀土鈷永磁電機的代表。

    1983年磁性能更高而價格相對較低的釹鐵硼永磁材料問世后,國內外研究開發的重點轉移到工業和民用電機上。其中,高效釹鐵硼永磁同步電動機在額定負載時的效率比同規格的感應式異步電動機可提高2%一8%,且它在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。
       
    因此,近十年來在油田抽油機上得到了較多的應用,是中小型釹鐵硼永磁同步電動機應用比較成功的例子。這類永磁電機通常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,因而稱為異步起動永磁同步電動機。對于100kW~1000kW的大功率同步電動機來說,異步起動永磁同步電動機省去了勵磁柜,對比電勵磁同步電動機不僅提高了效率、簡化了結構,而且成本增加不多,因而成為它的又一重要應用場合,以8極110Kw永磁電機為例,其效率達95%,功率因數為0.916,永磁體用量為0.15kg/kW。由變頻器供電的無刷直流和調速永磁同步電動機加上轉子位置閉環控制系統后,在要求高控制精度和高可靠性的場合,如航空航天、數控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面都得到了廣泛應用。另外,特殊結構的永磁電機,如盤式電機、無槽電機、無鐵心電機、音圈電機(即驅動磁盤驅動器中讀寫磁頭作往復運動的動圈式直線電動機)等在電動汽車、計算機、航天工程和要求準確定位控制的場合都得到了廣泛應用。隨著釹鐵硼永磁材料耐高溫性能的提高和價格的降低,釹鐵硼永磁電機在國防、工農業生產和日常生活等方面得到了更為廣泛的應用,正向大功率化(高轉速)、大轉矩化、高功能化和微型化方向發展,目前高轉速已超過300000r/min,低轉速低于0.01r/min,小電機外徑只有0.8mm,軸向長度只有1.2mm。

★  永磁電機的分類  ★

    常規的旋轉永磁同步電動機可以分為以下4類:永磁(有刷)直流電動機、異步起動永磁同步電動機、永磁無刷直流電動機和調速永磁同步電動機。永磁(有刷)直流電動機與普通直流電動機相比,結構上取消了勵磁繞組和磁極鐵心,代之以永磁磁極,具有結構簡單、效率高、體積小、重量輕等特點。永磁(有刷)直流電動機多為微型電機,在電動玩具、家用電器、汽車電氣中得到了廣泛應用,其中尤以在汽車電氣中的應用發展快,在高級轎車中可使用幾十臺微型永磁(有刷)直流電動機。永磁無刷直流電動機和調速永磁同步電動機在結構上基本相同,定子電樞為多相繞組,轉子上裝有永磁體,兩者間的主要區別在于前者是由方波電流驅動的永磁無刷電動機,而后者是由正弦波電流驅動的永磁無刷電動機,它們具有可靠性高、散熱條件好、體積小、重量輕等優點。異步起動永磁同步電動機的特點是轉子上有起動繞組或具有起動作用的整體鐵心,能自起動,無需控制系統即可接入市電起動運行。調速永磁同步電動機的定子一般采用三相對稱的分布式短距繞組,以得到接近正弦波的相電動勢,并采用轉子斜極或定子斜槽等措施來降低齒槽轉矩、振動和噪聲。調速永磁同步電動機的轉子結構形式多樣,主要有永磁體表面凸出式、表面插入式和內置式三種結構,如圖l一1所示。在永磁體采用稀土永磁材料的情況下,由于該材料的相對回復磁導率接近于空氣的磁一導率,因此圖1 (a)所示轉子結構的直軸磁阻與交軸磁阻近似相等,于是該結構的交、直軸電感近似相等,表現出隱極電機的特性。而另外兩種結構的直軸磁阻大于交軸磁阻,因而直軸電感小于交軸電感,表現出凸極電機的特性。

★  永磁材料的種類  ★

    我國是世界上較早利用磁性材料的國家,早在公元前2500年就己經出現了關于天然磁石的知識,四大發明之一的指南針便是應用了天然磁鐵的特性。但是,世界上對永磁材料進行的深入科學研究直到19世紀末20世紀初才開始,永磁材料的發展大致經歷了四個階段:一階段—基于碳鋼的永磁材料、二階段一一鋁鎳鉆永磁材料、三階段—鐵氧體永磁材料、四階段—稀土永磁材料。永磁材料種類繁多,根據其制造方式和組成成為的不同,可將常見的永磁材料分類如下:

        


    (l)馬氏體鋼永磁材料是早期使用的永磁材料,包括碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鉆鋼和鋁鋼,它是通過熱處理將己經加工好的零件加熱到高溫,通過淬火使奧氏體轉化為馬氏體而得到的永磁材料。它的優點是塑性好,可進行冷加工和切削加工,原材料豐富,但矯頑力和磁能積較低,多用于對磁性能要求不高而注重生產成本的場合。
    
    (2)鐵鎳鈷基永磁材料包括鋁鎳型永磁、鋁鎳鈷鐵永磁和鋁鎳鈷永磁,其中鋁鎳鈷永磁材料應用較多。鋁鎳鈷永磁材料有鑄造和燒結兩種生產工藝,鑄造工藝可以加工不同尺寸和形狀的永磁體,而燒結工藝僅限于加工小尺寸的永磁體,但其工藝簡單,很適合大批量生產。鋁鎳鈷的主要優點是溫度系數非常低,一般為一0.02%/K,且工作溫度范圍可達一273~400℃,工作溫度為520℃,居里溫度達800℃以上。鋁鎳鈷的剩磁密度較高,范圍在0.53~1.35T之間,但矯頑力較低,一般只有50一160kA/m,因此對其進行充磁和去磁都很容易,新型的記憶電動機就是通過對鋁鎳鈷材料不斷地進行充磁和去磁來達到改變極性和調節磁通的目的。在實際應用中,鋁鎳鈷永磁材料適合做成長棒形以盡可能地減小退磁。為充分發揮其磁性能,對鋁鎳鈷構成的磁路必須進行整體飽和充磁,且在重新組裝后還需再次整體飽和充磁,否則其磁性能將大大下降。鋁鎳鈷永磁材料廣泛應用于環境溫度高或對永磁體溫度穩定性要求嚴格的場合。 
       
    (3)可加工永磁材料包括鐵鉻鉆、銅鎳鐵、銅鎳鈷、鉑鈷、鐵鈷釩和錳鋁碳等,它們力學性能好,能加工成各種帶、片、板、線形狀,且具有較高磁性能。鐵鉻鉆永磁材料的磁性能與鋁鎳鈷相當,磁能積為40一48kJ/m,矯頑力達159一207kA/m,使用溫度可達400℃,機械韌性好;銅鎳鐵和銅鎳鈷具有較高的矯頑力,但剩磁密度和磁能積較低;鉑鈷磁性能較高,其剩磁密度可達0.72T,矯頑力可達4O0kA/m,居里溫度為825℃,機械韌性好,但價格較高,主要應用于醫療和飛機航行記錄儀;錳鋁碳的矯頑力與鐵氧體相當,剩磁溫度系數為一0.02%/K,由于原料豐富因而價格便宜。 
       
    (4)鐵氧體永磁材料主要包括鋇鐵氧體和鉻鐵氧體兩類。鐵氧體的顯著特點就是剩磁密度低、矯頑力高、相對回復磁導率小,其剩磁范圍一般在0.2一0.44T之間,而矯頑力可達128~264kA了m,其抗去磁能力強,實際使用時適合做成扁平形狀。鐵氧體永磁材料的主要原料是金屬氧化物,一般不受環境或化學物質影響,穩定性好,且原材料豐富而價廉,因此是一種應用較廣泛的永磁材料,在永磁電機中也有較多應用。 
       
    (5)稀土鈷永磁材料主要有兩類:一類是RCos(R代表稀土元素),稱為1:5稀土鈷;另一類是凡Col7,稱為2:17稀土鈷。1:5系列的矯頑力比2:17系列高,而2:17系列的剩磁密度比1:5系列高,在退磁磁場較大的場合宜用1:5系列永磁體。稀土鉆的剩磁密度一般為 0.85~1.15T,矯頑力可達80OkA/m,磁能積可達258.6kJ/m3,退磁曲線基本為一條直線。稀土鉆的居里溫度高,一般能達到710~800℃,剩磁溫度系數為一(0.03一0.09)%/K,磁性能穩定性好,可在300℃高溫下使用。此外,稀土鈷具有很強的耐腐蝕和抗氧化能力,通常無需進行表面處理。雖然稀土鈷的性能優異,但由于含有稀有的金屬衫和戰略金屬鈷,因此價格昂貴,限制了它的應用范圍,主要應用于軍事和航天等要求永磁體體積小、重量輕、磁性能高且穩定的場合。 
       
    (6)釹鐵硼永磁材料是目前磁性能好的永磁材料,它的主要成分是Nd2Fe14B。其磁能積可達398kJ/m,為鐵氧體永磁材料的5一12倍、鋁鎳鈷永磁材料的3~10倍,剩磁密度高可達1.47T,矯頑力高可超過1000kA/m,能吸起相當于自身重量640倍的重物。但釹鐵硼的居里溫度低,僅為310~400℃,溫度穩定性較差,其剩磁溫度系數為一(0.095一0.15)%/K,矯頑力溫度系數為一(0.4~0.7)%/K,一般較高工作溫度為150℃,但目前己有能耐200℃高溫的釹鐵硼材料。釹鐵硼在常溫下的退磁曲線是一條直線,但在高溫下其退磁曲線的下部會發生彎曲,若設計不當易發生不可逆退磁。釹鐵硼材料內含有大量的釹和鐵成分,易銹蝕,化學穩定性欠佳,一般需要對其表面做電鍍處理,通常鍍層厚度為10一40μm。由于釹鐵硼材料中不含鈷,且釹在稀土中的含量是釤的十幾倍,因此釹鐵硼的價格比稀土鉆材料要低很多,近些年己廣泛應用于永磁電機中,基本取代了鐵氧體材料。

★  結 論  ★

    本文首先介紹了永磁電機的發展、應用,對從1821年開始以來永磁體的發展和永磁電機的應用場合及其發展方向進行了詳細介紹;其次對永磁電機和其永磁材料的主要性能參數做了詳細分析。對永磁材料的種類進行了概括性的介紹。
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