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永磁電機(jī)

永磁電機(jī)采用永磁體生成電機(jī)的磁場(chǎng)，無(wú)需勵(lì)磁線圈也無(wú)需勵(lì)磁電流，效率高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是很好的節(jié)能電機(jī)，隨著高性能永磁材料的問(wèn)世和控制技術(shù)的迅速發(fā)展．永磁電機(jī)的應(yīng)用將會(huì)變得更為廣泛。

永磁電機(jī)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。因而應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。

1、永磁直流電動(dòng)機(jī)

永磁直流電動(dòng)機(jī)與普通直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的不同在于，前者取消了勵(lì)磁繞組和磁極鐵心，代之以永磁磁極。永磁直流電動(dòng)機(jī)的特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)類似，兩者之間的區(qū)別在于主磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式不同。前者磁場(chǎng)不可控，后者磁場(chǎng)可控。永磁直流電動(dòng)機(jī)除了具有他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的良好特性外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

2、異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)是具有自起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機(jī)，兼有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。它依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與籠型轉(zhuǎn)子相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)起動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子運(yùn)行在同步速，籠型轉(zhuǎn)子不再起作用，其工作原理與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)基本相同。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，有以下特點(diǎn)：

（1）轉(zhuǎn)速恒定，為同步速。

（2）功率因數(shù)高， 甚至為超前功率因數(shù)，從而減少定子電流和定子電阻損耗，而且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可減小風(fēng)扇（小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇）和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，效率比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可提高 2% ～ 8% 

（3）具有寬的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍。不僅額定負(fù)載時(shí)有較高的功率因數(shù)和效率， 而且在25% ～ 120% 額定負(fù)載范圍內(nèi)都有較高的功率因數(shù)和效率，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。這類電動(dòng)機(jī)一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動(dòng)繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)的能力。

（4）永磁電機(jī)體積和質(zhì)量較感應(yīng)電機(jī)大大縮小。如 11kW 的異步電動(dòng)機(jī)質(zhì)量為220kg，而永磁電動(dòng)機(jī)僅為 92kg，相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)質(zhì)量的 45. 8% 。

（5）對(duì)電網(wǎng)影響小。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)低，電動(dòng)機(jī)要從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功電流，造成電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)下降，加重電網(wǎng)變配電設(shè)備的負(fù)擔(dān)和電能損耗。而永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高，提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)，使電網(wǎng)中不再需要安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置。

（6）由于通常采用釹鐵硼永磁材料，因此價(jià)格高；當(dāng)電機(jī)設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)時(shí)，可能出現(xiàn)不可逆退磁。

（7） 加工工藝復(fù)雜，機(jī)械強(qiáng)度差。

（8） 電機(jī)性能受環(huán)境溫度、供電電壓等因素影響較大。

3、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用電子換向裝置代替直流電動(dòng)機(jī)的換向器，保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性。它既具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)。由于取消了電刷換向器，因此可靠性高；損耗主要由定子產(chǎn)生，散熱條件好；體積小、質(zhì)量輕。

4、調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)

調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上基本相同，定子上為多相繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁體，兩者優(yōu)點(diǎn)相似。它們的主要區(qū)別在于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息實(shí)現(xiàn)同步，而調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)需一套電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步和調(diào)速。

5、永磁同步發(fā)電機(jī)

永磁同步發(fā)電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)特殊的同步發(fā)電機(jī)，與普通同步發(fā)電機(jī)不同的是，它采用永磁體建立磁場(chǎng)，取消了勵(lì)磁繞組、勵(lì)磁電源、集電環(huán)和電刷等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，效率高，免維護(hù)。采用稀土永磁時(shí)，氣隙磁密高，功率密度高，體積小，質(zhì)量輕。但由于采用了永磁體建立磁場(chǎng)，因此難以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的方法調(diào)節(jié)輸出電壓和無(wú)功功率。另外，永磁同步發(fā)電機(jī)通常采用釹鐵硼或鐵氧體永磁，永磁體的溫度系數(shù)較高，輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化， 導(dǎo)致輸出電壓偏離額定電壓，且難以調(diào)節(jié)。

永磁電機(jī)缺點(diǎn)

永磁電機(jī)（PMM）通過(guò)定子電流與轉(zhuǎn)子上或轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。小型低功耗電機(jī)用于IT設(shè)備，商用機(jī)器和汽車輔助設(shè)備中的表面轉(zhuǎn)子磁體是常見(jiàn)的。內(nèi)部磁體（IPM）在電動(dòng)車輛和工業(yè)電機(jī)等大型機(jī)器中很常見(jiàn)。

在永磁電機(jī)中，如果不考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，定子可能采用集中（短節(jié)距）繞組，但在較大的永磁電機(jī)中，分布繞組是常見(jiàn)的。由于永磁電機(jī)無(wú)機(jī)械換向器，因此逆變器是控制繞組電流的關(guān)鍵。永磁電機(jī)不同于其他類型的無(wú)刷電機(jī)，它不需要電流來(lái)支撐其磁場(chǎng)。所以，在尺寸較小或者質(zhì)量較輕的情況下，永磁電機(jī)能夠提供最大扭矩并有可能成為最佳選擇。無(wú)磁化電流還意味著“最佳點(diǎn)”加載時(shí)，效率更高--也就是電機(jī)表現(xiàn)最好的位置。

此外，盡管永磁體在低速時(shí)帶來(lái)了性能優(yōu)勢(shì)，但它們也是技術(shù)上的“致命弱點(diǎn)”。例如，隨著永磁電機(jī)速度的增加，反電動(dòng)勢(shì)接近逆變器電源電壓，從而無(wú)法控制繞組電流。這定義了通用永磁電機(jī)的基本速度，并且在表面磁體設(shè)計(jì)中通常代表給定電源電壓的最大可能速度。

在大于基本速度的速度下，IPM使用主動(dòng)磁場(chǎng)弱化，其中操縱定子電流故意壓低磁通量?？梢钥煽繉?shí)施的速度范圍限制在4：1左右。和以前一樣，這個(gè)限制可以通過(guò)減少繞組匝數(shù)和接受更大的成本和逆變器中的功率損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)。

磁場(chǎng)弱化的需要是速度相關(guān)的，并且不管扭矩如何都會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的損失。這會(huì)降低高速下的效率，特別是在輕負(fù)載下。

其他缺點(diǎn)包括由于其固有的反電動(dòng)勢(shì)在故障條件下難以管理的事實(shí)。即使變頻器斷開(kāi)，只要電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電流就會(huì)持續(xù)流過(guò)繞組故障，從而導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩和過(guò)熱，并且都是危險(xiǎn)的。例如，由于變頻器停機(jī)，在高速下的磁場(chǎng)減弱會(huì)導(dǎo)致不受控制的發(fā)電，并且逆變器的直流母線電壓可能上升到危險(xiǎn)的水平。除那些安裝釤鈷磁體永磁電機(jī)之外，操作溫度也是又一重要約束。且因逆變器故障引起的高電動(dòng)機(jī)電流可引起退磁。最大速度受限于機(jī)械磁鐵的保持力。若永磁電機(jī)破損，維修其一般需回到廠房?jī)?nèi)，由于難以對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行安全提取加工。最后是報(bào)廢后回收問(wèn)題同樣令人頭疼，不過(guò)目前稀土材料價(jià)值較高可能使得這類材料更經(jīng)濟(jì)可行。

盡管存在這些缺點(diǎn)，永磁電機(jī)仍然在低速和效率方面保持無(wú)與倫比的地位，而且在尺寸和重量至關(guān)重要的情況下，它們都非常有用。

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