稀土永磁電機(jī)是70年代初期出現(xiàn)的一種新型永磁電機(jī)，由于稀土永磁體的高磁能積和高矯頑力（特別是高內(nèi)稟矯頑力），使得稀土永磁電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、特性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)
由于稀土永磁材料的磁性能優(yōu)異，它經(jīng)過充磁后不再需要外加能量就能建立很強(qiáng)的永久磁場，用來替代傳統(tǒng)電機(jī)的電勵(lì)磁場所制成的稀土永磁電機(jī)不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，還可做到體積小、重量輕。既可達(dá)到傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)所無法比擬的高性能（如特高效、特高速、特高響應(yīng)速度），又可以制成能滿足特定運(yùn)行要求的特種電機(jī)，如電梯曳引電機(jī)、汽車專用電機(jī)等。稀土永磁電機(jī)與電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，更使電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的性能提高到一個(gè)嶄新的水平。從而提高所配套的技術(shù)裝備的性能和水平，是電機(jī)行業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向。
稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空、航天、國防、裝備制造、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。它包括永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)、交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、永磁直線電機(jī)、特種永磁電機(jī)及相關(guān)的控制系統(tǒng)，幾乎覆蓋了整個(gè)電機(jī)行業(yè)。
工作原理
稀土永磁電機(jī)的工作原理與電勵(lì)磁同步電機(jī)相同，區(qū)別在于前者是以永磁體替代勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁。當(dāng)永磁電機(jī)的三相定子繞組（各相差120°電角度）通入頻率為f的三相電后，將產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場。穩(wěn)態(tài)情況下，主極磁場隨著旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此定子和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦是同步轉(zhuǎn)速，定子旋轉(zhuǎn)磁場恒與永磁體建立的主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。
應(yīng)用
與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，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、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。下面介紹幾種典型永磁電機(jī)的主要特點(diǎn)及其主要應(yīng)用場合。
稀土永磁發(fā)電機(jī)
永磁同步發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不需要集電環(huán)和碳刷裝置，結(jié)構(gòu)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(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，提高功率質(zhì)量比。當(dāng)代航空、航天用發(fā)電機(jī)幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機(jī)。其典型產(chǎn)品為通用電氣制造的150kVA14極12000r/min～21000r/min和100 kVA60000r/min的稀土鈷永磁同步發(fā)電機(jī)。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機(jī)即為3kW20000r/min的永磁發(fā)電機(jī)。
永磁發(fā)電機(jī)也用作大型汽輪發(fā)電機(jī)的副勵(lì)磁機(jī)，80年代我國研制成功當(dāng)時(shí)世界容量最大的40kVA～160kVA稀土永磁副勵(lì)磁機(jī)，配備200MW～600MW汽輪發(fā)電機(jī)后大大提高電站運(yùn)行的可靠性。
21世紀(jì)以來，獨(dú)立電源用的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)小型發(fā)電機(jī)、車用永磁發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)的小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在逐步推廣。
高效同步電動(dòng)機(jī)
永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)到1，甚至容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有定子和轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可以減小風(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個(gè)百分點(diǎn)。而且，永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。這類電機(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。21世紀(jì)10年代，主要應(yīng)用在油田、紡織化纖工業(yè)、陶瓷玻璃工業(yè)和年運(yùn)行時(shí)間長的風(fēng)機(jī)水泵等領(lǐng)域。
我國自主開發(fā)的高效高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)在油田應(yīng)用中可以解決“大馬拉小車”問題，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)大50%～100%，可以替代大一個(gè)機(jī)座號的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，節(jié)電率在20%左右。
紡織化纖行業(yè)中負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，要求高牽入轉(zhuǎn)矩。合理設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載漏磁系數(shù)、凸極比、定子和轉(zhuǎn)子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數(shù)可以提高永磁電機(jī)的牽入性能，促使它應(yīng)用于新型的紡織和化纖工業(yè)。
大型電站、礦山、石油、化工等行業(yè)所用幾百千瓦和兆瓦級風(fēng)機(jī)、泵類用電機(jī)是耗能大戶，21世紀(jì)10年代，所用電機(jī)的效率和功率因數(shù)較低，改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)約能源，且為無刷結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)行的可靠性。目前1 120kW永磁同步電動(dòng)機(jī)是世界上功率最大的異步起動(dòng)高效稀土永磁電機(jī)，效率高于96.5%（同規(guī)格電機(jī)效率為95%），功率因數(shù)0.94，可以替代比它大1～2個(gè)功率等級的普通電動(dòng)機(jī)。
交流伺服永磁電動(dòng)機(jī)和無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)
21世紀(jì)以來，越來越多地用變頻電源和交流電動(dòng)機(jī)組成交流調(diào)速系統(tǒng)來替代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在交流電動(dòng)機(jī)中，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)與電源頻率保持恒定的關(guān)系，使得它可直接用于開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。這類電機(jī)通常由變頻器頻率的逐步升高來起動(dòng)，在定子和轉(zhuǎn)子上可以不設(shè)置起動(dòng)繞組，而且省去了無刷馬達(dá)和換向器，維護(hù)方便。
變頻器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成自同步永磁電動(dòng)機(jī)，既具有電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異調(diào)速性能，又實(shí)現(xiàn)了無刷化，主要應(yīng)用于高控制精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、fcv、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等。
現(xiàn)已研制成寬調(diào)速范圍、高恒功率調(diào)速比的釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)速比高達(dá)1：22500，極限轉(zhuǎn)速達(dá)到9000r/min。永磁同步電動(dòng)機(jī)高效、小振動(dòng)、低噪聲、高轉(zhuǎn)矩密度的特點(diǎn)在電動(dòng)車、機(jī)床等驅(qū)動(dòng)裝置中是最理想的電動(dòng)機(jī)。
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(diào)器，既是耗電大件，又是噪聲的主要來源，其發(fā)展趨勢是使用能無級調(diào)速的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。它既能根據(jù)室溫的變化，自動(dòng)調(diào)整到適宜的轉(zhuǎn)速下長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，減少噪聲和振動(dòng)，使人的感覺更為舒適，還比不調(diào)速的房間空氣調(diào)節(jié)器節(jié)電1/3。其他如電冰箱、洗衣機(jī)、除塵器、風(fēng)扇等也在逐步改用無刷直流電動(dòng)機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)
直流電動(dòng)機(jī)采用永磁勵(lì)磁后，既保留了電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速特性和機(jī)械特性，還因省去了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁損耗而具有結(jié)構(gòu)工藝簡單、體積小、用銅量少、效率高等特點(diǎn)。因而從家用電器、便攜式汽車傳感器、電動(dòng)工具到要求有良好動(dòng)態(tài)性能的精密速度和位置傳動(dòng)系統(tǒng)都大量應(yīng)用永磁直流電動(dòng)機(jī)。500W以下的微型直流電動(dòng)機(jī)中，永磁電機(jī)占92%，而10 W以下的永磁電機(jī)占99%以上。
21世紀(jì)以來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車工業(yè)是永磁電機(jī)的最大用戶，電機(jī)是汽車的關(guān)鍵部件，一輛超豪華轎車中，各種不同用途的電機(jī)達(dá)70余臺，其中絕大部分是低壓永磁直流微特電機(jī)。汽車、摩托車用起動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，采用釹鐵硼永磁并采用減速行星齒輪后，可使起動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量減輕一半。
無鐵心釹鐵硼
利用釹鐵硼永磁材料高矯頑力的優(yōu)異特性不用或少用硅鋼片，制成無鐵心電機(jī)，質(zhì)量大大減輕。無鐵心永磁電機(jī)采用聚磁型結(jié)構(gòu)和正余弦充磁，所產(chǎn)生的磁場呈正弦曲線分布，因此可以不斜槽，可以采用集中繞組，便于AC控制。繞組端部短，損耗小，轉(zhuǎn)矩密度高，振動(dòng)噪聲顯著降低。應(yīng)用在汽車方向盤驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人、電梯及DVD的驅(qū)動(dòng)等許多方面。
橫向磁通釹鐵硼
為了解決安放電感線圈的槽的寬度與磁通流經(jīng)的齒部的寬度之間的矛盾，提高電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，人們不斷探索新的磁路結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了橫向磁通電機(jī)（Transverse 熔劑 Machine）結(jié)構(gòu)思想。這種電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子齒槽結(jié)構(gòu)和電樞線圈在空間上相互垂直，主磁通沿電機(jī)軸向流通，電流和磁負(fù)荷在空間上不存在競爭，因而定子尺寸和通電線圈的大小相互獨(dú)立，在一定范圍內(nèi)可以任意選取，提高了功率密度。21世紀(jì)，國際上對這種結(jié)構(gòu)電機(jī)的研發(fā)剛剛起步，有廣闊的發(fā)展前景。
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(lì)磁逐步取代電勵(lì)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，例如軸向永磁電機(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(dòng)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(dòng)，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。
參考資料 >