稀土永磁電機

稀土永磁電機的工作原理與電勵磁同步電機相同，區(qū)別在于前者是以永磁體替代勵磁繞組進行勵磁。當(dāng)永磁電機的三相定子繞組（各相差120°電角度）通入頻率為f的三相交流電后，將產(chǎn)生一個以同步轉(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，因此轉(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)動電機旋轉(zhuǎn)并進行能量轉(zhuǎn)換。

與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小，質(zhì)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(yōu)點。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)和日常生活的各個領(lǐng)域。下面介紹幾種典型永磁電機的主要特點及其主要應(yīng)用場合。

稀土永磁電機稀土永磁發(fā)電機

永磁同步發(fā)電機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比不需要集電環(huán)和電刷裝置，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)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。其典型產(chǎn)品為美國通用電氣公司制造的150kVA14極12000r/min～21000r/min和100 kVA60000r/min的稀土鈷永磁同步發(fā)電機。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機即為3kW20000r/min的永磁發(fā)電機。

永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機，80年代我國研制成功當(dāng)時世界容量最大的40kVA～160kVA稀土永磁副勵磁機，配備200MW～600MW汽輪發(fā)電機后大大提高電站運行的可靠性。

21世紀(jì)以來，獨立電源用的內(nèi)燃機驅(qū)動小型發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風(fēng)輪直接驅(qū)動的小型永磁風(fēng)力發(fā)電機正在逐步推廣。

稀土永磁電機高效同步電動機

永磁同步電動機與感應(yīng)電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（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(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進而可以減小風(fēng)扇（小容量電機甚至可以去掉風(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(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電機一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。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)和年運行時間長的風(fēng)機水泵等領(lǐng)域。

我國自主開發(fā)的高效高起動轉(zhuǎn)矩釹鐵硼永磁同步電動機在油田應(yīng)用中可以解決“大馬拉小車”問題，起動轉(zhuǎn)矩比感應(yīng)電動機大50%～100%，可以替代大一個機座號的感應(yīng)電動機，節(jié)電率在20%左右。

紡織化纖行業(yè)中負載轉(zhuǎn)動慣量大，要求高牽入轉(zhuǎn)矩。合理設(shè)計永磁同步電動機的空載漏磁系數(shù)、凸極比、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、泵類用電機是耗能大戶，21世紀(jì)10年代，所用電機的效率和功率因數(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)，提高了運行的可靠性。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(guī)格電機效率為95%），功率因數(shù)0.94，可以替代比它大1～2個功率等級的普通電動機。

交流伺服永磁電動機和無刷直流永磁電動機

21世紀(jì)以來，越來越多地用變頻電源和交流電動機組成交流調(diào)速系統(tǒng)來替代直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。在交流電動機中，永磁同步電機的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定運行時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)。這類電機通常由變頻器頻率的逐步升高來起動，在轉(zhuǎn)子上可以不設(shè)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(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成自同步永磁電動機，既具有電勵磁直流電動機的優(yōu)異調(diào)速性能，又實現(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)控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設(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機和驅(qū)動系統(tǒng)，調(diào)速比高達1：22500，極限轉(zhuǎn)速達到9000r/min。永磁同步電動機高效、小振動、低噪聲、高轉(zhuǎn)矩密度的特點在電動車、機床等驅(qū)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(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機。它既能根據(jù)室溫的變化，自動調(diào)整到適宜的轉(zhuǎn)速下長時間運轉(zhuǎn)，減少噪聲和振動，使人的感覺更為舒適，還比不調(diào)速的空調(diào)器節(jié)電1/3。其他如電冰箱、洗衣機、除塵器、風(fēng)扇等也在逐步改用無刷直流電動機。

稀土永磁電機直流電動機

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(diào)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(jié)構(gòu)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(shè)備、電動工具到要求有良好動態(tài)性能的精密速度和位置傳動系統(tǒng)都大量應(yīng)用永磁直流電動機。500W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。

21世紀(jì)以來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車工業(yè)是永磁電機的最大用戶，電機是汽車的關(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(zhì)量減輕一半。

稀土永磁電機無鐵心釹鐵硼

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，質(zhì)量大大減輕。無鐵心永磁電機采用聚磁型結(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，振動噪聲顯著降低。應(yīng)用在汽車方向盤驅(qū)動、機器人、電梯及DVD的驅(qū)動等許多方面。

稀土永磁電機橫向磁通釹鐵硼

為了解決安放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（Transverse Flux Machine）結(jié)構(gòu)思想。這種電機定子齒槽結(jié)構(gòu)和電樞線圈在空間上相互垂直，主磁通沿電機軸向流通，電流和磁負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)電機的研發(fā)剛剛起步，有廣闊的發(fā)展前景。

稀土永磁電機永磁特種電機

控制電機和特種電機的種類很多，其共同的發(fā)展趨勢之一是永磁化，以高性能的永磁體勵磁逐步取代電勵磁。

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，可以容許所制成的電機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)計上有很大靈活性，可以根據(jù)使用場合，特別是汽車、計算機和航天工程的需要，制成與傳統(tǒng)電機不同的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，例如盤式電機、無槽電機等。這既可以進一步減少電機的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，提高電機的反應(yīng)靈敏度；又可以減少電機轉(zhuǎn)矩的脈動，增加運行的平穩(wěn)性；還可以簡化電機的結(jié)構(gòu)和工藝。因而在計算機外圍設(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。2100433B

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的永久磁場，用來替代傳統(tǒng)電機的電勵磁場所制成的稀土永磁電機不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，還可做到體積小、重量輕。既可達到傳統(tǒng)電勵磁電機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行要求的特種電機，如電梯曳引電機、汽車專用電機等。稀土永磁電機與電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)相結(jié)合，更使電機及傳動系統(tǒng)的性能提高到一個嶄新的水平。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)和日常生活的各個領(lǐng)域。它包括永磁同步電動機、永磁發(fā)電機、直流電動機、無刷直流電動機、交流永磁伺服電動機、永磁直線電機、特種永磁電機及相關(guān)的控制系統(tǒng)，幾乎覆蓋了整個電機行業(yè)。

“十五”國家科技攻關(guān)計劃項目；稀土永磁材料在高性能電機應(yīng)用的共性關(guān)鍵技術(shù)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目；新型稀土永磁電機設(shè)計與集成技術(shù)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（滾動863計劃）項目；高性能稀土永磁電機技術(shù)集成及關(guān)鍵材料。沈陽工業(yè)大學(xué)中央校區(qū)國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心2100433B

國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心 依托：沈陽工業(yè)大學(xué)。

國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心所涉及的技術(shù)領(lǐng)域是稀土永磁應(yīng)用和先進技術(shù)裝備，主要研究開發(fā)各種高性能稀土永磁電機、電器和相關(guān)的控制系統(tǒng)。本中心擁有一支以唐任遠院士為學(xué)科帶頭人、結(jié)構(gòu)合理、實力雄厚的科研梯隊，現(xiàn)有職工34人。在稀土永磁電機研究開發(fā)領(lǐng)域中擁有一批先進的計算、檢測和研制加工設(shè)備，有一流的實驗條件和技術(shù)水平，在永磁電機技術(shù)及工程技術(shù)開發(fā)等方面積累了豐富的經(jīng)驗。