永磁电机介绍

永磁电机西南交通大学电气工程学院一、永磁材料的发展过程稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段:1967年---》，第一代稀土永磁；

1973年---》，第二代稀土永磁；

1983年---》，第三代稀土永磁。永磁材料的发展过程

我国稀土资源丰富,2003年钕铁硼永磁产量为17000吨,世界第一.我国钕铁硼永磁产量的2/3用于出口,在国内销售的1/3中目前用于电机的比例很低,而高性能稀土永磁电机却随着计算机、飞机、数控机床等产品大量进口.二、永磁材料及其特性永磁材料特性：

退磁曲线；回复线；内禀退磁曲线；稳定性。

三、永磁磁路的计算基础永磁体等效成磁通源或磁动势源；空载和负载时的等效磁路；永磁体工作点的确定；永磁体的最佳工作点。相关数值计算四、永磁电机的发展概况

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，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。

近几十年来，随着铝镍钴永磁、铁氧体永磁，特别是稀土永磁的相继问世，磁性能有了很大提高，许多电励磁电机又纷纷改用永磁体励磁。与电励磁电机相比，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著优点。它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高性能。在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增大。四、永磁电机的发展概况五、永磁电机的特点优点:

永磁同步电动机与感应电动机相比,不需要无功励磁电流,可以显著提高功率因数(可达到1,甚至容性),减少了定子电流和定子电阻损耗,而且在稳定运行时没有转子铜耗,进而可以减小风扇(小容量电机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩损耗,效率比同规格感应电动机可提高2～8个百分点.而且,永磁同步电动机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数,使轻载运行时节能效果更为显著.

可靠性更高,寿命更长.高性能的无刷直流电机工作寿命可达数十万小时,且不必进行经常维修.

省去了集电环,电刷和励磁装置,无电气接触火花,无线电干扰少.机械噪音低不足:

永磁材料本身存在的问题第三代永磁材料NdFeB虽然具有磁能积高,矫顽力强的优点,但同时也存在着温度系数偏大的缺点,在发热较为严重的情况下可能会对整个电机系统造成影响.

起动的问题前面已经指出,永磁同步电动机无法实现自起动,需要进行异步起动.在起动过程中,永磁体磁场与定子电流产生的旋转磁场非同步运行,两者之间存在着相对运动而无法形成同步转矩.其工作状态类似于同步发电机.

永磁同步电动机在起动时除了存在异步起动转矩以外,还存在着永磁体磁场与定子感应电流产生的发电机制动转矩以及定子旋转磁场的磁阻转矩。其起动转矩远远复杂于异步电机.六、永磁电机的分类与应用永磁电机应用的分类1稀土永磁发电机国内第一台稀土永磁电机——20000r/min，3kW高速高效稀土永磁发电机,也是国内第一台转速高达20000r/min的发电机。2

异步起动高效永磁同步电动机

永磁同步电机无自起动能力，需采取措施使之异步起动。这类电机一般都在转子上设置起动绕组,具有在某一频率和电压下直接起动的能力。目前主要应用在油田、纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机水泵等领域。

2-1高效高起动转矩永磁同步电动机电机用于抽油机时需要高起动转矩,使用感应电机时需增大功率,造成”大马拉小车”,电能浪费严重.所开发的永磁电机的起动转矩比异步电动机高50%～

100%,可替代比它大1～2个功率等级的感应电动机.37kW永磁电机可以替代55kW感应电机,节电率大于20%,无功节电率约60%.2-2高效高过载能力永磁同步电动机风机、泵类用电量占全国总发电量三分之一,它对过载能力要求较高.目前我国开发的超高效永磁电机的效率比美国计划于2007年生产的技术上达到极限、经济上可行的最高效电动机效率高2～3个百分点,而且小一个机座号。2-3大中型高效钕铁硼永磁同步电动机大型电机功率密度高,在转子磁路中需要安放足够的永磁体、笼型结构和轴向通风道,转子空间十分紧张。目前我国所开发1120kW样机(是目前世界上容量最大的异步起动高效稀土永磁电机)效率高96.5%(同规格电机效率为95%),功率因数0.94。2-4高效高牵入转矩永磁同步电动机化纤工业用电动机需要高牵入转矩,设计比较困难。需要综合考虑同步电动机的空载漏磁系数凸极比、转子电阻和永磁体尺寸和定子绕组匝数等参数对牵入转矩的影响。提高电机牵入同步能力。

3交流永磁伺服电动机

3-1高恒功率调速比钕铁硼永磁同步电动机所开发电机的主要特点是调速范围宽,调速比高达1:22500;极限转速高,达到9000r/min;最低转速低,只有014r/min;恒功率调速比高,达到1:6.3-2高功率密度低噪声永磁同步电动机永磁同步电动机高效、小振动、低噪声、高转矩密度的特点在电动车驱动装置中是最理想的电动机.所开发样机的每小时持续转矩密度为0.74N·m/kg,15min峰值转矩密度为11123N·m/kg。4钕铁硼永磁直流电动机目前,我国汽车行业发展迅速,汽车工业是永磁电机的最大用户,电机是汽车的关键部件，一辆超豪华轿车中,各种不同用途的电机达70余台,其中绝大部分是低压永磁直流微电机。汽车、摩托车用起动机电机,采用钕铁硼永磁并采用减速行星齿轮后,可使起动机电动机的质量减轻一半.汽车是永磁电动机的主要应用场合，如何降低钕铁硼起动机电动机的制造成本是关键。直流电动机采用永磁励磁后,既保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性,还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少、效率高等特点.因而从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动机.500W以下的微型直流电动机中，永磁电机占92%，而10W以下的永磁电机占99%以上。5永磁直流电动机

500W以下，92%；10W以下，99%；

0.55----220Kw的系列永磁电动机，效率：6%、Cu：30--40%、Fe：10--20%6永磁特种电机；7新型永磁电机

7-1横向磁通钕铁硼永磁电机这种电机定子齿槽结构和电枢线圈在空间上相互垂直,主磁通沿电机轴向流通,电流和磁负荷在空间上不存在竞争，因而定子尺寸和通电线圈的大小相互独立，在一定范围内可以任意选取，提高了功率密度。横向磁通电机磁路结构

7-2无铁心钕铁硼永磁电机利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性不用或少用硅钢片，制成无铁心电机质量大大减轻.无铁心永磁电机采用聚磁型结构和正余弦充磁，所产生的磁场呈正弦分布，因此可以不斜槽，可以采用集中绕组，便于AC控制。绕组端部短，损耗小，转矩密度高，振动噪声显著降低。七、永磁直流电动机1、基本结构：整体结构;

磁极结构;永磁直流电动机2、基本方程和运行特性：电磁转矩和感应电动势;

基本方程;

运行特性；运行中的特殊问题；动态特性问题。八、永磁同步电动机1、基本结构：定子结构;

转子磁极结构;永磁电机转子的分类外置式转子磁路结构表面凸出式转子结构表面插入式转子结构内置式转子磁路结构

特点

极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼和起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过裁能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。

右图为径向式结构

各种结构的优点径向式结构——这类结构的优点是漏磁系数小、转轴上不需采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。

切向式结构

——其优点在于一个极距下的磁通由相临两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电动机极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通时混合式结构——这类结构集中了径向式和切向式转子结构的优点，但其结构和制造工艺均较复杂，制造成本也比较高切向式结构

混合式结构八、永磁同步电动机2、稳态运行分析：主磁场和空载电动势;

电枢反应和电枢反应电动势;

电压方程和等效电路；相量图；磁路饱和的影响。八、永磁同步电动机3、稳态运行特性：矩角特性;

工作特性;V形曲线。八、永磁同步电动机3、起动过程分析：平均转矩;

脉动转矩;

瞬态转矩----转速曲线。起动转矩的特点永磁电机无自起动能力,而且起动过程中永磁转矩阻碍电机起动。

从描述异步起动永磁同步电动机瞬态行为的复数形式微分方程出发,经过一系列复杂的运算和整理后,得到起动过程中电磁转矩表达式为：

起动过程中的瞬态变化曲线如下图所示平均转矩-转速曲线如下图所示.由于永磁制动转矩的存在,起动转矩存在两个下凹点,如设计不佳,则起动困难.目前,异步起动技术已经解决。