成本問題
鐵氧體永磁電機(jī)，特別是微型永磁直流電動(dòng)機(jī)，由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價(jià)格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)高，這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來補(bǔ)償。
在某些場合，例如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器的音圈電動(dòng)機(jī)，采用釹鐵硼永磁后性能提高，體積質(zhì)量顯著減小，總成本反而降低。在設(shè)計(jì)時(shí)既需根據(jù)具體使用場合和要求，進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后決定取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低成本。
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，以及電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用越來越廣。永磁電機(jī)采用永磁體作為磁場，不需要外界能量即可維持其磁場，而普通電機(jī)則需要電流通入才有磁場。
常規(guī)永磁電機(jī)通常分為以下五類：永磁直流電動(dòng)機(jī)、異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)。
永磁電機(jī)主要有以下特點(diǎn)：
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)別在于主磁場產(chǎn)生的方式不同。前者磁場不可控，后者磁場可控。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. 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)
永磁無刷直流電動(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，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，因此難以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁的方法調(diào)節(jié)輸出電壓和無功功率。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)。
永磁同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和殼體部件構(gòu)成。與普通交流電機(jī)一樣，定子鐵芯為疊片結(jié)構(gòu)，以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)因渦流和磁滯效應(yīng)鐵耗；繞組通常也為三相對稱結(jié)構(gòu)，只是參數(shù)選取有較大區(qū)別。轉(zhuǎn)子部分則形式多樣，有帶啟動(dòng)鼠籠的永磁轉(zhuǎn)子，也有內(nèi)嵌式或表貼式純永磁轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子鐵芯可以制成實(shí)心結(jié)構(gòu)，也可以疊片而成。轉(zhuǎn)子上裝有永磁體材料，大家習(xí)慣上稱之為磁鋼。
永磁電機(jī)正常工作下，轉(zhuǎn)子與定子磁場處于同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子部分沒有感應(yīng)電流，無轉(zhuǎn)子銅耗和磁滯、渦流損耗，不需要考慮轉(zhuǎn)子損耗發(fā)熱問題。一般永磁電機(jī)為專用變頻器供電，天然具有軟啟動(dòng)功能。另外，永磁電機(jī)屬于同步電機(jī)，具有同步電機(jī)通過勵(lì)磁強(qiáng)弱調(diào)節(jié)功率因數(shù)的特點(diǎn)，因而功率因數(shù)可以設(shè)計(jì)到規(guī)定數(shù)值。
從起動(dòng)角度分析，緣于永磁電機(jī)由變頻電源或配套變頻器起動(dòng)的實(shí)際，永磁電機(jī)的起動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)很容易；與變頻電機(jī)的起動(dòng)相似，規(guī)避了普通籠型異步電機(jī)的起動(dòng)缺陷。
總之，永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)可以達(dá)到很高，結(jié)構(gòu)非常簡單，近十幾年來市場十分火爆。但是，失磁故障是永磁電機(jī)不可回避的問題，當(dāng)電流過大或溫度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度瞬間不斷攀升、電流急劇增大，永磁體迅速失磁。在永磁電機(jī)控制中，設(shè)定了過電流保護(hù)裝置，避免了電機(jī)定子繞組被燒毀的問題，但由此而導(dǎo)致的失磁和設(shè)備停運(yùn)不可避免。
相對于其他電機(jī)，永磁電機(jī)在市場上的應(yīng)用還不是很普及，無論對于電機(jī)制造者還是使用者，都有一些未知的技術(shù)盲區(qū)，特別是涉及到與變頻器的匹配問題，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不符，必須反復(fù)驗(yàn)證。
電機(jī)設(shè)計(jì)過程涉及一些基本考慮因素，對于啟動(dòng)器，應(yīng)用環(huán)境的要求，什么時(shí)候需要什么扭矩和速度，多久需要一次？什么是工作循環(huán)？溫度和壓力等環(huán)境條件是什么？即使是最高效的電機(jī)，如果電機(jī)應(yīng)用錯(cuò)誤的領(lǐng)域，其不會(huì)發(fā)揮最大的效率。許多電動(dòng)機(jī)都用于齒輪電動(dòng)機(jī)、齒輪減速器和電動(dòng)機(jī)的組合。齒輪馬達(dá)以低速提供高扭矩，簡言之，齒輪電機(jī)在放大扭矩的同時(shí)，會(huì)吸收電機(jī)功率并降低轉(zhuǎn)速，齒輪電機(jī)占空比會(huì)影響電機(jī)的性能額定值，例如連續(xù)的占空比。
最佳冷卻設(shè)計(jì)外殼
一個(gè)冷卻較好的馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高，為了獲得最佳的氣流，優(yōu)化了冷卻風(fēng)扇和風(fēng)扇罩的設(shè)計(jì)，確保定子和電機(jī)外殼之間的緊密結(jié)合提供最佳的冷卻性能。電機(jī)的電效率提高了很多，但冷卻風(fēng)扇的功率占總損耗的比例更大。冷卻風(fēng)扇尺寸的優(yōu)化包括使用風(fēng)扇的最小功率，同時(shí)提供足夠的冷卻。優(yōu)化的風(fēng)扇設(shè)計(jì)可使風(fēng)扇功率需求降低65%，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是葉片和殼體之間的間隙。外殼和風(fēng)扇葉片之間的空間應(yīng)盡可能小，以防止湍流和減少回流。
選擇適合工作速度的低摩擦軸承
滾珠或滾柱軸承用于高效電機(jī)，它們由一個(gè)內(nèi)外圈和一個(gè)包含鋼或陶瓷輥或球的保持架組成。外圈與定子相連，內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子相連。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，元件也旋轉(zhuǎn)，并且軸旋轉(zhuǎn)的摩擦力最小化。它們使用壽命長，維護(hù)成本低。高精度應(yīng)用允許最小的氣隙。熱收縮和熱膨脹會(huì)影響軸和軸承座的配合以及內(nèi)部軸承間隙本隙 。功率輸出控制軸尺寸和軸承孔。載荷大小和方向決定軸承尺寸和類型?？紤]額外的力，如引起磁力拉力的不對稱氣隙、失衡力、齒輪的節(jié)距誤差和推力載荷。對于軸承載荷計(jì)算，將軸視為支撐在剛性無力矩支架上的梁。滾珠軸承比滾子軸承更適合高速應(yīng)用。高速因素包括保持架設(shè)計(jì)、潤滑劑、運(yùn)行精度、間隙、共振頻率和平衡。
軸承需要最小的負(fù)載，因此滾動(dòng)元件旋轉(zhuǎn)形成潤滑膜而不是滑動(dòng)，這會(huì)提高工作溫度并降解潤滑油。允許最小載荷等于滾珠軸承動(dòng)態(tài)徑向載荷額定值的0.01倍。當(dāng)軸承接近推薦額定值的70%時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。了解環(huán)境溫度范圍和正常工作溫度范圍將有助于確定軸承最有效的潤滑方法：潤滑油或潤滑脂，一般情況下考慮的齒輪電機(jī)的正常工作溫度范圍為-25至40°C。合成潤滑脂在各種溫度范圍內(nèi)具有良好的性能，潤滑脂可以簡化維護(hù)、清潔、減少泄漏和污染保護(hù)。
使用高質(zhì)量的平衡機(jī)，高標(biāo)準(zhǔn)和電機(jī)運(yùn)行速度下的平衡
當(dāng)軸心與旋轉(zhuǎn)軸不共存時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，平衡對效率的影響有限，但會(huì)影響運(yùn)行噪音和預(yù)期壽命，這對最大限度地利用資源也很重要。軸承振動(dòng)讀數(shù)通常在垂直、水平和軸向三個(gè)平面上讀取。垂直振動(dòng)可能表明存在安裝問題，水平振動(dòng)可能意味著平衡問題，而軸向振動(dòng)可能意味著軸承問題。工作轉(zhuǎn)速下的平衡很重要，因?yàn)檩S承的向心力也可能導(dǎo)致不平衡。
轉(zhuǎn)子疊片顯示正弦磁場的優(yōu)化設(shè)計(jì)
具有高性能永磁的同步電機(jī)具有正弦磁通分布和電動(dòng)勢，對于分布式繞組，定子繞組通常與異步電機(jī)繞組相同，它降低了振動(dòng)、噪音和維護(hù)成本，提高了整體性能。
稀土與鐵氧體（陶瓷）磁體的選擇
電機(jī)中使用了釹、稀土、釤鈷磁鐵或鐵氧體（陶瓷）磁鐵，稀土磁鐵的強(qiáng)度是鐵氧體或陶瓷永磁體的兩到三倍，但價(jià)格較貴。釤鈷磁鐵是高溫應(yīng)用的最佳選擇，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰棵芏取?50至550°C的耐溫性、溫度升高導(dǎo)致的參數(shù)小幅度降低以及氧化保護(hù)，選擇釤鈷或釹作為電機(jī)磁鐵是根據(jù)工作溫度、耐腐蝕性和要求的性能。如果加熱到80℃以上，低等級的釹磁鐵可能開始失去“強(qiáng)度”，高等級的釹磁鐵在220℃以下的溫度下工作。鐵氧體或陶瓷磁鐵由于其很強(qiáng)的電阻而得到廣泛的認(rèn)可，退磁性好，耐腐蝕性強(qiáng)，價(jià)格低廉。在250°C以上的溫度下工作時(shí)會(huì)發(fā)生磁損耗，但當(dāng)磁鐵降到較低的溫度時(shí)會(huì)恢復(fù)磁損耗。除非電路設(shè)計(jì)用于極端情況，否則-40°C的低溫可能會(huì)導(dǎo)致永磁強(qiáng)度的永久損失。
電機(jī)需要逆變器
逆變器驅(qū)動(dòng)單元在空載運(yùn)行/靜止?fàn)顟B(tài)下可以無損耗，通過替換現(xiàn)有的線路供電的三相驅(qū)動(dòng)裝置，預(yù)計(jì)可以節(jié)省高達(dá)30%的能源。驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)使其非常適合驅(qū)動(dòng)連續(xù)運(yùn)行的泵和風(fēng)扇。不需要額外的組件，比如編碼器。高達(dá)25%的占地面積允許機(jī)器設(shè)計(jì)更緊湊。電機(jī)具有良好的控制性能，并與無傳感器驅(qū)動(dòng)控制器單元相結(jié)合，即使在低速下也具有出色的真實(shí)運(yùn)行性能，在脈沖負(fù)載和速度變化時(shí)具有令人印象深刻的動(dòng)態(tài)特性。
選擇能夠提供無傳感器操作的逆變器
驅(qū)動(dòng)器可以“自我檢測”并跟蹤轉(zhuǎn)子的永磁位置。這對于電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)至關(guān)重要，同時(shí)也允許產(chǎn)生最佳扭矩，從而獲得最佳效率。缺少位置或速度傳感器降低了成本，提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。隨著效率的不斷提高，對特定電機(jī)的控制器設(shè)置進(jìn)行編程以獲得最佳效率的重要性越來越重要。
永磁電機(jī)（PMM）通過定子電流與轉(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。
在永磁電機(jī)中，如果不考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，則定子可能使用集中（短節(jié)距）繞組，但在較大的永磁電機(jī)中分布繞組是常見的。
由于永磁電機(jī)沒有機(jī)械換向器，所以逆變器對于控制繞組電流至關(guān)重要。與其他類型的無刷電機(jī)不同，永磁電機(jī)不需要電流來支持其磁場。
因此，如果體積小或重量輕，永磁電機(jī)可以提供最大的扭矩，并且可能是最好的選擇。無磁化電流也意味著在“最佳點(diǎn)”負(fù)載下效率更高 - 即電機(jī)性能最佳的地方。
此外，盡管永磁體在低速時(shí)帶來了性能優(yōu)勢，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)勢接近逆變器電源電壓，從而無法控制繞組電流。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實(shí)現(xiàn)。
磁場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。
在高速公路行駛的電動(dòng)汽車中，這是非常嚴(yán)重的。永磁電機(jī)經(jīng)常受到電動(dòng)汽車的青睞，但是在實(shí)際駕駛周期進(jìn)行計(jì)算時(shí)，效率的好處是值得懷疑的。有趣的是，至少有一家著名的電動(dòng)汽車制造商已經(jīng)從PM切換到感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
其他缺點(diǎn)包括由于其固有的反電動(dòng)勢在故障條件下難以管理的事實(shí)。即使變頻器斷開，只要電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電流就會(huì)持續(xù)流過繞組故障，從而導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩和過熱，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。
除了那些裝有釤鈷磁體的永磁電機(jī)外，操作溫度是另一個(gè)重要的限制。而由于逆變器故障而產(chǎn)生的高電動(dòng)機(jī)電流會(huì)導(dǎo)致退磁。
最大速度受機(jī)械磁鐵保持力的限制。如果永磁電機(jī)損壞，修理它通常需要返回到工廠，因?yàn)榘踩靥崛『吞幚磙D(zhuǎn)子是困難的。最后，報(bào)廢時(shí)的回收也很麻煩，盡管當(dāng)前稀土材料的高價(jià)值可能會(huì)使這種材料更具經(jīng)濟(jì)可行性。
盡管存在這些缺點(diǎn)，永磁電機(jī)仍然在低速和甜點(diǎn)效率方面保持無與倫比的地位，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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