同步電機之永磁特種電機

   1. 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磁密，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、無鐵心電機等。這既可以進一步減少電機的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動質(zhì)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)備和要求精確定位控制的場合得到廣泛應(yīng)用。圖16所示為一多段盤式永磁電機結(jié)構(gòu)透視圖計算機磁盤驅(qū)動器中用以驅(qū)動讀寫磁頭作往復(fù)運動的動圈式直線電動機―音圈電動機需要高性能磁體，以保證足夠的靈敏度，縮小體積和減輕質(zhì)量。錢鐵硼永磁正好能滿足這一要求。 60年代采用鐵氧體永磁研制的是14 ino磁盤驅(qū)動器用音圈電動機。自采用欽鐵硼永磁后，驅(qū)動器尺寸不斷縮小，存取時間明顯減少，存儲容量增加。 1984年磁盤驅(qū)動器縮小到以5 25in盤為主；進入90年代，3 . sin磁盤驅(qū)動器迅速增長，成為主體。今后幾年內(nèi)2 . 5in和1 sin磁盤驅(qū)動器將大為發(fā)展。因此，日、美等國欽鐵硼永磁銷售量的一半左右用于制造音圈電動機。利用電機定、轉(zhuǎn)子表面開槽引起氣隙磁導(dǎo)變化的原理工作的，不需經(jīng)過機械減速而獲得低轉(zhuǎn)速的低速同步電動機（又稱電磁減速同步電動機）；將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械角位移或線性位移的步進電動機；它們采用高性能的水磁體后形成永磁低速同步電動機、永磁步進電動機和混合式（又稱永磁感應(yīng)子式）步進電動機，其技術(shù)經(jīng)濟性能、動態(tài)響應(yīng)特性等都有明顯的改進和提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地被拓寬。

2.永磁電機的研究推動了電機學(xué)科的發(fā)展

在設(shè)計、制造和應(yīng)用永磁電機時，需要對下列問題著重進行研究分析。

1）磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計計算為了充分發(fā)揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優(yōu)異磁性能，月最少的永磁材料和加工費用制造出高性能的永磁電機，就不能簡單套用傳統(tǒng)的永磁電機或電勵磁電機的結(jié)構(gòu)和設(shè)計計算方法。必須建立新的設(shè)計概念，重新分析和改進磁路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；必須應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法，研究新的分析計算方法，以提高設(shè)計計算的準確度；必須研究采用先進的測試方法和制造工藝．

2）控制問題永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難永磁發(fā)電機難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，水磁直流電動機不再能用改變勵磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。這些使水磁電機的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET 、 IGBT等電力電子器件和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，大多數(shù)水磁電機在應(yīng)用中，可以不必進行磁場控制而只進行電樞控制。設(shè)計時需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁電機在嶄新的工況下運行。

3）不可逆退磁問題如果設(shè)計或使用不當，永磁電機在過高（欽鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形式的杭去磁能力，以便在設(shè)計和制造時，采用相應(yīng)措施保證永磁電機不失磁。

4）成本問題鐵氧體永磁電機，特別是微型永磁直流電動機，由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節(jié)省來補償。在某些場合，例如計算機磁盤驅(qū)動器的

音圈電動機，采用鉸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)計時既需根據(jù)具體使用場合和要求，進行性能、價格的比較后決定取舍，又要進行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計優(yōu)化以降低成本研究和解決上述新課題，將引起電機的變革，推動電機學(xué)科不斷向前發(fā)展。本書就是在總結(jié)國內(nèi)外從事永磁電機研制和開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對上述內(nèi)容，特別是稀土永磁電機的基本理論、磁路結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計計算方法進行深入分析和探討，希望能為永磁電機，特別是稀土水磁電機的進一步發(fā)展作出貢獻。本書內(nèi)容以稀土水磁電機為主，但所述基本內(nèi)容和設(shè)計計算方法同樣可以應(yīng)用于其他永磁電機。