稀土永磁電機

由於稀土永磁材料的磁性能優異，它經過充磁后不再需要外加能量就能建立很強的永久磁場，用來替代傳統電機的電勵磁場所製成的稀土永磁電機不僅效率高，而且結構簡單、運行可靠，還可做到體積小、重量輕。既可達到傳統電勵磁電機所無法比擬的高性能（如特高效、特高速、特高響應速度），又可以製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和微機控制技術相結合，更使電機及傳動系統的性能提高到一個嶄新的水平。從而提高所配套的技術裝備的性能和水平，是電機行業調整產業結構的重要發展方向。

稀土永磁電機的應用範圍極為廣泛，幾乎遍及航空、航天、國防、裝備製造、工農業生產和日常生活的各個領域。它包括永磁同步電動機、永磁發電機、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的控制系統，幾乎覆蓋了整個電機行業。

稀土永磁電機的工作原理與電勵磁同步電機相同，區別在於前者是以永磁體替代勵磁繞組進行勵磁。當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，將產生一個以同步轉速推移的旋轉磁場。穩態情況下，主極磁場隨著旋轉磁場同步轉動，因此轉子轉速亦是同步轉速，定子旋轉磁場恆與永磁體建立的主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用併產生電磁轉矩，驅動電機旋轉並進行能量轉換。

與傳統的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點。因而應用範圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業生產和日常生活的各個領域。下面介紹幾種典型永磁電機的主要特點及其主要應用場合。

永磁同步發電機與傳統的發電機相比不需要集電環和電刷裝置，結構簡單，減少了故障率。採用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，並把電機轉速提高到最佳值，提高功率質量比。當代航空、航天用發電機幾乎全部採用稀土永磁發電機。其典型產品為美國通用電氣公司製造的150kVA14極12000r/min～21000r/min和100 kVA60000r/min的稀土鈷永磁同步發電機。國內研發的第一台稀土永磁電機即為3kW20000r/min的永磁發電機。

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

21世紀以來，獨立電源用的內燃機驅動小型發電機、車用永磁發電機、風輪直接驅動的小型永磁風力發電機正在逐步推廣。

永磁同步電動機與感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數（可達到1，甚至容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，進而可以減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩損耗，效率比同規格感應電動機可提高2～8個百分點。而且，永磁同步電動機在25%～120%額定負載範圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。這類電機一般都在轉子上設置起動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。21世紀10年代，主要應用在油田、紡織化纖工業、陶瓷玻璃工業和年運行時間長的風機水泵等領域。

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

紡織化纖行業中負載轉動慣量大，要求高牽入轉矩。合理設計永磁同步電動機的空載漏磁係數、凸極比、轉子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數可以提高永磁電機的牽入性能，促使它應用於新型的紡織和化纖工業。

大型電站、礦山、石油、化工等行業所用幾百千瓦和兆瓦級風機、泵類用電機是耗能大戶，21世紀10年代，所用電機的效率和功率因數較低，改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數，節約能源，且為無刷結構，提高了運行的可靠性。目前1 120kW永磁同步電動機是世界上功率最大的非同步起動高效稀土永磁電機，效率高於96.5%（同規格電機效率為95%），功率因數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世紀以來，越來越多地用變頻電源和交流電動機組成交流調速系統來替代直流電動機調速系統。在交流電動機中，永磁同步電機的轉速在穩定運行時與電源頻率保持恆定的關係，使得它可直接用於開環的變頻調速系統。這類電機通常由變頻器頻率的逐步升高來起動，在轉子上可以不設置起動繞組，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子位置閉環控制系統構成自同步永磁電動機，既具有電勵磁直流電動機的優異調速性能，又實現了無刷化，主要應用於高控制精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設備等。

現已研製成寬調速範圍、高恆功率調速比的釹鐵硼永磁同步電動機和驅動系統，調速比高達1：22500，極限轉速達到9000r/min。永磁同步電動機高效、小振動、低雜訊、高轉矩密度的特點在電動車、機床等驅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。例如家用空調器，既是耗電大件，又是雜訊的主要來源，其發展趨勢是使用能無級調速的永磁無刷直流電動機。它既能根據室溫的變化，自動調整到適宜的轉速下長時間運轉，減少雜訊和振動，使人的感覺更為舒適，還比不調速的空調器節電1/3。其他如電冰箱、洗衣機、除塵器、風扇等也在逐步改用無刷直流電動機。

直流電動機採用永磁勵磁后，既保留了電勵磁直流電動機良好的調速特性和機械特性，還因省去了勵磁繞組和勵磁損耗而具有結構工藝簡單、體積小、用銅量少、效率高等特點。因而從家用電器、攜帶型電子設備、電動工具到要求有良好動態性能的精密速度和位置傳動系統都大量應用永磁直流電動機。500W以下的微型直流電動機中，永磁電機佔92%，而10 W以下的永磁電機佔99%以上。

21世紀以來，我國汽車行業發展迅速，汽車工業是永磁電機的最大用戶，電機是汽車的關鍵部件，一輛超豪華轎車中，各種不同用途的電機達70餘台，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，採用釹鐵硼永磁並採用減速行星齒輪后，可使起動機電動機的質量減輕一半。

利用釹鐵硼永磁材料高矯頑力的優異特性不用或少用硅鋼片，製成無鐵心電機，質量大大減輕。無鐵心永磁電機採用聚磁型結構和正餘弦充磁，所產生的磁場呈正弦分佈，因此可以不斜槽，可以採用集中繞組，便於AC控制。繞組端部短，損耗小，轉矩密度高，振動雜訊顯著降低。應用在汽車方向盤驅動、機器人、電梯及DVD的驅動等許多方面。

為了解決安放線圈的槽的寬度與磁通流經的齒部的寬度之間的矛盾，提高電機的功率密度和轉矩密度，人們不斷探索新的磁路結構，出現了橫向磁通電機（Transverse Flux Machine）結構思想。這種電機定子齒槽結構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，在一定範圍內可以任意選取，提高了功率密度。21世紀，國際上對這種結構電機的研發剛剛起步，有廣闊的發展前景。

控制電機和特種電機的種類很多，其共同的發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。

由於稀土永磁具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積的特點，可以容許所製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構設計上有很大靈活性，可以根據使用場合，特別是汽車、計算機和航天工程的需要，製成與傳統電機不同的結構形狀和尺寸，例如盤式電機、無槽電機等。這既可以進一步減少電機的質量和轉動慣量，提高電機的反應靈敏度；又可以減少電機轉矩的脈動，增加運行的平穩性；還可以簡化電機的結構和工藝。因而在計算機外圍設備、辦公設備和要求精度定位控制的場合得到廣泛應用。