永磁電機中的永磁體

永磁電機的發展同永磁材料的發展密切相關。我國是世界上最早發現永磁材料的磁特性並把它應用於實踐的國家，兩千多年前，我國就利用永磁材料的磁特性製成了指南針，在航海、軍事等領域發揮了巨大的作用，成爲我國古代四大發明之一。

19世紀20年代出現的世界上第一臺電機就是由永磁體產生勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石（Fe3O4），磁能密度很低，用它製成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。

隨着各種電機迅速發展的需要和電流充磁器的發明，人們對永磁材料的機理、構成和製造技術進行了深入研究，相繼發現了碳鋼、鎢鋼（最大磁能積約2.7 kJ/m3）、鈷鋼（最大磁能積約7.2 kJ/m3）等多種永磁材料。特別是20世紀30年代出現的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85 kJ/m3）和50年代出現的鐵氧體永磁（最大磁能積現可達40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機又紛紛使用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農業生產和日常生活中得到廣泛應用，產量急劇增加。相應地，這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和製造技術等方面也都取得了突破性進展，形成了以永磁體工作圖圖解法爲代表的一套分析研究方法。但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36～160 kA/m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它們在電機中的應用範圍。一直到20世紀60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統稱稀土永磁）相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優異磁性能特別適合於製造電機，從而使永磁電機的發展進入一個新的歷史時期。

永磁材料

電機磁鐵：電機中常用的永磁材料包括燒結磁體跟粘結磁體，主要種類有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷、釹鐵硼等。

鋁鎳鈷：鋁鎳鈷永磁材料是最早廣泛使用的一種永磁材料，其製備工藝和技術比較成熟。目前日本、美國、歐洲、俄羅斯、中國都有工廠生產。在大規模的生產企業當中，杭州永磁的產量目前在國內數第一，年產能力達3000噸。

永磁鐵氧體材料：進入50年代，鐵氧體開始蓬勃發展起來，尤其是70年代，在矯頑力、磁能機方面性能較好的鍶鐵氧體大量投入生產，迅速擴大了永磁鐵氧體的用途。作爲一款非金屬磁性材料，鐵氧體沒有金屬永磁材料易氧化、居里溫度低、成本高的弊端，因此大受歡迎。

釤鈷材料：20世紀 60年代中期興起的磁性能優異的永磁材料，且性能非常穩定。釤鈷從磁性能方面來說特別適合於製造電機，但由於其價格昂貴，主要用於研究開發航空、航天、武器等軍用電機和高性能而價格不是主要因素的高科技領域的電機中。

釹鐵硼材料：釹鐵硼磁性材料是釹，氧化鐵等的合金，又稱磁鋼。具有極高的磁能積和矯力，同時高能量密度的優點使釹鐵硼永磁材料在現代工業和電子技術中獲得了廣泛應用，從而使儀器儀表、電聲電機、磁選磁化等設備的小型化、輕量化、薄型化成爲可能。由於含有大量的釹和鐵，容易鏽蝕。表面化學鈍化是目前很好的解決方法之一。

電機常用永磁材料抗腐蝕性能、最高工作溫度、加工性能、退磁曲線形狀、價格對比（圖）

磁鋼性能與電機性能的關係

1、剩磁的影響

對於直流電機，在同樣的繞組參數和測試條件下，剩磁越高，空載轉速越低、空載電流也越小；最大扭矩越大，最高效率點的效率越高。在實際的測試中，一般都是用空載轉速的高低和最大扭矩的大小判斷磁鋼的剩磁標準。

對於同一繞組參數和電參數而言，之所以剩磁越高，空載轉速越低、空載電流越小，是因爲運行中的電機，以比較低的轉速，就產生了足夠的反向感生電壓，使得施加在繞組上的電動勢的代數和減小。

2、矯頑力的影響

在電機運行的過程中，始終存在着溫度和反向退磁場的影響。從電機設計的角度上講，矯頑力越高，磁鋼的厚度方向可以越小，矯頑力越小，磁鋼的厚度方向越大。但是磁鋼的超過一定的矯頑力之後，是沒有用處的，因爲電機的其他元件也不可能穩定地在那個溫度下的工作。矯頑力滿足需求即可，以在推薦的實驗條件下滿足需要爲標準，沒有必要浪費資源。

3、方形度的影響

方形度僅僅影響電機性能測試效率曲線的平直性，儘管目前還沒有把電機效率曲線的平直性列爲重要的指標性標準，但是，這對於輪轂電機在自然路況條件下的續行距離非常重要。因爲路況條件不同，電機不可能始終工作在最大效率點上，這就是爲什麼有的電機的最大效率並不高而續行距離反而遠的原因之一。 一個好的輪轂電機，不僅最大效率應當高，而且效率曲線應當儘可能的水平，效率降低的斜率越小越好。隨着輪轂電機的市場、技術和標準的成熟，這將逐漸成爲一個重要的標準。

4、性能一致性的影響

剩磁不一致：即便是有個別性能特別高的也不好，由於各單向磁場區段的磁通的不一致，導致扭矩的不對稱而發生震動。

矯頑力不一致：尤其是個別產品的矯頑力過低，容易產生反向退磁，導致各磁鋼的磁通不一致使電機震動。這種影響對於無刷電機更顯著。

磁鋼的形狀和公差對電機性能的影響

1、磁鋼厚度的影響

在內或外磁路圈固定的情況下，厚度增加時，氣隙減小，有效磁通增加，明顯的表現是同樣的剩磁下空載轉速降低，空載電流減小，電機的最大效率提高。但是，也有不利的方面，如電機的換向震動增加，電機的效率曲線相對變陡。因此，電機磁鋼的厚度應當儘可能的一致，減小震動。

2、磁鋼寬度的影響

對於密排分佈的無刷電機磁鋼，總的累計間隙不能超過0.5毫米，過小會無法安裝，過大會導致電機震動和效率降低，這是因爲測量磁鋼位置的霍爾元件的位置和磁鋼的實際位置不對應，而且必須保證寬度的一致性，否則電機的效率低、震動大。

對於有刷電機，磁鋼之間都有一定的間隙，是留給機械換向過渡區的。雖然留有間隙，但大多廠家爲了保證電機磁鋼的安裝位置準確，都有嚴格的磁鋼安裝工序來保證安裝精度。如果磁鋼的寬度超出，會無法安裝；如果磁鋼寬度過小，會導致磁鋼定位失準，電機的震動增加、效率降低。

3、磁鋼倒角大小和不倒角的影響

如果不倒角，則電機的磁場邊沿的磁場變化率大，造成電機的脈震，倒角越大，震動越小。但是倒角一般對磁通有一定的損失，對於有些規格倒角到0.8時磁通損失0.5~1.5%。對於有刷電機剩磁偏低時，適當減小倒角大小，有利於補償剩磁，但是電機的脈震增加。 一般而言，剩磁偏低的時候，可以適當放大長度方向的公差，這樣可以在一定程度上提高有效磁通，使電機的性能基本不變化。

永磁電機的相關注意事項

1 、磁路結構和設計計算

爲了充分發揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優異磁性能，製造出性價比高的永磁電機，就不能簡單套用傳統的永磁電機或電勵磁電機的結構和設計計算方法，必須建立新的設計概念，重新分析和改進磁路結構。隨着計算機硬件和軟件技術的迅猛發展，以及電磁場數值計算、優化設計和仿真技術等現代化設計方法的不斷完善，經過電機學術界和工程界的共同努力，現已在永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面取得了突破性進展，形成了以電磁場數值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究方法和計算機輔助分析、設計軟件，並正在不斷完善中。

2、 控制問題

永磁電機制成後不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節、控制其磁場極爲困難。永磁發電機難以從外部調節其輸出電壓和功率因數，永磁直流電動機不能再用改變勵磁的辦法來調節其轉速。這些使永磁電機的應用範圍受到了限制。但是，隨着MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術的迅猛發展，大多數永磁電機在應用中，可以不必進行磁場控制而只進行電樞控制。設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結合起來，使永磁電機在嶄新的工況下運行。

3、 不可逆退磁問題

如果設計或使用不當，永磁電機在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在衝擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發適於電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構形式的抗去磁能力，以便在設計和製造時，採用相應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，由於結構工藝簡單、質量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了極爲廣泛的應用。由於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省來補償。在某些場合，例如計算機磁盤驅動器的音圈電動機，採用釹鐵硼永磁後性能提高，體積質量顯着減小，總成本反而降低。在設計時既需根據具體使用場合和要求，進行性能、價格的比較後決定取捨，又要進行結構工藝的創新和設計優化以降低成本。

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