摘要：与传统永磁电机相比，轴向磁场盘式永磁电机具有无法比拟的优势。在电动汽车、航天工业、机器人等领域的应用越来越广泛。其突出优点是体积小，质量轻（其比质量为0.5-1.0kg/Kw）、效率高、基本免维护、调速范围广。本文主要对永磁电机的发动原理、优点以及它的新发展做了详细的探索。
关键词：永磁电机；发动原理；优点；伺服驱动系统
0引言
进入二十一世纪以来，随着全球经济社会的快速发展，石油、煤等非可再生资源的日益枯竭，能源紧张也成为全球共同关心的话题，所以建设资源节约型，环境友好型社会也成为迫切要实现的目标。在这种大背景下，高性能电机及其驱动技术日益蓬勃发展，并且国家发改委在“十大重点节能工程实施意见”中提出了要推广高效节能电机，稀土永磁电机，同时推广变频调速永磁电机等先进电机调速技术的要求，并且随着该电机技术的日益成熟，已经渗透到了国防、工、农业生产中，影响着我们的日常生活。
1永磁电机的结构与工作原理
在结构方面：电机基于磁场作为媒介为机械能和电能转换的电磁装置。在运动机制中首先气隙磁场的电能量转换需要永久磁铁产生的气隙磁场，其次就是在集团内部进入电机绕组电流，但这需要两个特殊的绕组和相应的装置，并提供能量以维持电流的流动，总体电机由两部分组成，定子和转子。电机在运行时固定部分称为定子，定子主要由硅钢冲压、绕组的三相对称分布，固定核心底盘和阀盖零件，如转子永磁磁轭和轴。永磁磁轭，考虑磁轭是圆柱形的，在转轴上设置形成了永磁电机。
在原理方面：定子和转子的磁场相互作用在平面内产生两种相互垂直作用的电磁力，从而实现了电机的运动，并且电磁推力是永磁阵列产生的磁场与线圈阵列中的电流相互作用的结果。当电磁转矩克服转子本身的惯性，以及永磁体的永磁电动机转子磁钢产生的阻尼转矩，电动机开始运动。
2永磁电机的优点
传统永磁电机的结构是将电枢绕组按照一定的规律安装在铁芯槽中，由于电机运转时齿槽效应使电磁转矩产生脉动，其转动惯性较大，动态响应速度较慢。而且传统永磁电机中的铁芯必须使用优质硅钢片，并存在一定的铁损，尤其是电机在变频驱动高速运转时电机铁损会显著增大，在很大程度上限制了电机在高速领域的推广应用。因此，优化设计后的轴向磁场盘式永磁电机，实现了无铁芯化、轻型化，同时提高了电机的运行效率及可靠性，适应不同转速的变化范围，能广泛应用在各种场合，尤其在对高速、安装空间有特殊要求的动力装置上。 目前，随着国家工业化的发展，永磁电机已经成为市场新贵，它具有以下优点：
（1）结构简单、体积小、重量轻、维护方便
众所周知，传统的永磁电机是以铁芯为中心，要实现对传统永磁电机的改进，最大限度上要克服由于铁芯带来的各种限制。本设计对轴向磁场盘式永磁电机的结构进行优化，采用轴向磁场永磁无铁芯结构：双转子与单定子形成了双气隙，高性能的磁钢安装在磁轭上，定子（电枢）由绕组与高导热封装材料注塑成型，完全不采用铁芯材料。该电机主要由外壳、转子、定子、风扇及附件四大部分组成，无槽无刷，结构简单，维护起来非常方便，整机的体积、重量不到传统永磁电机的二分之一。
（2）生产工艺流程简单、生产效率高
该电机由于不采用铁芯材料，省去了复杂的剪板、冲齿、去刺、绝缘处理、叠片封装等繁琐工序；定子绕组成型后采用高导热复合材料在高温高压下一次注塑封装完成，线圈密封性好，省去了传统电机制造过程中的浸漆、烘干等工序。因此，生产流程简单，自动化程度高，生产效率显著提高。
（3）适用性广，特别是对安装空间有苛刻要求的工业应用场所
轴向磁场盘式永磁电机具有较小的体积和优良的性能，既能实现灵活的控制，具有较好的动态性能，又能克服同功率条件下传统永磁电机对安装空间有苛刻要求的工业应用场所的困难。
3永磁电机在国内外的应用现状
在经济社会的发展过程中，随着对环保节能要求的日益提高，使得永磁同步电机在国内外的应用范围更加广泛。例如，在航空航天领域。船舶电力推进领域，风机水泵行业，电梯行业，空调行业风电行业等都有极大的应用。
（1）目前，在稀土永磁无刷直流电动机作为第二代变速的制冷技术，在国外已经使用了空调和冰箱，普及率达到33%，并且稀土永磁无刷直流电动机系统在电风扇和洗衣机中也被广泛应用。直流变频空调压缩机电机是交流电动机，具有较高的控制精度，因此转子的永磁交流变频空调更有效率。在变频空调，采用直流变频技术，正弦波永磁同步电动机驱动技术是发展的主流。
（2）在船舶行业中，高性能的船舶推进系统一般是全动力推动，永磁电机作为推进电机在国外得到广泛应用，技术日益成熟。如Alstom，ABB，和西门子等都已形成产业，ABB公司已经形成了6相变频电源供电的230r/min，1095KW的稀土永磁同步电机。下表1-2给出我国新近开发 的用于风机、泵类作业中功率为 1120 kW 的稀土永磁同步电动机与感应电动机和电励磁同步电动机的性能对比。
4 永磁电机发展所面临的问题
在开发高性能永磁同步电机过程中，取得上述成果的同时，也得到了一些问题，有待于更深入地研究和探索。
1)不可逆退磁问题。如果设计或使用不当，永磁同步电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时，在 冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能下降，甚至无法使用。
因此，既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构型式的抗去磁能力，以便设计和制造时，采用相应措施保证永磁同步电机不失磁。
2)成本问题。铁氧体永磁电机由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了广泛应用。由于稀土永磁目前 的价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用 的节省来补偿。在设计时既需要根据具体使用场合和要求进行性能、价格的比较后取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化，以降低成本。
3 )控制问题。永磁同步电机不需外界能量即可维持其磁场，但这也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。但是随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的发展，大多数永磁同步电机在应用中，可以不进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需把永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁同步电机在崭新的工况下运行。此外，以永磁同步电机作为执行元件的永磁交流伺服系统，由于永磁同步电机本身是具有一定非线性、强耦合性和时变性 的系统，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时易受到不同程度的干扰，因此采用先进控制策略、先进的控制系统实现方式(如基于 DSP控制)，从整体上提高系统的智能化和数字化水平，这应是当前发展高性能永磁同步电机伺服系统的一个主要突破口。
5永磁电机的发展趋势
永磁同步电机的开发与应用扩展了永磁同步电动机在各个行业的应用，永磁电机较显着的性能特性是轻型化、高性能化、高效节能。高性能永磁电机是许多新技术、高技术产业的根底。它与电力电子技术和微电子控制技术相分离，能够制造出各种性能优良的机电一体化产品，如数控机床，加工中心，柔性消费线，机器人，电动车，高性能家用电器，计算机等等。随着永磁电机技术的不时开展其行业逐步呈现以下开展趋向。
(1)向高效节能方向开展,永磁电机又是一种高效节能产品，均匀节电率高达10%以上，专用永磁电机可高达15%～20%。电动机的节能分两个方面。一方面是变革异步电动机的构造，进步效率和其他性能，异步电动机以其构造简单、价钱廉价、顺应各种工况条件等优点被普遍应用于工业消费各个范畴。其次是开展永磁同步电动机，能够获得更高的节电效果。
(2)向高性能方向开展,现代化配备向电机工业提出各种各样的高性能请求，如军事配备请求提供应各种高性能信号电机，挪动电站，自动化配备用伺服系统及电机，航空航天用高性能、高牢靠性永磁电机，化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机，数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机，计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。
（3）电机的方向发展。电机驱动负载，如全部采用通用电机，在某些情况下，技术和经济不是很合理。如特殊电机特别设计的根据不同的负载特性，如油田抽油机专用节电率高达20%的稀土永磁电机等。在专门化的基础上，专用电机的节电潜能很大。这对电机工作者也提出较高的要求：他们不仅要研究电机本身，更应当研究所驱动负载的特性，设计出价格合理，运行可靠，性能先进的稀土永磁产品。
（4）向轻型化方向发展。便携式光机电一体化产品。永磁电机控制性能好，节能且体积小，可通过频率的变化调速，又容易做成低速直接驱动等优点，故在医疗器械，视听产品，计算机，数控机床，电动车辆，航空航天产品等领域得到广泛应用。未来随着控制技术和电子技术的发展，永磁电机技术会发展的日趋完善。
（5）向机电一体化。实现机电一体化的基础，是开发各种机电一体化的各种高性能永磁电机，如数控机床伺服电机，使用电脑VCM的音圈电机，变频调速的稀土永磁电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。
6、结束语
永磁电机作为21世纪具有广泛应用前景的产品，它的产业化程度还有待提高。由于它所具备各种优良性能和特点，达到了较好的运行效果和经济效益。可以相信，在不久的未来，它会在各个领域得到广泛应用，会渗透到日常生活和工业生产地方方面面。随着国家对电机领域的重视和投资，永磁电机必将蓬勃发展。
参考文献:
[1]王瑾.超高效永磁同步电机研究与设计[D].沈阳工业大学，2015.
[1]电机设计及工艺[J].建筑电气，2010
[2]永磁同步电动机设计及结构的设计[J].建筑电气，2011
论文作者:刘阳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/19
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