永磁材料是磁性材料中的一個十分重要的分支。永磁體經(jīng)充磁后，能在其周圍空間建立一個恒定的靜磁場。
隨著電流的發(fā)現(xiàn)和電磁感應定律的廣泛應用，永磁材料得到了迅速的發(fā)展。1930年代，鋁鎳鈷永磁問世，隨著其磁性能的逐漸提高，在永磁領(lǐng)域中占據(jù)了統(tǒng)治地位，并且一直保持到七十年代：1950年代后人們又陸續(xù)發(fā)明了永磁鐵氧體、稀土鈷永磁材料、NdFeB永磁材料等，永磁材料形成了一個相當興旺的“大家族”。
1960年代開發(fā)的第一代稀土永磁材料(RCo5，簡稱1：5材料，R為稀土元素)和1970年代開發(fā)的第二代稀土永磁材料(R2Col，簡稱2：17材料)，都具有良好的永磁特性。RCo5型的最大磁能積(，達160kJ／m(20MGOe)，R2Col7型的(日，達24010／m(30MGOe)。這兩代稀土鈷材料可以說是理想的永磁體，但由于含有戰(zhàn)略物資金屬鈷和稀缺的稀土元素釤等元素，因此，價格較高，從而使其應用受到一定限制，但是由于其優(yōu)異的磁性能．仍在軍事電子設(shè)備．空間電子設(shè)備以及電機、機械、儀表等領(lǐng)域得到廣泛應用。長期以來，人們一直在探索不含稀缺元素和戰(zhàn)略物資鈷的高性能永磁材料，1983年人們夢寐以求的愿望成真，被稱為永磁磁王的新一代永磁材料——NdFeB問世，這種價廉而性能優(yōu)異可以不受資源限制的永磁材料一出現(xiàn)，它迅速改變著永磁研究、生產(chǎn)和應用格局。釹鐵硼永磁材料的磁性能非常優(yōu)異，(B達到446kJ／m(55．8MGOe)，400kJ／m(50MGOe)材料已商品化，它良好的性能價格比，使其應用領(lǐng)域不斷擴展，除了在計算機、打印機、移動電話、家用電器、醫(yī)療器件等方面大量應用外，在各種永磁電機和音響系統(tǒng)的應用也日益成熟、擴大。電機是以磁場為媒介實現(xiàn)電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置。
用永磁材料勵磁的電動機、傳動裝置和發(fā)電機是基于法拉第定律和洛侖茲力進行工作的，永磁材料的磁性能即剩磁、矯頑力、磁能積及退磁曲線形狀、溫度穩(wěn)定性、尺寸、重量、體積、制造成本等是決定永磁電機質(zhì)量性能好壞的關(guān)鍵因素。一般來講磁能積越高，電機的輸出能量就越大：辟越高，提供的氣隙場就越高，電機的力矩就越大，從而提高電機的效率：越高、電機工作磁場、抗退磁能力就越強、工作范圍越寬；退磁曲線矩形度越高、電機的動態(tài)損失越?。河来朋w的電阻率越高，渦流損耗就越小。對于現(xiàn)代電子信息技術(shù)中使用的高精小微特電機，其要求是小型、輕量、大轉(zhuǎn)矩、精度高、可控性好，因而對永磁材料要求是高、高，小體積和小的安裝尺寸，同時要求價格要有競爭力。高性能稀土永磁材料就能滿足微特永磁電機的要求．高性能稀土永磁材料特別是釹鐵硼永磁材料用于微特永磁電機中是近年乃至今后一個時期的發(fā)展方向，國內(nèi)外已有許多應用成功的實例。本文綜合介紹這些應用實例。
1、橫向磁場永磁電機
橫向磁場永磁電機屬于同步電機的范疇，它是一種無刷直流電機，這種電機是德國的Weh教授發(fā)明的。電機的定子齒槽結(jié)構(gòu)和電樞線圈在空間位置上互相垂直，電機中的主磁通由稀土永磁體提供并沿電機的軸向流通，因而定子尺寸和通電線圈的大小相互獨立，在一定范圍內(nèi)可以任意選取，早期的橫向電機是聚磁式結(jié)構(gòu)，在其發(fā)明后的十幾年里，各國的研究者對其復雜結(jié)構(gòu)進行改進，并結(jié)合制造工藝發(fā)明了平板式、聚磁式和磁阻式三類結(jié)構(gòu)(按轉(zhuǎn)子磁體放置方式)。
平板式結(jié)構(gòu)是永磁體均勻分布在轉(zhuǎn)子表面，相鄰的永磁體分別充磁成不同的極性，可采用疊片鐵心，這樣既減小渦流損耗，又便于加工，而且可減輕電機的重量、降低成本聚磁式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，其目的是為了聚磁，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩，解決轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性等問題，定子做成雙定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用雙邊永磁體結(jié)構(gòu)。為了使線圈便于裝配，簡化電機結(jié)構(gòu)，節(jié)約鐵心材料、減少定位力矩的同時又不影響電機性能，近年來又有人將其雙邊結(jié)構(gòu)改成單邊永磁結(jié)構(gòu)，并將原先的u形定子旋轉(zhuǎn)90。成為C形、兩個齒部則錯開一個極矩位置，從而使永磁體得到充分的利用。磁阻式橫向磁場電機的結(jié)構(gòu)和平板式橫向磁場永磁電機很相似，只是它的轉(zhuǎn)子部分沒有永磁體，為了減少漏磁，可以在定子的齒部裝永磁體進行磁屏蔽，因為該電機的轉(zhuǎn)子部分沒有放置永磁體，使得它的工作原理與磁阻式步進電機一樣，磁通沿著磁導最大的路徑閉合、產(chǎn)生磁拉力形成像磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。
目前世界各國以聚磁式橫向磁場電機的研究最為普遍廣泛，因為它出力性能最佳，而且性能指標遠大于其余兩種橫向磁場電機，雖然結(jié)構(gòu)較為復
雜，但隨著制造工藝水平的提高，它最具有發(fā)展前途。與其它電機相比，橫向磁場電機具有通常電機的徑向磁場，還有橫(軸)向磁場；各相之間沒有耦合，可以分析與控制；每相只需一組線圈，繞組構(gòu)成簡單方便；轉(zhuǎn)子由鐵心沖片和稀土永磁體構(gòu)成聚磁結(jié)構(gòu)，空載時能產(chǎn)生很大的氣隙磁密，設(shè)計自由度大，可根據(jù)需要改變磁路尺寸和線圈匝數(shù)，因而它特別適合于低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、大功率的工業(yè)和軍事領(lǐng)域應用。如風力發(fā)電機、水輪機、游輪、軍艦、船用推進電機等。
2、混合電動汽車用稀土永磁無刷直流電動機
近年來，由于世界范圍內(nèi)資源、環(huán)境問題日益突出，石油價格猛漲，各國都加緊實施電動汽車的研發(fā)計劃，混合動力車(HEV)和燃料電池車(FCEV)成為新的熱點?；旌蟿恿﹄妱悠囃瑫r擁有電動機驅(qū)動和發(fā)動機驅(qū)動的系統(tǒng)，這種油和電混合使用的新型交通工具將受到人們青睞。稀土永磁無刷直流電動機是混合電動汽車的核心部件，它是實現(xiàn)各種工作模式的關(guān)鍵，直接影響混合電動汽車的性能?；旌想妱悠囉孟⊥劣来艧o刷直流電機系統(tǒng)的基本構(gòu)成與普通無刷電機一樣，主要由永磁電機本體、功率電子換向控制器及轉(zhuǎn)子位置傳感器等組成，主要特點是軸向厚度尺寸小、重量輕、輸出功率大、效率高，集電動、發(fā)電及制動功能于一體，并能頻繁地進行電動和發(fā)電可逆工作。
福特汽車公司采用混合動力電動汽車技術(shù)與先進的新式燃科電池打造了業(yè)內(nèi)第一款“混合動力型燃料電池、零排放、高效率”福特?？怂?Focus)汽車。它將混合動力技術(shù)改善行駛里程和動力性的優(yōu)點與燃料電池的綜合效益結(jié)合了起來。
3、汽車用稀土永磁發(fā)電裝置
隨著農(nóng)村經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國農(nóng)用運輸車的生產(chǎn)量在不斷增加，年產(chǎn)300萬輛以上。目前小型農(nóng)用車所采用的發(fā)電機主要是永磁交流發(fā)電機，存在著低速時照明效果差的問題，從而造成這種農(nóng)用車在夜間行駛或路面差轉(zhuǎn)向時易發(fā)生交通事故，并且不能直接給車輛駕駛棚的刮雨器、暖風機等提供直流電源。因此研制開發(fā)一種電壓輸出穩(wěn)定，成本低，性能可靠，適用于多種車輛的稀土永磁直流發(fā)電機裝置十分必要。稀土永磁直流發(fā)電裝置包括電子穩(wěn)壓器、發(fā)電機殼蓋和由定子鐵心、線圈構(gòu)成的定子和由轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)子鐵心及NdFeB永磁體構(gòu)成的轉(zhuǎn)子總成。
轉(zhuǎn)子鐵心上均勻設(shè)置l2個極，其中相同間隔的6個極為凸極，另外6個極為凹槽極，等同的NdFeB永磁體固定在凹槽極上，貼近轉(zhuǎn)子鐵心凹槽的極性，通過轉(zhuǎn)子鐵心引到凸極上，以使每件磁體的磁性得到充分利用，從而提高材料利用率、降低制作成本。發(fā)電機額定電壓為14V、額定功率200W、額定轉(zhuǎn)速400r／min，12極、星形轉(zhuǎn)子式。采用的NdFeB永磁材料剩磁為1．12T，矯頑力為790kA／m，最大磁能積為224~256kJ／m。這種將發(fā)電機與電子穩(wěn)壓器設(shè)計為一體并采用高性能稀土永磁體作磁極的發(fā)電裝置能實現(xiàn)直流恒壓輸出，體積小，重量輕，成本低，使用安全可靠，解決T汽車(農(nóng)用汽車)的夜間照明，轉(zhuǎn)向指示，電喇叭、刮雨器、暖風機等電設(shè)施所需的直流電源。
4、變頻空調(diào)用釹鐵硼永磁同步電動機
隨著社會的發(fā)展，人們對環(huán)境保護和舒適的環(huán)境要求越來越高，從而把變頻技術(shù)紛紛引人家用電控制中，變頻空調(diào)就是在這一背景中提出來的，因為變頻空調(diào)具有控制精度高、溫度波動小、節(jié)能、噪聲小等特點，從而深受市場歡迎。變頻空調(diào)的核心部件是壓縮機，其執(zhí)行元件是異步電動機。異步電動機效率低，變頻控制器較復雜，促使人們研制新的電機來替代它，研究表明：釹鐵硼永磁同步電動機力能指標高，溫升低，起動·能好，效率高，單相和三相釹鐵硼永磁同電機在額定頻率及額定頻率以下的起動和運行性能比較好；而在額定頻率以上，三相永磁同步電機的變頻效果要比單相永磁同步電動機好，起動時間短，同步后轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，幾乎沒有什么振動：若采用變頻起動，起動頻率逐步上升到高頻，三相永磁同步電動機的起動和運行性能更好。實驗證明，釹鐵硼永磁同步電動機是空調(diào)器壓縮機中異步電動機的理想替代電機。
5、信息設(shè)備中用的稀土永磁微電機
日本佳能公司為適應照相機、攝像機、打印機等信息設(shè)備的高精密化、小型化需要，推出了CAM系列稀土永磁微型步進電機，它克服了電磁電機在尺寸小了以后功率急劇下降、效率惡化的缺點，具有功率體積比大、結(jié)構(gòu)簡單、容易批量生產(chǎn)的特點。其結(jié)構(gòu)設(shè)計十分巧妙，兩個線圈夾持作為轉(zhuǎn)子的稀土永磁體的兩端，左右定子做成又形，并形成步進電機的磁極，用非磁性材料殼體固定。兩端定子的磁化相位相差半步，交替切換供給兩端定子線圈的電流方向，形成旋轉(zhuǎn)步進磁場，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同軸結(jié)構(gòu)有利于線圈磁通的有效利用，空間緊湊易于裝配，同時也使磁體直徑盡可能大，提高輸出力矩。日本富士電機綜合研究所開發(fā)了軸向間隙型稀土永磁電磁微電機，轉(zhuǎn)子磁膜厚2．5m，采用薄型4極磁化，用濺射工藝制作，與此配對的是6極的薄膜定子，采用平面式層疊薄膜繞組線圈，很好地克服了微細線圈的加工工藝要求很高、難以大批量加工的困難。
6、稀土永磁直線電機在機床上的應用
隨著電子技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，高速度、多功能的或?qū)Ｓ玫奈⑻幚砥?、信號處理器及高性能稀土永磁材料的涌現(xiàn)，直線電機尤其是稀土永磁直線電機得到了快速發(fā)展。其應用在不斷拓寬。為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展起來的高速和超高速精密加工，現(xiàn)已成為機床發(fā)展的一個重大趨勢。直線電機的使用，改變了傳動的“旋轉(zhuǎn)電機+機械變換環(huán)節(jié)(如滾軸絲杠、齒輪齒條等)”方式，提高了加工速度，降低了加工噪音，維護簡單，可靠性好，并具有高的傳動精度和定位精度；采用直流電機作傳動裝置可簡化機床結(jié)構(gòu)，建立新的機床布局，并可能使機床實現(xiàn)原理化的新工藝，從而實現(xiàn)高精度、高速異形截面加工。有一種在數(shù)控機床上應用的稀土永磁直流交流伺服電機系統(tǒng)，電機為單邊平板形，定子(床身)上沿行程方向交替安裝NdFeB永磁體。
動子即為工作臺，其下方對應安裝著電樞繞組和霍爾傳感元件。動子由兩邊的導軌支撐，保證氣隙尺寸。導軌一邊上固定著線光柵。其中霍爾傳感元件用于電樞電流換向，直流光柵用于測量動力的位移。直流光柵的分辨率直接決定了系統(tǒng)的位置控制精度，其測量速度決定了動力最大速度。在電機動子的三相繞組中通人三相對稱正弦電流后，產(chǎn)生氣隙磁場，當不考慮端部效應時，可看成是沿展開方向呈正弦分布。當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按一定的相序沿直線方向平移，稱為行波磁場。永磁體的勵磁磁場與行波磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，從而動子沿著與行波磁場運動相反方向作直線運動。
7、電梯驅(qū)動用稀土永磁同步電機
電梯是高層建筑不可缺少的交通運輸工具。隨著建筑物規(guī)模的擴大，對電梯的調(diào)速精度、調(diào)速范圍等杼l生提出了更高的要求。安全可靠、乘坐舒適、能耗低、噪聲小、電磁兼容性好、能遠程監(jiān)控等是衡量現(xiàn)代電梯性能的標準，多品種、智能化綠色環(huán)保將是電梯發(fā)展方向。電梯的核心部分是它的驅(qū)動系統(tǒng)。電梯驅(qū)動系統(tǒng)對電梯的起動加速、穩(wěn)速運行和制動減速起著控制作用，其性能直接影響電梯的起動制動、加減速度、平層精度和乘坐舒適性等指標。由于使用場合的特殊性、電梯驅(qū)動用電機應該具有振動小、噪聲低、起動電流小、有足夠的起動轉(zhuǎn)矩和運行平穩(wěn)等性能要求。
永磁同步電機具有轉(zhuǎn)矩波紋小、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、動態(tài)響應快速準確、過載能力強、高效節(jié)能、低噪聲等優(yōu)點而成為當今電梯行業(yè)的新寵。近年來，隨著稀土永磁材料和永磁電機技術(shù)的進步，開發(fā)和生產(chǎn)稀土永磁同步電機用于電梯驅(qū)動機構(gòu)越來越受到國內(nèi)外電梯行業(yè)的重視。稀土永磁同步電機典型結(jié)構(gòu)是，用優(yōu)質(zhì)矽鋼片在其八個大齒上沖制成均勻分布小齒的定轉(zhuǎn)子沖片疊壓成定子鐵芯：轉(zhuǎn)子鐵芯采用粘結(jié)工藝制造，轉(zhuǎn)子由三段互相錯位的鐵芯并夾有兩片高性能環(huán)形NdFeB永磁體組成。轉(zhuǎn)子加工完后在強磁場下充磁，使磁體達到足夠的磁飽和狀態(tài)，考慮到轉(zhuǎn)子充磁后，軸向磁通不會從軸泄漏，電機的轉(zhuǎn)軸一般采用非導磁的不銹鋼材料。日本三菱公司首先在高速電梯曳引機上使用永磁同步電機；通力公司開發(fā)了EcoDiso永磁盤式無齒曳引機，應用于機房電梯。OTIS公司推出的GENZ系統(tǒng)，研制了O100m的永磁無齒輪曳引機，德國Wittur集團、阿比特公司、意大利Montanari Giulio均推出了各自的永磁同步電引機。
8、小型無刷電機和無槽電機
美國AMETEK公司擴展了其直徑為4．318cm的緊湊型無刷電機系列。該系列無刷電機有8極l2槽和4極6槽兩種?？蛰d速度可達15000r／min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩～0．056N·m，輸人電壓按l2、24和36V定制。該系列電機標準設(shè)計采用霍爾效應元件和稀土永磁體來實現(xiàn)電子控制換向和減小脈動轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩、大電流轉(zhuǎn)矩及大電流引起的退磁效應：同時配置了密封的轉(zhuǎn)速控制器，以實現(xiàn)快速的升、降速。
瑞士Interelectic AG公司推出的Mexon型高速無刷電機，其尺寸為22×62．5mm，轉(zhuǎn)速達50000r／min，功率為50W，采用NdFeB永磁體，繞組接成三角形或星形，可以帶減速器、齒輪等，效率達到82％。ElcomST公司利用低成本有槽設(shè)計技術(shù)和高性能粘結(jié)NdFeB磁體，開發(fā)出一種連續(xù)轉(zhuǎn)矩輸出為0．34N·m、轉(zhuǎn)速可達8000r／min、功率輸出為188W的無刷直流電機，無刷設(shè)計有助于實現(xiàn)高速和快加速以及高的連續(xù)轉(zhuǎn)矩、低噪聲、抗電磁干擾、長壽命。這類電機主要用于醫(yī)療、計算機外設(shè)、磁帶驅(qū)動、泵壓縮機、辦公自動化以及任何需要精確控制轉(zhuǎn)速的場合。
美國EAD公司研制的無槽無刷直流電機，在結(jié)構(gòu)上采用無槽定子繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，從而沒有齒槽效應轉(zhuǎn)矩和振動。定子采用高密度銅，并將其安裝在一無齒定子環(huán)中：轉(zhuǎn)子采用高性能NdFeB永磁體，減小了鐵心損耗，使功率增高，并使轉(zhuǎn)矩／重量達最大值，較小的繞組電感減小了控制電子的電壓損耗，電機外徑035～147ram，轉(zhuǎn)速為5000r／rain，轉(zhuǎn)矩常數(shù)大于4．1N·m。
浙公網(wǎng)安備 33032402002151號