1导言

电机是一种以磁场为介质，转换机械能和电能的电磁装置。有两种方法可以建立电机机电能量转换所需的气隙磁场。一种是在电机绕组中产生电流，这既需要特殊的绕组和相应的装置，又需要持续供应能量以保持电流流动，如普通的DC电机和同步电机；另一种是永磁体产生磁场，既能简化电机结构，又能节能。这是永磁电机。

2永磁电机发展概述

永磁体的发展与永磁体的发展密切相关。中国是世界上第一个发现永磁体磁性并应用于实践的国家。两千多年前，中国利用永磁体的磁性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大作用，成为中国古代四大发明之一。

在19世纪20年代，世界上第一台电机是永磁电机，它从永磁体产生励磁磁场。但当时使用的永磁材料是天然磁铁矿(Fe3O4)，磁能密度很低。用它制成的马达体积庞大，很快就被电励磁马达取代。

随着各类电机的快速发展和电流磁化器的发明，人们对永磁材料的机理、成分和制造工艺进行了深入研究，先后发现了碳钢、钨钢(最大磁能积约为2.7 kJ/m3)、钴钢(最大磁能积约为7.2 kJ/m3)等永磁材料。特别是在30年代，50年代出现了铝镍钴永磁体(最大磁能积可达85 kJ/m3)和铁氧体永磁体(最大磁能积可达40 kJ/m3)。磁性能有了很大提高，各种微小型电机都使用了永磁体励磁。永磁体的功率从毫瓦到几十千瓦不等，广泛应用于军事、工农业生产和日常生活中，产量急剧增加。相应地，这一时期永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术都取得了突破，形成了一套以永磁工作图图示法为代表的分析研究方法。

但Al-Ni-Co永磁体矫顽力较低(36 ~ 160 kA/m)，铁氧体永磁体的剩磁密度不高(0.2~0.44 T)，限制了其在电机中的应用。直到上世纪六八十年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁(两者都称为稀土永磁)相继问世。它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优良磁性特别适合制造电机，从而使永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。

稀土永磁材料的发展大致可以分为三个阶段。1967年美国K.J.Strnat教授发现的钐钴永磁体是第一代稀土永磁体。其化学式可表示为RCo5，简称1:5稀土永磁体。产品最大磁能积超过199 kJ/m3(25mg & middot；Oe).1973年出现了磁性能更好的第二代稀土永磁体，其化学式为R2Co17，简称2:17稀土永磁体。产品的最大磁能积达到258.6 kJ/m3(32。5MG & middotOe).1983年，日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司成功研制出钕铁硼永磁体，被称为第三代稀土永磁体。由于钕铁硼永磁体的磁性高于其他永磁体，价格低于稀土钴永磁体，所以稀土矿物中nd的含量是钐的十几倍，而且没有战略物质& mdash& mdash钴，因此引起了国内外磁学和电学领域的极大关注，投入了大量的人力物力进行研发。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等。，希望能有新的更大的突破。

相应的，稀土永磁电机的研发大致可以分为三个阶段。

第一阶段:20世纪60年代末70年代，由于稀土钴永磁体价格高，研发集中在航空电机和要求高性能但价格不是主要因素的高科技领域。

第二阶段:20世纪80年代，特别是1983年价格相对低廉的钕铁硼永磁体出现后，国内外研发重点转向工业和民用电机。稀土永磁体优异的磁性能，加上电力电子器件和微机技术的飞速发展，不仅使许多传统电励磁电机被稀土永磁体所取代，而且实现了传统电励磁电机无法实现的高性能。

第三阶段:90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁体热稳定性和耐腐蚀性的提高，价格的逐步降低和电力电子器件的进一步发展，以及永磁电机研发经验的逐步成熟，稀土永磁电机的研发进入了一个新的阶段， 除了大力推广应用已有的研究成果，这使得永磁电机越来越广泛地应用于国防、工农业生产和日常生活中。 一方面是向高功率(高转速、高扭矩)、高功能、小型化方向发展。【/br/】目前，稀土永磁电机单台容量已超过1 000 kW，最高转速已超过300 000 r/min，最低转速低于0.01 r/min，最小电机外径仅为0.8 mm，长度为1.2 mm另一方面，永磁电机的设计理论、计算方法、结构技术和控制技术的研究也进入了一个新的局面， 并涌现出大量相关的学术论文和科研成果，形成了一整套电磁场数值计算与等效磁路解析求解相结合的分析研究方法和计算机辅助设计软件。

中国稀土资源丰富，稀土并不稀有，所以被誉为& ldquo稀土王国& rdquo。稀土矿石和稀土永磁体产量居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的研究水平达到国际先进水平。因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，具有重要的理论意义和实用价值。

3永磁电机的主要特点和应用

与传统的电励磁电机相比，永磁电机尤其是稀土永磁电机结构简单，运行可靠。体积小，重量轻；低损耗、高效率；电机的形状和尺寸可以是灵活多样的。因此应用范围极其广泛，几乎遍及航空空航天、国防、工农业生产和日常生活等领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点和应用。

3.1稀土永磁发电机

与传统发电机相比，永磁发电机不需要滑环和电刷装置，结构简单，降低了故障率。稀土永磁体还可以增加气隙磁密，提高电机转速到最佳值，提高功率质量比。稀土永磁发电机几乎全部用于当代航空空和航天发电机。其典型产品为美国通用电气公司生产的150 kVA 14极12 000 r/min ~ 21 000 r/min和100 kVA 60 000 r/min稀土钴永磁同步发电机。我国研制的第一台稀土永磁电机是一台3 kW 20 000 r/min的永磁发电机。

永磁发电机也用作大型涡轮发电机的辅助励磁器。20世纪80年代，我国成功研制了世界上最大的容量为40千伏安~160千伏安的稀土永磁辅助励磁机，并配备了200兆瓦~ 600兆瓦的汽轮发电机，大大提高了电站运行的可靠性。

目前，内燃机驱动的小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步普及。

3.2高效永磁同步电机

与感应电机相比，永磁电机不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数(最高可达1甚至容性)，降低定子电流和定子电阻损耗，稳定运行时无转子铜损，从而降低风扇(小容量电机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩擦损耗。与同规格感应电机相比，效率可提高2 ~ 8个百分点。而且永磁同步电机在25% ~ 120%的额定负载范围内都能保持较高的效率和功率因数，使得轻载运行时节能效果更加明显。这种电机一般在转子上装有起动绕组，具有在一定频率和电压下直接起动的能力。目前主要用于油田、纺织化纤行业、陶瓷玻璃行业、年运转时间长的风机和泵等。

我国自主研发的高效率、高起动转矩的钕铁硼永磁同步电动机可以解决油田应用中的问题& ldquo马车& rdquo问题:启动转矩比感应电机大50% ~ 100%，可以替代更大帧数的感应电机，节电率20%左右。

在纺织行业，负载转动惯量大，要求牵引力矩大。合理设计永磁同步电机的空漏磁系数、凸极比、转子电阻、永磁体尺寸和定子绕组数，可以提高永磁电机的牵引性能，促进其在新型纺织和化纤行业的应用。

大型电站、矿山、石油、化工等行业使用的风机和水泵是耗能大户，但目前使用的电机效率和功率因数较低。使用钕铁硼永磁体不仅提高了效率和功率因数，节约了能源，而且具有无刷结构，提高了运行的可靠性。1 120kW永磁同步电机是目前世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机。其效率高于96.5%(同规格电机效率为95%)，功率因数为0.94，可替代比其大1 ~ 2个功率等级的普通电机。

3.3交流伺服永磁电机和无刷DC永磁电机

目前，越来越多的采用变频电源和交流电机构成交流调速系统，以取代DC电机调速系统。在交流电机中，永磁同步电机在稳定运行时转速与电源频率保持恒定关系，因此可以直接用于开环变频调速系统。这种电机通常是通过逐渐提高变频器的频率来启动的。不需要在转子上设置起动绕组，省略了电刷和换向器，维修方便。

自同步永磁电机由变频器供电的永磁同步电机和转子位置闭环控制系统组成，不仅具有电励磁DC电机的优良调速性能，而且实现了无刷。主要用于控制精度和可靠性要求较高的场合，如航空空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动车、计算机外设等。

目前已开发出宽调速范围和高峰功率速比的钕铁硼永磁同步电机及驱动系统，速比为1: 22 500，极限转速为9 000 r/min。永磁电机效率高、振动小、噪声低、转矩密度高的特点，是电动汽车、机床等驱动装置中最理想的电机。

随着人们生活水平的不断提高，对家用电器的要求也越来越高。比如家用空调制器，不仅功耗大，而且是噪声的主要来源。其发展趋势是采用无级调速的永磁无刷DC电机。它能根据室温的变化自动调节到合适的速度并长时间运行，降低噪音和振动，使人感觉更舒适，比不调速的空调制器节电1/3。其他冰箱、洗衣机、吸尘器、风扇等。正逐步转向无刷DC电机。

3.4永磁DC电机

DC电机采用永磁励磁后，不仅保留了电励磁DC电机良好的调速特性和机械特性，还具有结构和工艺简单、体积小、铜耗低、效率高等特点。因为省略了励磁绕组和励磁损耗。因此，永磁DC电机被广泛应用于从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求良好动态性能的精密速度和位置传输系统。在50W以下的微型DC电机中，永磁电机占92%，而10 W以下的占99%以上。

目前，我国汽车工业发展迅速，汽车工业是汽车关键零部件永磁电机的最大用户。在一辆超豪华汽车中，有70多台不同用途的电机，其中大部分是低压永磁DC微电机。当钕铁硼永磁体和行星齿轮用于汽车和摩托车的起动电机时，起动电机的质量可降低一半。

3.5几种新型永磁电机

3.5.1无铁芯钕铁硼永磁电机

利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优良特性，不用或少用硅钢片制作无铁芯电机，质量大打折扣。无铁心永磁电机采用聚磁结构和正余弦充磁，产生的磁场是正弦的，可以采用集中绕组代替斜槽，便于交流控制。绕组端部短，损耗低，转矩密度高，振动噪音显著降低。在汽车方向盘驱动、机器人、电梯、DVD驱动等很多方面都有应用。

3.5.2横向磁通钕铁硼永磁电机

为了解决放置线圈的槽宽与磁通流过的齿宽之间的矛盾，提高电机的功率密度和转矩密度，人们在不断探索新的磁路结构，横向磁通机的结构思想应运而生。这种电机定子齿槽结构与电枢线圈在空处相互垂直，主磁通沿电机轴向流动，在空处电流与磁负载不存在竞争，因此定子尺寸与通电线圈尺寸相互独立，可以在一定范围内任意选取，提高了功率密度。目前，这种电机的研究开发在国际上刚刚起步，具有广阔的发展前景。

3.6永磁特种电机

控制电机和特种电机种类繁多，其共同的发展趋势之一是永磁化，逐渐以高性能的永磁励磁取代电励磁。

由于稀土永磁体具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点，可以允许制造的电机具有较大的气隙长度和气隙密度，因此在永磁体放置和磁路结构设计上具有很大的灵活性。它们可以根据应用，特别是汽车、计算机和航空航天工程的需要，制成与传统电机不同的结构形状和尺寸，如盘式电机和无槽电机。这不仅可以进一步减小电机的质量和转动惯量，还可以提高电机的反应灵敏度。还可以减少电机转矩脉动，增加运行稳定性。而且可以简化电机的结构和工艺。因此广泛应用于计算机外围设备、办公设备以及需要精确定位控制的场合。

计算机磁盘驱动器中驱动读写头往复运动的动圈式直线电机& mdash& mdash音圈电机需要高性能的磁铁来保证足够的灵敏度，减少体积和重量。钕铁硼永磁体正好可以满足这个要求。20世纪60年代，铁氧体永磁体被用于开发14英寸磁盘驱动器的音圈电机。随着钕铁硼永磁体的采用，驱动器的体积不断缩小，存取时间明显缩短，存储容量增加。1984年，磁盘驱动器缩小到5.25英寸磁盘。上世纪90年代，3.5英寸硬盘发展迅速，成为主流。在未来几年内，2.5英寸和1.8英寸磁盘驱动器将会有很大的发展。因此，日本、美国等国家的钕铁硼永磁体销售额中，约有一半用于制造音圈电机。

此外，在步进电机、开关磁阻电机、低速同步电机等特种电机中加入钕铁硼永磁励磁后，其技术经济性能和动态响应特性明显提高。

永磁电机的研究推动了电机科学的发展。

在永磁电机的设计、制造和应用过程中，应注意对以下问题的研究和分析。

4.1磁路结构及设计计算

为了充分发挥各种永磁体的磁性能，特别是稀土永磁体的优良磁性能，制造出高性价比的永磁电机，必须树立新的设计理念，重新分析和改进磁路结构，而不是简单套用传统永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法。随着计算机软硬件技术的快速发展，电磁场数值计算、优化设计、仿真技术等现代设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的共同努力，永磁电机的设计理论、计算方法、结构技术和控制技术取得了突破，形成了一整套将电磁场数值计算与等效磁路解析解相结合的分析研究方法和计算机辅助分析设计软件，并正在不断完善。

4.2控制问题

永磁体制成后，在没有外界能量的情况下也能维持其磁场，但这也使得从外部调控其磁场变得异常困难。永磁发电机很难从外部调节其输出电压和功率因数，永磁DC电机也不能再通过改变励磁来调节转速。这些永磁电机的应用范围受到限制。然而，随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的快速发展，大多数永磁电机只能通过电枢来控制，而没有磁场控制。在设计中，需要结合稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术，使永磁电机在全新的工况下运行。

4.3不可逆退磁问题

如果设计或使用不当，当永磁电机温度过高(钕铁硼永磁体)或过低(铁氧体永磁体)时，在冲击电流引起的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动下，都可能发生不可逆的退磁，或失磁，使电机性能下降，甚至不能使用。因此，有必要研究开发适合电机生产厂家的永磁材料热稳定性校核方法和装置，分析各种结构形式的抗退磁能力，从而采取相应的措施，保证永磁电机在设计和制造过程中不失磁。

4.4成本问题

铁氧体永磁电机，尤其是微型永磁DC电机，因其结构和工艺简单、重量轻、总成本比电励磁电机低而得到广泛应用。因为目前稀土永磁还是比较贵的，所以稀土永磁电机的成本普遍高于电励磁电机，需要用其高性能和运行成本的节省来弥补。在某些情况下，如计算机磁盘驱动器的音圈电机，钕铁硼永磁体性能提高，体积和质量显著减小，总成本降低。在设计中，需要根据具体的应用场合和要求进行性能和价格的比较，再决定是否选择，还需要创新结构工艺和优化设计来降低成本。

5稀土永磁电机的发展趋势

中国稀土资源丰富，储量居世界第一。稀土永磁材料和稀土永磁电机的研究水平达到国际先进水平。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对加快我国全面进入小康社会具有重要意义。

稀土永磁电机正在向大功率(高转速、高转矩)、高功能化、小型化方向发展，不断拓展新的电机品种和应用领域，应用前景十分乐观。为了满足需要，稀土永磁电机的设计和制造工艺需要不断创新，电磁结构将更加复杂，计算结构将更加精确，制造工艺将更加先进和适用。这些复杂的问题需要应用多学科理论和系统工程来优化设计，提高性价比，促进电机等学科和行业的进一步发展。