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上海伊謄實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司
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對(duì)永磁電機(jī)的探索
2017-10-21 閱讀(5544)
近年來(lái)，與原有的直流牽引電機(jī)系統(tǒng)相比，永磁電機(jī)具有明顯優(yōu)勢(shì)，其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕(其比質(zhì)量為0.5-1.0kg/Kw)、效率高、基本免維護(hù)、調(diào)速范圍廣。
1、永磁電機(jī)的概述
在今直流電動(dòng)機(jī)中，用直流電流來(lái)產(chǎn)生主極磁場(chǎng)的勵(lì)磁方式，稱為電流勵(lì)磁；若用*磁體取代電流勵(lì)磁，以產(chǎn)生主極磁場(chǎng)，則此種電機(jī)稱為永磁電動(dòng)機(jī)。
在許多情況下可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化，因此其多為小型和微型電動(dòng)機(jī)所采用。采用變頻電源供電時(shí)，永磁電動(dòng)機(jī)亦可用于調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善永磁電動(dòng)機(jī)已在家用電器、醫(yī)療器械、汽車、航空和國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。
永磁電動(dòng)機(jī)的不足之處是，若使用不當(dāng)，在過(guò)高溫度或過(guò)低溫度下工作時(shí)，在沖擊電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或者在劇烈的機(jī)械振動(dòng)下.有可能產(chǎn)生不可逆的退磁，使電動(dòng)機(jī)的性能下降，甚至無(wú)法使用。因此，使用永磁電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)特別予以注意。
2、永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
2.1中、低速發(fā)電性能好
功率等級(jí)相同的情況下，怠速時(shí)，永磁式發(fā)電機(jī)要比勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的輸出功率高一倍，也就是說(shuō)，永磁式發(fā)電機(jī)的實(shí)際等功率等級(jí)的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。
2.2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高
永磁式發(fā)電機(jī)省去了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組、碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)易磨損等故障，可靠性大為提高。
2.3能顯著地延長(zhǎng)蓄電池壽命，減少蓄電池維護(hù)工作
主要原因是永磁式發(fā)電機(jī)采用的是開關(guān)式的整流穩(wěn)壓方式，穩(wěn)壓精度高，充電效果好。避免了過(guò)電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發(fā)電機(jī)的開頭式整流輸出對(duì)蓄電池采用小電流脈沖充電，相同的充電電流充電效果更好，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。
2.4體積小、重量輕、比功率大
永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用，使得發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，實(shí)用轉(zhuǎn)速增加，比功率(即功率、體積之比例)達(dá)到一個(gè)很高的值。
2.5采用自啟動(dòng)式穩(wěn)壓器
無(wú)需外加勵(lì)磁電源。發(fā)電機(jī)只要一旋轉(zhuǎn)就能發(fā)電。當(dāng)蓄電池?fù)p壞時(shí)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，汽車充電系統(tǒng)仍可工常工作。如汽車沒有蓄電池，只要搖轉(zhuǎn)手把或溜車，也可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火運(yùn)行。
2.6效率高
永磁式發(fā)電機(jī)是一種節(jié)能產(chǎn)品。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)免去了產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所需的勵(lì)磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機(jī)械損耗，使得永磁式發(fā)電機(jī)效率大為提高。普通勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)在1500轉(zhuǎn)/分至6000轉(zhuǎn)/分之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均效率只有45%至55%，而永磁式發(fā)電機(jī)則可高達(dá)75%至80%。
2.7無(wú)無(wú)線電干擾
永磁發(fā)電機(jī)無(wú)碳刷、無(wú)滑環(huán)的結(jié)構(gòu)，消除了碳刷與滑環(huán)磨擦產(chǎn)生的無(wú)線電干擾；消除了電火花，特別適合于爆炸性危險(xiǎn)程度較大的環(huán)境下工作，也降低了發(fā)電機(jī)對(duì)環(huán)境溫度的要求。
2.8特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作。
3、永磁電機(jī)的發(fā)動(dòng)原理
3.1磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算
永磁體在電機(jī)中既是磁源，又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產(chǎn)廠的制造工藝有關(guān)，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機(jī)的容量和充磁方法有關(guān)，具體性能數(shù)據(jù)的離散性很大。而且永磁體在電機(jī)中所能提供的磁通量和磁動(dòng)勢(shì)還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化。這些都增加了永磁發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算的復(fù)雜性，使計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度低于電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。因此，必須建立新的設(shè)計(jì)概念，重新分析和改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；必須應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，研究新的分析計(jì)算方法，以提高設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確度；必須研究采用*的測(cè)試方法和制造工藝。
3.2控制問題
永磁發(fā)電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場(chǎng)，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場(chǎng)極為困難。這些使永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBTT等電力電子器件的控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，永磁發(fā)電機(jī)在應(yīng)用中無(wú)需磁場(chǎng)控制而只進(jìn)行電機(jī)輸出控制。設(shè)計(jì)時(shí)需要釹鐵硼材料，電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使永磁發(fā)電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。
3.3成本問題
由于稀土永磁材料目前的價(jià)格還比較貴，稀土永磁發(fā)電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)高，但這個(gè)成會(huì)在電機(jī)高性能和運(yùn)行中得到較好的補(bǔ)償。在今后的設(shè)計(jì)中會(huì)根據(jù)具體使用的場(chǎng)合和要求，進(jìn)行性能、價(jià)格的比較，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)的優(yōu)化，以降低制造成本。無(wú)可否認(rèn)，現(xiàn)正在開發(fā)的產(chǎn)品成本價(jià)格比目前通用的發(fā)電機(jī)略高，但是我們相信，隨著產(chǎn)品更進(jìn)一步的，成本問題會(huì)得到很好的解決。美國(guó)DELPHI(德爾福)公司的技術(shù)部負(fù)責(zé)人認(rèn)為：“顧客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的這一說(shuō)法充分說(shuō)明了交流永磁發(fā)電機(jī)的市場(chǎng)前景不會(huì)被成本問題困擾。
3.4不可逆退磁問題
如果設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)，永磁發(fā)電機(jī)在溫度過(guò)高(釹鐵硼永磁)或過(guò)低(鐵氧體永磁)時(shí)，在沖擊電流chan生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無(wú)法使用。因而，既要研究開發(fā)適合于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力，以便在設(shè)計(jì)和制造時(shí)采用相應(yīng)措施保證永磁式發(fā)電機(jī)不會(huì)失磁。
4、永磁電機(jī)的新發(fā)展
1993年美國(guó)能源部、*、貿(mào)易部、*、*、宇航局、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)七個(gè)政府部門下美國(guó)三個(gè)zui大的汽車制造公司，克萊斯勒、福特和通用，建立了新一代車輛伙伴關(guān)系，目標(biāo)是開發(fā)新一代機(jī)動(dòng)車技術(shù)，以增強(qiáng)美國(guó)汽車工業(yè)的實(shí)力。1998年至2002年期間，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(NSF)資助美國(guó)國(guó)家電力電子中心(由美國(guó)Virginia和美國(guó)Wisconsin等四所大學(xué)組建)研發(fā)車輛電子動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電子伺服控制系統(tǒng)和各種車輛IC模塊，提高汽車電子電氣部件的可靠性，降低其成本和搶占車輛電氣自動(dòng)化技術(shù)的制高點(diǎn)，增強(qiáng)在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。線控的汽車電子伺服系統(tǒng)(X-by-wire)在未來(lái)將是十分重要的技術(shù)，該技術(shù)可將各種獨(dú)立的系統(tǒng)(如轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、懸掛等)集成到一起由計(jì)算機(jī)調(diào)控，使汽車的操縱性、安全性以及汽車的總體結(jié)構(gòu)大大改善，設(shè)計(jì)的靈活度也大大增加。目前，電子動(dòng)力方向盤和線控剎車已經(jīng)在一些歐洲車型上被采用，在這個(gè)系統(tǒng)中已經(jīng)削減了相當(dāng)多的機(jī)械部件，如液壓泵等。汽車電子伺服技術(shù)是具有革命性的技術(shù)，隨著這個(gè)技術(shù)的使用，許多傳統(tǒng)的機(jī)械部件將會(huì)在未來(lái)的汽車上消失，而越來(lái)越多的車用伺服電機(jī)將出現(xiàn)在未來(lái)的汽車上。
zui大的汽車零部件企業(yè)一美國(guó)德爾福汽車系統(tǒng)公司預(yù)計(jì)，在未來(lái)的3-5年內(nèi)*的汽車將逐步采用電子伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如電子動(dòng)力方向盤和線控剎車伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前，美國(guó)德爾福汽車系統(tǒng)公司正在范圍內(nèi)尋找年產(chǎn)300萬(wàn)臺(tái)以上的電子動(dòng)力方向盤的交流伺服電機(jī)合作伙伴。
