同步電機(jī)——磁電機(jī)及其發(fā)展概況

• 永磁電機(jī)的發(fā)展歷史

在最初的電機(jī)中，人們利用磁鐵礦石建立所需要的磁場。 1821年9月，法拉第發(fā)現(xiàn)通的導(dǎo)線能繞永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，第一次成功實現(xiàn)了電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，從而建立了電機(jī)的實室模型，被認(rèn)為是世界上第一臺電機(jī)，其原理如圖1一2所示。在一個金屬盤子內(nèi)注人水銀，盤子中央固定一塊永磁體，盤子上方懸掛一根導(dǎo)線，導(dǎo)線的一端可在水銀中移動，另一端跟電池的一端連接在一起，電池的另一端跟盤子連在一起，構(gòu)成導(dǎo)電回路，載流導(dǎo)線在磁場中受力產(chǎn)生運動。

1822年，法國的呂薩克發(fā)明了電磁鐵，即用通過繞在鐵心上的線圈的方法產(chǎn)生磁場，這是一項重要的發(fā)明，但當(dāng)時并未得到重視和應(yīng)用。1 831年，法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后不久，利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了世界上第一臺真正意義上的電機(jī)―法拉第圓盤發(fā)電機(jī)，如圖1一3所示。這臺發(fā)電機(jī)的構(gòu)造跟現(xiàn)代發(fā)電機(jī)不同，在磁場中轉(zhuǎn)動的不是線圈，而是一個紫銅圓盤，圓心處固定一個搖柄，圓盤的邊緣和圓心處各與一個電刷緊貼，用導(dǎo)線把電刷與電流表連接起來，銅圓盤放置在蹄形永磁體的磁場中。轉(zhuǎn)動搖柄使銅圓盤旋轉(zhuǎn)時，電流表的指針偏向一邊，電路中產(chǎn)生了持續(xù)的電流。同年夏天，亨利制作了一個簡單的裝置（振蕩電動機(jī)）,其原理如圖1一4所示。該裝置的運動部件是在垂直方向上運動的電磁鐵，當(dāng)它們端部的導(dǎo)線與兩個電池交替連接時，電磁鐵的極性自動改變，電磁鐵與永磁體相互吸引或排斥，使電磁鐵以每分鐘7萬個周期的速度上下運動。亨利的電動機(jī)的重要意義在于第一次展示了由磁極排斥和吸引產(chǎn)生的連續(xù)運動，是電磁鐵在電動機(jī)中的第一次真正應(yīng)用。1832年，斯特金發(fā)明了換向器，并對亨利的振蕩電動機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，制作了世界上第一臺能產(chǎn)生連續(xù)運動的旋轉(zhuǎn)電動機(jī)，其原理如圖1一5所示。

隨后，各種電機(jī)不斷問世。 1832年，法國人皮克希發(fā)明了一臺永磁交流發(fā)電機(jī)，如圖1一6所示。后來，在物理學(xué)家安培建議下，皮克希采用使電流自動改變方向的裝置（即換向器），制成了直流發(fā)電機(jī)。磁年內(nèi)，電勵磁電機(jī)的理論和技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，而永磁勵磁1834年，德國的雅可比制造了一個簡單的裝置：在兩個U形電磁鐵中間裝一個六臂輪，每臂帶兩根棒形磁鐵。通電后，棒形磁鐵與U形磁鐵之間相互吸引或排斥，帶動輪軸轉(zhuǎn)動，如圖1一7所示。后來，雅可比做了一個大型的裝置安在小艇上，用320個電池供電，1838年在易北河上首次航行，時速為2 . Zkm 。與此同時，美國的達(dá)文波特也成功研制出印刷機(jī)驅(qū)動用電動機(jī)。

上述電機(jī)都采用永久磁鐵建立磁場，由于當(dāng)時永久磁鐵均由天然磁鐵礦石做成，磁性能很低，造成電機(jī)體積龐大、性能較差。 1845年，英國的惠斯通用電磁鐵代替永久磁鐵，并取得了專利權(quán)。 1857年，他發(fā)明了自勵電勵磁發(fā)電機(jī)，開創(chuàng)了電勵磁方式的新紀(jì)元。由于電勵磁方式能在電機(jī)中產(chǎn)生足夠強的磁場，使電機(jī)體積小、重量輕、性能優(yōu)良，在隨后的70多方式在電機(jī)中的應(yīng)用則較少。

在國內(nèi)，沈陽工業(yè)大學(xué)開發(fā)了3kw 、 20 000r／而n稀土永磁發(fā)電機(jī)，并與東方電機(jī)廠、哈爾濱電機(jī)廠聯(lián)合開發(fā)了60一75kVA（后擴(kuò)展至16OkVA）稀土鉆永磁副勵磁機(jī)困。1 983年，磁性能更高而價格相對較低的欽鐵硼永磁問世后，國內(nèi)外研究開發(fā)的重點轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用電機(jī)上。國外主要開發(fā)計算機(jī)硬盤驅(qū)動器電機(jī)（即驅(qū)動讀寫磁頭往復(fù)運動的音圈電動機(jī)）、數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人用的無刷直流電動機(jī)，國內(nèi)主要開發(fā)各種高效永磁同步電動機(jī)。 1990年，西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)了。．skw紡織專用永磁同步電動機(jī)，相對于同功率的三相感應(yīng)電動機(jī)，其效率提高了5 %，節(jié)電率為10 %，具有顯著的節(jié)能效果。近年來，高效永磁同步電動機(jī)在油田抽油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，是小型欽鐵硼永磁同步電動機(jī)應(yīng)用比較成功的一個例子。沈陽工業(yè)大學(xué)唐任遠(yuǎn)院士主持研制的1 12OkW稀土永磁同步電動機(jī)，是目前國內(nèi)單機(jī)容量最大的永磁電動機(jī)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到了廣泛關(guān)注。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)省去了齒輪箱，具有節(jié)約投資、減少能量損失、降低發(fā)電成本和噪聲、維護(hù)費用低、可靠性好等優(yōu)點。金風(fēng)科技股份有限公司研制了1 . SMW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是目前國內(nèi)裝機(jī)容量較大的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。近年來，隨著欽鐵硼永磁材料耐高溫性能的提高和價格的降低，欽鐵硼永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面得到更為廣泛的應(yīng)用，正向大功率化、高性能化和微型化方向發(fā)展，永磁電機(jī)的品種和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。20世紀(jì)中期，隨著鋁鎳鉆和鐵氧體永磁的出現(xiàn)以及性能的不斷提高，各種微型永磁電機(jī)不斷出現(xiàn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、軍事工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但鋁鎳鉆和鐵氧體永磁材料的磁能積較低，導(dǎo)致永磁電機(jī)性能低、體積大，限制了永磁電機(jī)的發(fā)展。

1 967年，衫鉆永磁材料的出現(xiàn)，開創(chuàng)了永磁電機(jī)發(fā)展的新紀(jì)元。衫鉆永磁材料性能好、價格昂貴，各國研究開發(fā)的重點是航空航天用電機(jī)和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領(lǐng)域。 20世紀(jì)80年代末，西門子公司生產(chǎn)的用于艦船推進(jìn)的6相、 1 . IMW 、 23or / min永磁同步電動機(jī)，ABB公司生產(chǎn)的用于艦船推進(jìn)的1 . SMW永磁同步電動機(jī)和德國AEG研制的用于調(diào)速系