同步電機(jī)之永磁特種電機(jī)

   1. 控制電機(jī)和特種電機(jī)的種類很多，其共同的發(fā)展趨勢之一是永磁化，以高性能的永磁體勵(lì)磁逐步取代電勵(lì)磁。

    由于稀土永磁具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積的特點(diǎn)，可以容許所制成的電機(jī)具有較大的氣隙長度和氣隙磁密，因而在永磁體安放和磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有很大靈活性，可以根據(jù)使用場合，特別是汽車、計(jì)算機(jī)和航天工程的需要，制成與傳統(tǒng)電機(jī)不同的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，例如盤式電機(jī)、無槽電機(jī)、無鐵心電機(jī)等。這既可以進(jìn)一步減少電機(jī)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量，提高電機(jī)的反應(yīng)靈敏度；又可以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，增加運(yùn)行的平穩(wěn)性；還可以簡化電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝。因而在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公設(shè)備和要求精確定位控制的場合得到廣泛應(yīng)用。圖16所示為一多段盤式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)透視圖計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器中用以驅(qū)動(dòng)讀寫磁頭作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)圈式直線電動(dòng)機(jī)―音圈電動(dòng)機(jī)需要高性能磁體，以保證足夠的靈敏度，縮小體積和減輕質(zhì)量。錢鐵硼永磁正好能滿足這一要求。 60年代采用鐵氧體永磁研制的是14 ino磁盤驅(qū)動(dòng)器用音圈電動(dòng)機(jī)。自采用欽鐵硼永磁后，驅(qū)動(dòng)器尺寸不斷縮小，存取時(shí)間明顯減少，存儲(chǔ)容量增加。 1984年磁盤驅(qū)動(dòng)器縮小到以5 25in盤為主；進(jìn)入90年代，3 . sin磁盤驅(qū)動(dòng)器迅速增長，成為主體。今后幾年內(nèi)2 . 5in和1 sin磁盤驅(qū)動(dòng)器將大為發(fā)展。因此，日、美等國欽鐵硼永磁銷售量的一半左右用于制造音圈電動(dòng)機(jī)。利用電機(jī)定、轉(zhuǎn)子表面開槽引起氣隙磁導(dǎo)變化的原理工作的，不需經(jīng)過機(jī)械減速而獲得低轉(zhuǎn)速的低速同步電動(dòng)機(jī)（又稱電磁減速同步電動(dòng)機(jī)）；將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械角位移或線性位移的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；它們采用高性能的水磁體后形成永磁低速同步電動(dòng)機(jī)、永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式（又稱永磁感應(yīng)子式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等都有明顯的改進(jìn)和提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地被拓寬。

2.永磁電機(jī)的研究推動(dòng)了電機(jī)學(xué)科的發(fā)展

在設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用永磁電機(jī)時(shí)，需要對下列問題著重進(jìn)行研究分析。

1）磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算為了充分發(fā)揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優(yōu)異磁性能，月最少的永磁材料和加工費(fèi)用制造出高性能的永磁電機(jī)，就不能簡單套用傳統(tǒng)的永磁電機(jī)或電勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。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；必須研究采用先進(jìn)的測試方法和制造工藝．

2）控制問題永磁電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難永磁發(fā)電機(jī)難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，水磁直流電動(dòng)機(jī)不再能用改變勵(lì)磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。這些使水磁電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET 、 IGBT等電力電子器件和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，大多數(shù)水磁電機(jī)在應(yīng)用中，可以不必進(jìn)行磁場控制而只進(jìn)行電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。

3）不可逆退磁問題如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過高（欽鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械震動(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，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適于電機(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)形式的杭去磁能力，以便在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，采用相應(yīng)措施保證永磁電機(jī)不失磁。

4）成本問題鐵氧體永磁電機(jī)，特別是微型永磁直流電動(dòng)機(jī)，由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價(jià)格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)高，這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來補(bǔ)償。在某些場合，例如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器的

音圈電動(dòng)機(jī)，采用鉸鐵硼永磁后性能提高，體積質(zhì)量顯著減小，總成本反而降低。在設(shè)計(jì)時(shí)既需根據(jù)具體使用場合和要求，進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后決定取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低成本研究和解決上述新課題，將引起電機(jī)的變革，推動(dòng)電機(jī)學(xué)科不斷向前發(fā)展。本書就是在總結(jié)國內(nèi)外從事永磁電機(jī)研制和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對上述內(nèi)容，特別是稀土永磁電機(jī)的基本理論、磁路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行深入分析和探討，希望能為永磁電機(jī)，特別是稀土水磁電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展作出貢獻(xiàn)。本書內(nèi)容以稀土水磁電機(jī)為主，但所述基本內(nèi)容和設(shè)計(jì)計(jì)算方法同樣可以應(yīng)用于其他永磁電機(jī)。