永磁电机的发展
永磁发电机是指由热能转变的机械能转化为电能的发电装置。1832年,法国青年电学工程师皮克希试制成功了世界上第一台手摇永久磁铁旋转的交流发电机。
在这台发电机中,皮克希装上了一种最初的换向器,使发电机中产生的交流电变为能为当时的工业生产所需要的直流电,但是,皮克希的永磁式发电机有两大明显的缺点。第一,它的设备比较笨重,难以借提高转速来提高功率,第二,它的原动力是人力,这也难以靠提高转速来获得大功率的电流。
在皮克希改进他的永磁式发电机的同时,其他一些人也对永磁式发电机进行了研究,并作出了一些重要发明。1833年至1835年间,萨史斯顿和克拉克等人相继发明了旋转线圈电枢、静止磁铁结构等新装置,这些新装置的引入,使发电机的运转部分大大减轻,从而提高了发电机的转速。
此后,人们对发电机的原动力装置部分也进行了改革,把手摇柄改为转轴,改人手摇动为蒸汽机带动,这样,转速有了大大的提高,所产生的电量也大大增加。
在今直流电动机中,用直流电流来产生主极磁场的励磁方式,称为电流励磁;若用永久磁体取代电流励磁,以产生主极磁场,则此种电机称为永磁电动机。永磁式发电机的诞生,第一次把由热能转变来的机械能转变为电能,从而使人类继热能之后又获得了一种具有广阔前景的新能源。在今直流电动机中,用直流电流来产生主极磁场的励磁方式,称为电流励磁;若用永久磁体取代电流励磁,以产生主极磁场,则此种电机称为永磁电动机。
永磁发电机的特点及其基本结构
永磁发电机具有体积小,损耗低,效率高等优点,在节约能源和环境保护日益受到重视的今天,对其研究就显得非常必要。在许多情况下可以实现无刷化,因此其多为小型和微型电动机所采用。采用变频电源供电时,永磁电动机亦可用于调速传动系统。随着永磁材料性能的不断提高和完善永磁电动机已在家用电器、医疗器械、汽车、航空和国防等各个领域内获得了广泛的应用。
永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源,又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关,还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关,具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外,永磁发电机的磁路结构多种多样,漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大,铁磁材料部分又比较容易饱和,磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性,使计算结果的准确度低于电励磁发电机。因此,必须建立新的设计概念,重新分析和改进磁路结构和控制系统;必须应用现代设计方法,研究新的分析计算方法,以提高设计计算的准确度;必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。
永磁发电机中的永磁体
永磁材料包括铁氧体永磁、稀土永磁(钐钴永磁、钕铁硼等)、铝镍钴、铁铬钴、铝铁等材料,其中最常用、用量最大的是铁氧体永磁、钕铁硼稀土永磁。
永磁材料的应用与研究开始于十九世纪末。随着人们对物质磁性研究的深入以及各种制造工艺水平的提高,永磁材料的研究主要包括金属合金磁体、铁氧体磁性材料和稀土永磁材料三个阶段。其中,金属合金磁体和铁氧体磁性材料虽然具有成本低廉,原材料丰富的优势,但是其最大磁能积(BH)max一般小于10MGOe,磁性较差,因而逐渐被稀土永磁材料所取代。
稀土永磁分为:钐钴(SmCo)永磁体和钕铁硼(NdFeB)永磁体。其中SmCo磁体的磁能积在15–32MGOe之间,NdFeB系磁体的磁能积在27–55MGOe之间,被称为“永磁王”,是磁性最高的永磁材料。
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