永磁材料电机发展概况及研究现状

永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关，永磁材料是一种具有剩磁和矫顽力高、磁滞回线宽，经过磁化后即能保持恒定磁性的特殊材料，又称硬磁材料。永磁材料通常分为永磁铁氧体、铝镍钴系永磁合金、稀土永磁材料以及复合永磁材料。

世界上第一台电机

1821年9月，法拉第发现了通电导体在磁场中受到力的作用，建立了电机的实验室模型，被认为是世界上第一台电机。但当时的永久磁铁磁性能很低，性能较差，主要由天然永磁体矿石制成。20世纪30年代出现了铝镍钴永磁材料，磁性能有了很大提高，铝镍钴的特点是剩磁高，温度系数小，但缺点是矫顽力偏低，价格高，退磁曲线为非线性，需要经过稳磁处理才能使用，主要用于对温度稳定性要求高的永磁电机中。20世纪50年代出现了铁氧体永磁材料，铁氧体永磁材料矫顽力较大，退磁曲线的主要部分是直线，不用进行稳磁处理，其缺点是剩磁密度不高，但由于价格低廉，在车用电机等微型电机中获得了大量应用。

稀土永磁电机

20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称为稀土永磁）相继问世，从而使永磁电机的发展进入以一个新的历史时期。稀土永磁电机具有运行精度高、调速范围大、过载能力强、良好的平稳性以及低噪音等优点，与铁氧体永磁电机相比，稀土永磁电机体积和重量明显减少，荷兰菲利浦公司曾比较不同励磁源70W微型电动机，铁氧体励磁电机的体积约为稀土励磁电机体积的2倍，电流励磁电机的体积则为稀土电机体积的4倍。从节能效果评估，稀土电机的平均省电率在10%以上，某些专用稀土永磁电机可达15%~20%，在压缩机、水泵、风机等需要无极变频调速的电机，其省电率可达30%以上。

国外永磁电机代表

作为国家“十二五”计划中重点节能项目，电动机系统节能主要提倡推广高效稀土钕铁硼永磁电动机，去除低效高能耗的设备及电机。我国具有丰富的稀土资源，大力研发和推广以钕铁硼永磁电机为代表的各类永磁同步电机，对我国企业节能减排具有重要的意义。但目前稀土永磁的应用还有所限制，由于价格昂贵，主要应用于要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。国外永磁电机的代表主要以ABB公司生产的用于船舰推进的1.5MW永磁同步电机，西门子公司生产的用于船舰推进的6相、1.1MW、230r/min永磁同步电机，以及德国AEG研制的用于调速系统的3.8WM、4极永磁同步电机。在国内，沈阳工业大学开发了3kW、20000r/min稀土永磁发动机，并与东方电机厂、哈尔滨电机厂联合开发了60-75kVA（后扩展至160kVA）稀土钴永磁副励磁机。

未来前景

随着材料科学及相关工艺的进一步发展，稀土永磁特别是钕铁硼永磁的性能得到了较大的完善，热稳定性和耐腐蚀性提升，价格也逐步降低，使永磁电机获得越来越广泛的应用，稀土永磁电机的研究开发也进入一个新阶段。一方面，电机输出更强性能，而体积则向微型化方向发展，目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000 kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机外径只有0.8mm，长1.2mm，现代机器人技术是目前的技术风口，稀土永磁电机在越来越多的场合实现高精尖的智能驱动控制。

另一方面，电磁理论也得到了快速发展，相关的学术论文和科研成果大量涌现，电机设计和分析的方法也越来越多，电机设计常用的方法有：解析法，磁路网络法，基于磁路法的RMxprt、解析计算与有限元仿真结合等。尤其以磁路解析法并结合有限元仿真技术，大幅提升了电机设计的效率和精准性，节约了设计成本和缩短了开发周期。

而在电机性能分析方面，主要包括磁力线分布、磁密分布、动态及稳态特性分析，以及研究对齿槽扭矩及转矩脉动的抑制、相反电势中的齿谐波抑制、饱和瞬时电感、气隙波形正正弦化、永磁电机的最大转矩、最大不失磁电流、最大加速能力和最大气隙剪切力等。

对于电机中温度场及损耗的求解，例如建立转子三维温度场的物理和计算模型，通过有限元法来分析电机的温度场。利用流体分析软件Fluent来分析永磁电机的定子温升。结合谐波分析方法和二维场路耦合时步有限元模型，建立电机铜耗计算模型和铁耗计算模型。这些理论和方法的发展，配合计算机辅助技术的应用，对电机设计与分析提升了一个台阶。因此，随着永磁材料及电磁理论的发展，永磁电机正向紧凑型、高功率密度、低成本化、智能化等方向发展，其可靠性和精密性也不断提高，永磁电机的应用也越来越广泛和深入。