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1 永磁電機是個(gè)神馬鬼

       電機是一種以磁場(chǎng)為媒介、以電磁理論為基礎的能量轉換裝置。知道寶寶們基礎差,說(shuō)這些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)不大好理解,老師就給寶寶們打個(gè)比方來(lái)解釋一下上面這句話(huà)。先說(shuō)什么是能量轉換裝置,這就像銀行兌換錢(qián)幣,經(jīng)常出國的寶寶們都兌換過(guò)外幣,你可以拿人民的幣兌換成刀樂(lè ),也可以用刀樂(lè )兌換成人民的幣,銀行就是個(gè)“錢(qián)幣轉換裝置”。銀行要兌換錢(qián)幣必須首先要有本金,就是先要有一筆錢(qián)放到一個(gè)池子里,這個(gè)本錢(qián)就是“媒介”,有了本錢(qián),你就可以拿人民幣扔進(jìn)池子,再從池子里拿走你所需要的刀樂(lè )或歐元等等,這樣轉換一下,池子里的本錢(qián)多少不會(huì )變,但銀行會(huì )收取一些手續費,這就是你轉換過(guò)程中的“損耗”。電機作為一種能量轉換裝置,同樣首先要有一些“本錢(qián)”,這個(gè)本錢(qián)就是磁場(chǎng)的能量。電機要想工作,首先要在電機的氣隙里建立一個(gè)磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)就相當于那個(gè)“池子”,磁場(chǎng)里儲存著(zhù)能量就是本錢(qián)。有了這個(gè)磁場(chǎng)儲能的本錢(qián),就可以通過(guò)線(xiàn)圈向磁場(chǎng)池子里輸入電能,同時(shí)從軸上取走機械能,這就是電動(dòng)機;也可以從軸上輸入機械能,同時(shí)從線(xiàn)圈取走電能,這就是發(fā)電機;還可以從一個(gè)線(xiàn)圈輸入電能,同時(shí)從另一個(gè)線(xiàn)圈再取走電能,有的寶寶會(huì )說(shuō),把電能轉換成電能這不是吃多了撐的嗎?不是,輸入的電能可能是高壓電能,高壓電能直接用會(huì )電死寶寶,必須換成低壓電能寶寶們才可以安全使用,所以需要電能“兌換”成電能,這就是變壓器,就像你在銀行除了兌換外幣也可以拿大面值的人民幣兌換成零錢(qián)一樣。所以說(shuō)變壓器也是一種電機!說(shuō)完“轉換裝置”和“媒介”再說(shuō)說(shuō)“以電磁理論為基礎”是怎么回事,銀行兌換錢(qián)除了要有本錢(qián),還需要有兌換規則、外匯牌價(jià)等等游戲規則,這就是兌換的“理論基礎”。同樣,電機轉換能量也需要有一系列的“轉換規則”,這一系列轉換規則就是能量轉換的理論基礎。電機進(jìn)行能量轉換所依據的就是一系列電磁理論,其核心就是麥克斯韋方程組,包括了法拉第電磁感應定律、安培環(huán)路定律、楞次定律、電流的磁效應、通電導體在磁場(chǎng)中受力等理論。

      解釋了什么是電機,接下來(lái)就說(shuō)說(shuō)永磁電機是個(gè)神馬鬼。永磁電機就是用永磁體建立氣隙磁場(chǎng)的電機。前面說(shuō)了,電機要想工作,離不開(kāi)磁場(chǎng)這個(gè)“媒介”,那么一開(kāi)始的磁場(chǎng)是怎么來(lái)的?前面的瞎想中老師說(shuō)過(guò),所有的磁場(chǎng)都是由電流產(chǎn)生的,我們可以用一個(gè)線(xiàn)圈,給它通電后就會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng),我們稱(chēng)這種勵磁方式為電勵磁,用電磁鐵勵磁的電機是有勵磁損耗的,因為電流會(huì )在線(xiàn)圈里發(fā)熱;也可以用一個(gè)天然的“磁石”建立磁場(chǎng),這就是永磁鐵。早期的永磁材料都是天然磁石,隨著(zhù)科技的發(fā)展,現在都采用人造的永磁體作為永磁電機的勵磁。研究表明永磁體的磁場(chǎng)也是電流產(chǎn)生的,只不過(guò)用于產(chǎn)生永磁磁場(chǎng)的電流是材料天生自帶的,稱(chēng)之為“分子電流”,因此用永磁體勵磁的電機理論上是沒(méi)有勵磁損耗的,但因為電機運行時(shí)永磁體里會(huì )有一些渦流,也會(huì )產(chǎn)生少許的雜散損耗。再用通俗的例子打比方,就是銀行的“本錢(qián)”可以是股東們湊起來(lái)的股份錢(qián),這就是電磁鐵,這些股東們要分紅的,所以是有“勵磁損耗”的;也可以是不知哪輩子的老祖宗給我們留下的一筆遺產(chǎn),這就是永磁鐵,因為老祖宗已仙逝N年,就不需要再給他分紅了,所以理論上是沒(méi)有“勵磁損耗”的,當然逢年過(guò)節給老祖宗燒個(gè)紙還是必要的,因此實(shí)際上會(huì )有些少量的雜散消費。事實(shí)上,天然磁石就是上天賜給我們的一筆大遺產(chǎn)!

2 永磁電機的特點(diǎn)
      除了上面說(shuō)到的永磁電機采用永磁體勵磁,不會(huì )產(chǎn)生勵磁損耗外,永磁電機還有以下一些特點(diǎn):
2.1 由于永磁電機不用通勵磁電流,所以大多永磁電機都把永磁體放在轉子上,這樣就可以省去滑環(huán)電刷等滑動(dòng)電接觸部件,可靠性較高。當然也有例外,傳統的永磁直流電機就是個(gè)例外,這是這種電機原理所決定的。
2.2 由于永磁電機的勵磁是由永磁體“自帶”的,一旦永磁電機制造完成,里面的磁場(chǎng)就是固有的,運行中無(wú)法對電機的勵磁進(jìn)行調節和控制,如果電機性能不滿(mǎn)足要求,只能推倒重來(lái),這也要求永磁電機在設計時(shí)就要準確計算,否則就要進(jìn)行多輪樣機試制驗證,造成大量浪費。事實(shí)上在早期沒(méi)有功能強大的設計軟件之前,只能通過(guò)實(shí)物樣機進(jìn)行多輪驗證才能得到優(yōu)化的設計方案。這也反映出永磁電機設計的技術(shù)門(mén)檻很高,現在永磁電機設計對軟件的依賴(lài)性更強。當然隨著(zhù)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,有些場(chǎng)合即使電機設計不太完美,可以通過(guò)變頻器進(jìn)行電樞控制來(lái)得以補償和掩蓋。
2.3 電勵磁的電機是用線(xiàn)圈繞到一個(gè)鐵心上產(chǎn)生磁場(chǎng),鐵心的導磁性能非常好,即磁導率很大,因此如果用另外一個(gè)線(xiàn)圈再給它加強磁場(chǎng)(助磁)或削弱它原來(lái)的磁場(chǎng)(弱磁)都是比較容易的;而永磁體就不然了,永磁體本身的導磁性能并不咋地,與空氣差不多,屬于非導磁材料,它相當于一個(gè)分子電流環(huán)繞在空氣上,或把它看做一個(gè)永不停歇的分子電流環(huán)繞在一個(gè)塑料骨架上。正因如此,永磁體一旦充好磁是很難通過(guò)其它的外磁場(chǎng)再對它助磁和弱磁的;也正因如此,永磁體一旦充好磁,想通過(guò)反方向磁場(chǎng)給它退磁也是很困難的,因此寶寶們擔心的永磁電機退磁問(wèn)題并沒(méi)有想象的那么可怕,只要設計合理運行規范,永磁電機是完全可以保證可靠運行的。當然為了防止萬(wàn)一,電機設計時(shí)還是要必須校核所有的退磁風(fēng)險。
2.4 正因永磁體本身的導磁性能相當于空氣,所以穿過(guò)具有永磁體形成磁路,就相當于穿過(guò)了一個(gè)很大的氣隙,磁阻是非常大的,因此永磁電機直軸(d軸)的電感很小,比電勵磁電機的直軸電感小很多倍。
2.5 永磁電機的磁路結構千變萬(wàn)化,但總起來(lái)可以分為兩大類(lèi),一類(lèi)叫表貼式;一類(lèi)叫內嵌式,如下圖所示。其中(a)為表貼式,(b)(c)均屬于內嵌式

  表貼式的磁路由于直軸和交軸磁路都需要穿過(guò)磁鋼或空氣隙,磁阻都很大,且直軸交軸磁阻基本相當,因此直軸和交軸電感也基本相等;對于內嵌式的磁路就不同了,由于直軸磁路需要穿過(guò)磁鋼,磁阻很大,所以直軸電感很小,而交軸不需要穿過(guò)磁鋼,只通過(guò)鐵磁材料,所以交軸磁阻很小,交軸電感很大。內嵌式永磁電機這種交軸電感大于直軸電感的特性是區別于電勵磁電機的最大特點(diǎn),在設計、控制、運行方面必須要根據這一特點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的考慮,以充分利用這一特點(diǎn)揚長(cháng)避短,達到最優(yōu)的系統解決方案。關(guān)于這一點(diǎn),后續會(huì )專(zhuān)門(mén)講解。
2.6 正因永磁電機弱磁困難,這對永磁電機的弱磁增速控制提出了一個(gè)不小的難題,加之一旦永磁電機制造完成,其固有參數和特性是無(wú)法通過(guò)勵磁調節來(lái)改變,因此需要在電機設計和控制器(變頻器)設計以及控制策略方面統籌考慮,進(jìn)行統一聯(lián)合設計才能達到最佳的匹配和最優(yōu)的性能。
2.7 永磁體一旦充好磁,其勵磁磁勢就是固定的,這個(gè)勵磁磁勢就是永磁體的矯頑力,把它裝到電機上后,就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)固定的空載氣隙磁場(chǎng),電機旋轉時(shí)就會(huì )在電樞繞組中產(chǎn)生一個(gè)恒定的空載反電勢E0,無(wú)論電機在什么狀態(tài)下運行,這個(gè)空載反電勢E0都認為是固定不變的,這也是永磁電機不同于其它電機最突出的特點(diǎn)之一。
2.8 永磁電機在充好磁的情況下裝配,由于強大的磁力影響,在制造過(guò)程中需要有專(zhuān)門(mén)的工藝工裝來(lái)保證。由于永磁電機停機時(shí)仍存在氣隙磁場(chǎng),這給更換軸承等維修工作也帶來(lái)不便,需要設計時(shí)專(zhuān)門(mén)考慮。
以上是永磁電機的主要特點(diǎn),除此之外還有永磁電機效率高、體積小、重量輕、功率因數高、可以方便做成多極低速等特點(diǎn)。
說(shuō)了這么多再總結一下,永磁電機的突出特點(diǎn)就是“三不”:不變——空載反電勢E0不變;不等——內嵌式永磁電機交直軸電感不等,Lq>Ld;不易——不易弱磁.

 


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