第二节 永磁电机

永磁电机也叫永磁同步电机、稀土永磁同步电机、交流永磁同步电机等。

一、永磁电机的种类和特点

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高，以及电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因而应用越来越广。永磁电机采用永磁体作为磁场，不需要外界能量即可维持其磁场，而普通电机则需要电流通入才有磁场。

常规永磁电机通常分为以下五类：永磁直流电动机、异步起动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机和永磁同步发电机。永磁电机主要有以下特点。

1.永磁直流电动机

永磁直流电动机与普通直流电动机结构上的不同在于，前者取消了励磁绕组和磁极铁心，代之以永磁磁极。永磁直流电动机的特性与他励直流电动机类似，两者之间的区别在于主磁场产生的方式不同。前者磁场不可控，后者磁场可控。永磁直流电动机除了具有他励直流电动机的良好特性外，还具有结构简单、运行可靠、效率高、体积小、质量轻等特点。

2.异步起动永磁同步电动机

异步起动永磁同步电动机是具有自起动能力的永磁同步电动机，兼有感应电动机和电励磁同步电动机的特点。它依靠定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生的异步转矩实现起动。正常运行时，转子运行在同步速，笼型转子不再起作用，其工作原理与电励磁同步电动机基本相同。

异步起动永磁同步电动机与感应电动机相比，有以下特点：

（1）转速恒定，为同步速。

（2）功率因数高，甚至为超前功率因数，从而减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，效率比同规格感应电动机可提高2%～8%。

（3）具有宽的经济运行范围。不仅额定负载时有较高的功率因数和效率，而且在25%～120%额定负载范围内都有较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电动机一般都在转子上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力。

我国自主开发的高效高起动转矩钕铁硼永磁同步电动机可以解决在油田应用中“大马拉小车”问题，起动转矩比感应电动机大50%～100%，可以替代大一个机座号的感应电动机，节电率在20%左右。

（4）永磁电机的体积和质量较感应电机大大缩小。例如11kW的异步电动机质量为220kg，而永磁电动机仅为92kg，相当于异步电动机质量的45.8%。

（5）对电网影响小。感应电动机的功率因数低，电动机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网的品质因数下降，加重电网变配电设备的负担和电能损耗。而永磁电动机转子中无感应电流励磁，电动机功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需要安装无功补偿装置。

（6）由于通常采用钕铁硼永磁材料，因此价格高；当电机设计或使用不当时，可能出现不可逆退磁。

（7）加工工艺复杂，机械强度差。

（8）电机性能受环境温度、供电电压等因素影响较大。

3.永磁无刷直流电动机

永磁无刷直流电动机用电子换向装置代替直流电动机的换向器，保留了直流电动机的优良特性。它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电动机起动转矩大、调速性能好的优点。由于取消了电刷换向器，因此可靠性高；损耗主要由定子产生，散热条件好；体积小、质量轻。

4.调速永磁同步电动机

调速永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机结构上基本相同，定子上为多相绕组，转子上有永磁体。两者优点相似。它们的主要区别在于永磁无刷直流电动机根据转子位置信息实现同步，而调速永磁同步电动机需一套电子控制系统实现同步和调速。

5.永磁同步发电机

永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，与普通同步发电机不同的是，它采用永磁体建立磁场，取消了励磁绕组、励磁电源、集电环和电刷等，结构简单，运行可靠，效率高，免维护。采用稀土永磁时，气隙磁密高，功率密度高，体积小，质量轻。

但由于采用了永磁体建立磁场，因此难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率。另外，永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。

二、永磁电机的结构和工作原理

永磁电机和电励磁电机的电枢结构相同，主要区别在于前者的磁极为永磁体。永磁电机按永磁体所在的位置不同，可分为旋转磁极式和旋转电枢式，如图1-5所示。图1-5a为旋转磁极式磁路结构，永磁体安装在转子上，电枢是静止的，永磁同步电动机、无刷直流电动机都采用这种结构；图1-5b为旋转电枢式磁路结构，其永磁体安装在定子上，电枢旋转，永磁直流电机采用这种结构。

对于转子上安装有永磁体磁极，永磁体磁极的安装方式有以下几种：

（1）永磁体磁极安装在转子铁心圆周表面上，称为凸装式永磁转子。

（2）永磁体磁极嵌装在转子铁心表面，称为嵌入式永磁转子。

转子铁心两侧装上风扇，然后与定子机座组装成整机。这种永磁电动机不能直接通三相交流起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静子的转子根本无法跟随磁场旋转。这种永磁电动机多用在变频调速场合，起动时变频器输出频率从零开始上升到工作频率，电动机则跟随变频器输出频率同步旋转，是一种很好的变频调速电动机。

图1-5 旋转磁极式和旋转电枢式结构

（3）永磁转子铁心。即在永磁转子上加装笼型绕组，接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转。这就是异步起动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电机。

笼型转子有焊接式和铸铝式两种。前者在转子每个槽内插入铜条，铜条与转子铁心两侧的铜端环焊接形成笼型转子；后者与普通交流异步电动机一样采用铸铝式转子，将熔化的铝液直接注入转子槽内，并同时铸出端环与风扇叶片，是较廉价的做法。

三、永磁电机中常用的永磁材料

永磁电机中常用的永磁材料有：铝镍钴、铁氧体、钐钴和钕铁硼等。

铝镍钴永磁：铝镍钴永磁是在铝镍型永磁成分中加入钴而制成的一种合金，根据生产工艺不同分铸造和烧结两种。铝镍钴永磁广泛应用于环境温度高或对永磁体温度稳定性要求严格的场合。在使用过程中严禁接触任何铁器，以免造成永磁体局部退磁或磁路中磁通发生畸变。

铁氧体永磁：铁氧体磁体主要有钡铁氧体（BaO·6Fe₂ O₃）和锶铁氧体（SrO·Fe₂ O₃）两类。铁氧体永磁价格便宜，化学稳定性好，且具有质量轻、电阻率高的特点，是目前应用最广的一种永磁材料，大量应用于永磁电机等产品。其主要缺点是温度系数大。温度越低，矫顽力越低，若磁路设计不合理，低温时易出现退磁现象。另外，铁氧化永磁硬且脆，易破碎，在磨加工时必须用软砂轮，工件和磨头的线速度要低，对工件和砂轮须充分淋水冷却。

钐钴永磁：钐钴永磁磁性能优异，但由于含有储量稀少的稀土金属钐和昂贵的金属钴，价格昂贵，使其应用受到很大限制，主要用于要求体积小、质量轻、性能稳定的场合。

钕铁硼永磁：钕铁硼永磁的主要成分是Nd₂ Fe₁₄ B，是目前磁性能最强的永磁材料。其价格比稀土钴要低得多。钕铁硼永磁的缺点是温度稳定性较差。常温下退磁曲线为直线，但高温下退磁曲线的下部发生弯曲，若设计不当，易发生不可逆退磁。另外，磁体中钕和铁易锈蚀，化学稳定性欠佳，其表面通常需做电镀处理，如镀锌、镍、锡、银、金等，也可做磷化处理或喷涂环氧树脂以减慢其氧化速度。钕铁硼永磁的力学性能较好，可切割加工及钻孔。

以上典型永磁材料的综合对比见表1-24。

表1-24 典型永磁材料的综合对比

四、永磁直流电动机的基本方程

1.电压平衡方程

永磁直流电动机的电压平衡方程为

U=E_a+I_aR_a+2ΔU_b式中，U为外加电压（V）；I_a为电枢电流（A）；R_a为电枢绕组电阻（Ω）；2ΔU_b为一对电刷接触压降，一般为0.5～2V；E_a为电枢绕组内的感应电动势（V）。

2.感应电动势

感应电动势是指电机正、负电刷之间的电动势。当电刷位于几何中性线上、电枢线圈均匀分布且为整距时，感应电动势为

式中，E_a为感应电动势（V）；p为电机极对数；N为电枢绕组总导体数；Φ为每极气隙磁通（Wb）；a为电枢绕组的并联支路对数；n为转速（r/min）；C_e为电动势常数，。

若绕组为短距，则实际感应电动热比上式的计算值小一点。另外，若计空载感应电动势，Φ应为空载时的每极磁通；若计算负载感应电动势，Φ应为负载时的每极磁通。

3.电磁转矩

当电枢绕组通电时，导体与永磁磁场相互作用产生转矩，称为电磁转矩。当电刷放在几何中性线上，电枢线圈均匀分布且为整距时，电磁转矩为

式中，T_em为电磁转矩（N·m）；C_T为转矩常数，；其他符号同前。

4.电磁功率

永磁直流电动机产生的电磁功率为

式中，P_em为电磁功率（W）；Ω为转子机械角速度（rad/s）；其他符号同前。

5.功率平衡方程

UI_a=E_aI_a+R_aI²_a+2ΔU_bI_a

即P₁=P_em+P_Cua+P_b=（P₂+P_Fe+P_fw）+P_Cua+P_b

式中，P₁为电动机输入功率（W），P₁=UI_a；P_em为电磁功率（W），P_em=E_aI_a=P₂+P_Fe+P_fw；P2为电动机输出功率（W）；P_Fe为铁耗（W）；P_fw为机械摩擦损耗（W）；P_Cua为电枢绕组铜耗（W），P_Cua=R_aI²_a；P_b为电刷接触电阻损耗（W）；P_b=2ΔU_bI_a；其他符号同前。

6.转矩平衡方程

T_em=T₂+T₀

式中，T_em为电动机转矩（N·m）；T₂为电动机轴上的机械负载转矩（N·m），T₂=P₂/Ω；T₀为电动机铁心中的涡流、磁滞损耗和机械损耗引起的空载阻转矩（N·m）；其他符号同前。

7.电磁参数

（1）线负荷 永磁直流电动机的线负荷，定义为

式中，A为线负荷（A/cm）；D_a为电枢外径（cm）；其他符号同前。

（2）电枢绕组电阻 永磁直流电动机的电枢绕组电阻为

式中，R_a为电枢绕组电阻（Ω）；ρ为绕组导体的电阻率（Ω·mm²/cm）；A_a为电枢导体的截面积（mm²）；L_av为电枢绕组的平均半匝长（cm）；其他符号同前。

（3）机械时间常数 机械时间常数是衡量电动机动态响应性能的重要指标，定义为

式中，T_m为机械时间常数（s）；Ω₀为空载角速度（rad/s）；J为转子的转动惯量（kg·m²）；T_st为起动转矩（N·m）；其他符号同前。

五、永磁直流电动机的工作特性

永磁直流电动机的工作特性包括转速特性、转矩特性、机械特性和效率特性。

1.转速特性

转速特性为外加额定电压U_e时转速与电枢电流之间的关系n=f（I_a），即

转速特性如图1-6所示。空载转速可近似为

式中，Φ₀为空载时的每极磁通（Wb）；其他符号同前。

2.转矩特性

转矩特性是指外加额定电压U_e时，电动机的电磁转矩与电枢电流之间的关系T_em=f（I_a）。永磁直流电动机的转矩特性如图1-7所示。

图1-6 永磁直流电动机的转速特性

图1-7 永磁直流电动机的转矩特性

3.机械特性

机械特性是指外加额定电压U_e时，电动机转速与电磁转矩之间的关系n=f（T_em）。当每极

磁通不变时，机械特性是一条下降的直线，如图1-8所示。实际上，随着电磁转矩的增大，磁通不是常数，机械特性也不再是一条直线，而是在下端略有抬高。

4.效率特性

效率特性是指外加额定电压U_e时，效率与输出功率的关系_η=f（P₂），即

式中，∑P为电动机的总损耗（W）。

图1-8 永磁直流电动机的机械特性

六、永磁电机的退磁和充磁

1.永磁电机退磁原因

永磁电机退磁有以下几种因素造成：

（1）环境或运行温度过高，超过可恢复值。

（2）电机的散热风扇异常，导致电机高温。

（3）磁钢氧化。

（4）电磁退磁。

（5）强烈振动。

（6）电机没有设置温度保护装置。

（7）电机本身设置不合理。

（8）永磁体自然失效。在常规的环境中，在永磁电机充磁后，长期运行即使忽略外界环境和其他外界条件的影响，永磁体的磁性也会随着时间的变化而改变，开路磁通随着时间的变化而损失的百分比叫时间稳定性，也称为自然失效。自然失效跟永磁体的尺寸及使用材料的内禀矫顽力有关。永磁材料随着时间的磁通损失与所经历的时间对数基本成线性关系。

以上第（3）种情况，磁钢氧化，则磁钢不能再用了。其他情况可以考虑充磁。充磁费用很低。

2.如何防止永磁电机退磁

为了预防永磁电机产生不可逆退磁，应采取如下一些措施。

（1）从永磁电机设计上采取措施

1）适当增加永磁体的厚度。由于转矩绕组电流产生的磁通和径向力绕组产生的磁通作用下，转子表面永磁体容易引起退磁。因此在电动机气隙不变的情况下，要保证永磁体不退磁，最为有效的方法就是适当增加永磁体的厚度。

2）采用磁钢星形切向结构。磁钢星形切向结构布置方式的主要特点是并联磁通比较大，磁阻转矩比较大，对充分利用磁通转矩，提高电机运行的稳定性有利。

3）转子内部设通风槽回路。转子温升过高，永磁体将会产生不可逆的退磁，为此可设计转子内部通风回路，直接冷却永磁体。同时这也有利于提高电机效率。

4）选用矫顽力高的磁钢。电机定子绕组通电产生的磁场如果等于内禀矫顽力时，磁钢的剩磁密度将降为零，即磁钢会出现瞬间退磁。为了避免电退磁现象的发生，设计时可以选用内禀矫顽力更高的磁钢，比如N35UH型磁钢（25koe）。它比普通的N33H型（22koe）磁钢高5koe；N35UH型磁钢的最高工作温度是180℃，比普通的磁钢（N33H）的最高温度150℃最高出30℃。

（2）正确选择永磁电机 永磁电机退磁的一个主要原因是温度过高，如果电机功率选择小了，则会过载，使运行温度过高。因此，在选择永磁电机功率时要留有一定的余量，一般应大于实际负载的20%左右为宜。

（3）避免重载起动和频繁起动 异步起动永磁同步电动机应尽量避免重载直接起动或频繁起动。异步起动过程中，起动短矩是振荡的，在起动转矩波谷段，定子磁场对转子磁极就是退磁作用。因此尽量避免异步起动永磁电动机重载和频繁起动。

（4）老化处理 为了保证永磁电机在运行过程中的性能稳定，不发生明显的不可逆退磁，在使用前应先进行老化处理。方法是将充磁后的永磁材料升温至预计最高工作温度并保持一定时间（一般为2～4h），已预先消除这部分不可逆退磁。

3.如何判断永磁电机是否退磁

永磁电机退磁，电机性能会很明显地下降，电流增大，出力不足，甚至会导致电机不能驱动负载以致烧坏电机。可根据以下现象判断永磁电机是否退磁。

（1）永磁电机退磁后运行电流一般会超出额定电流值较多。如果电机只在低速或高速运行时才报过载或偶尔报过载的情况，一般不是退磁导致。

（2）永磁电机在开始运行时电流正常，经过一段时间后，电流变大，时间久了就会报变频器过载。这时需要确定负载是否正常，变频器参数设置是否正确，如果两者都没有问题，则可通过测量空载反电动势加以判断。

须指出，永磁电机退磁是需要一定时间的，有的几个月甚至一两年，如果用户选型错误导致报电流过载，不属于电机退磁。

4.如何检测永磁电机是否退磁

检测永磁电机是否退磁，除观察电流是否增大、出力是否降低、带负载是否困难加以判断外，可以用以下方法检测。

（1）用磁通表检测永磁电机的气隙磁场。

（2）通过空载反电动势来判定电机的退磁状况。其方法是：电机在额定电压、额定频率下空载运行达到稳定，调节电机的电压，使其电流最小，此时的外加电压可近似为空载反电动势，测出三个出线端的外加电压，取其平均值即为空载反电动势。如果此值低于电机铭牌上反电动势50V以上，即可确定电机退磁。

5.永磁电机如何充磁

永磁电机的充磁方法有多种，下面介绍几种较实用的方法。

（1）方法一。首先在未充磁永磁体表面上缠绕充磁线圈，然后再将缠绕有充磁线圈的未充磁永磁体安放于永磁电机的转子或定子上，接着对永磁电机定子、转子进行组装，组装完毕后对充磁线圈充电，线圈产生的磁场方向与未充磁永磁体的充磁方向相同，未充磁永磁体被磁化为永磁体，实现永磁电机的充磁。

（2）方法二。将没有充磁的电机装配好后，整体在充磁机内充磁。充磁机通过电机外壳、定子对转子表面的磁体充磁。由于装配时转子没有磁性，方便装配。充磁的原理就是通过电流产生一个强大的磁场，这个饱和磁场磁化永磁体后会在永磁体留下剩磁场，从而达到充磁的目的。

但这种充磁方法的效果可能不是很好，因为不好控制永磁体充磁磁场分布，定子、转子磁路多少会对充磁磁场有所影响。

（3）方法三。对于瓦片形磁极（磁瓦），可采用以下几种充磁方式。

1）磁瓦单独充磁，再装入机壳，然后装配整体。

该充磁方式属于开路充磁，由于充磁时没有外磁场磁路，没有构成闭合回路，故不易充饱和，对磁瓦的磁通密度有影响，一般比闭路充磁会偏低一些。这种方式充磁很方便。

2）磁瓦装入机壳再充磁，然后装配整体。

该充磁方式最为常用，属于闭路充磁，充磁后的磁通密度也是最高的，而且可以通过充磁头的形状来调整气隙磁密的波形，达到满足不同永磁电机性能的要求。但是在电机装配时，需要使用专用工装进行装配，否则可能会由于磁吸力的原因磕伤转子或使磁瓦产生磁碎。

3）磁瓦装入机壳，再装配合成品，最后整体充磁。

该充磁方式也属于闭路充磁（因为转子冲片是良好的导磁材料），充磁后的磁瓦磁通密度大小一般介于第一种和第二种之间。须注意：在使用整机充磁时，最好将电刷与转子绕组处于开路状态，否则在电刷与换向器接触表面可能会产生打火现象。

以上三种充磁方式，第一种充磁方式要比第二、三种充磁方式表面剩磁低10%左右，一般而言采用第二种充磁方式比较合理。

七、永磁电机的常见故障及处理

永磁电机的常见故障及处理方法见表1-25。

表1-25 永磁电机常见故障及处理方法