同步電機——磁電機及其發(fā)展概況

• 永磁電機的發(fā)展歷史

在最初的電機中，人們利用磁鐵礦石建立所需要的磁場。 1821年9月，法拉第發(fā)現通的導線能繞永久磁鐵旋轉，第一次成功實現了電能向機械能的轉換，從而建立了電機的實室模型，被認為是世界上第一臺電機，其原理如圖1一2所示。在一個金屬盤子內注人水銀，盤子中央固定一塊永磁體，盤子上方懸掛一根導線，導線的一端可在水銀中移動，另一端跟電池的一端連接在一起，電池的另一端跟盤子連在一起，構成導電回路，載流導線在磁場中受力產生運動。

1822年，法國的呂薩克發(fā)明了電磁鐵，即用通過繞在鐵心上的線圈的方法產生磁場，這是一項重要的發(fā)明，但當時并未得到重視和應用。1 831年，法拉第在發(fā)現電磁感應現象之后不久，利用電磁感應原理發(fā)明了世界上第一臺真正意義上的電機―法拉第圓盤發(fā)電機，如圖1一3所示。這臺發(fā)電機的構造跟現代發(fā)電機不同，在磁場中轉動的不是線圈，而是一個紫銅圓盤，圓心處固定一個搖柄，圓盤的邊緣和圓心處各與一個電刷緊貼，用導線把電刷與電流表連接起來，銅圓盤放置在蹄形永磁體的磁場中。轉動搖柄使銅圓盤旋轉時，電流表的指針偏向一邊，電路中產生了持續(xù)的電流。同年夏天，亨利制作了一個簡單的裝置（振蕩電動機）,其原理如圖1一4所示。該裝置的運動部件是在垂直方向上運動的電磁鐵，當它們端部的導線與兩個電池交替連接時，電磁鐵的極性自動改變，電磁鐵與永磁體相互吸引或排斥，使電磁鐵以每分鐘7萬個周期的速度上下運動。亨利的電動機的重要意義在于第一次展示了由磁極排斥和吸引產生的連續(xù)運動，是電磁鐵在電動機中的第一次真正應用。1832年，斯特金發(fā)明了換向器，并對亨利的振蕩電動機進行了改進，制作了世界上第一臺能產生連續(xù)運動的旋轉電動機，其原理如圖1一5所示。

隨后，各種電機不斷問世。 1832年，法國人皮克希發(fā)明了一臺永磁交流發(fā)電機，如圖1一6所示。后來，在物理學家安培建議下，皮克希采用使電流自動改變方向的裝置（即換向器），制成了直流發(fā)電機。磁年內，電勵磁電機的理論和技術得到了迅猛發(fā)展，而永磁勵磁1834年，德國的雅可比制造了一個簡單的裝置：在兩個U形電磁鐵中間裝一個六臂輪，每臂帶兩根棒形磁鐵。通電后，棒形磁鐵與U形磁鐵之間相互吸引或排斥，帶動輪軸轉動，如圖1一7所示。后來，雅可比做了一個大型的裝置安在小艇上，用320個電池供電，1838年在易北河上首次航行，時速為2 . Zkm 。與此同時，美國的達文波特也成功研制出印刷機驅動用電動機。

上述電機都采用永久磁鐵建立磁場，由于當時永久磁鐵均由天然磁鐵礦石做成，磁性能很低，造成電機體積龐大、性能較差。 1845年，英國的惠斯通用電磁鐵代替永久磁鐵，并取得了專利權。 1857年，他發(fā)明了自勵電勵磁發(fā)電機，開創(chuàng)了電勵磁方式的新紀元。由于電勵磁方式能在電機中產生足夠強的磁場，使電機體積小、重量輕、性能優(yōu)良，在隨后的70多方式在電機中的應用則較少。

在國內，沈陽工業(yè)大學開發(fā)了3kw 、 20 000r／而n稀土永磁發(fā)電機，并與東方電機廠、哈爾濱電機廠聯(lián)合開發(fā)了60一75kVA（后擴展至16OkVA）稀土鉆永磁副勵磁機困。1 983年，磁性能更高而價格相對較低的欽鐵硼永磁問世后，國內外研究開發(fā)的重點轉移到工業(yè)和民用電機上。國外主要開發(fā)計算機硬盤驅動器電機（即驅動讀寫磁頭往復運動的音圈電動機）、數控機床和機器人用的無刷直流電動機，國內主要開發(fā)各種高效永磁同步電動機。 1990年，西北工業(yè)大學開發(fā)了。．skw紡織專用永磁同步電動機，相對于同功率的三相感應電動機，其效率提高了5 %，節(jié)電率為10 %，具有顯著的節(jié)能效果。近年來，高效永磁同步電動機在油田抽油機上得到廣泛應用，是小型欽鐵硼永磁同步電動機應用比較成功的一個例子。沈陽工業(yè)大學唐任遠院士主持研制的1 12OkW稀土永磁同步電動機，是目前國內單機容量最大的永磁電動機。隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，直驅式永磁同步風力發(fā)電機受到了廣泛關注。直驅式永磁同步風力發(fā)電機省去了齒輪箱，具有節(jié)約投資、減少能量損失、降低發(fā)電成本和噪聲、維護費用低、可靠性好等優(yōu)點。金風科技股份有限公司研制了1 . SMW永磁直驅風力發(fā)電機，是目前國內裝機容量較大的直驅式永磁同步風力發(fā)電機。近年來，隨著欽鐵硼永磁材料耐高溫性能的提高和價格的降低，欽鐵硼永磁電機在國防、工農業(yè)生產和日常生活等方面得到更為廣泛的應用，正向大功率化、高性能化和微型化方向發(fā)展，永磁電機的品種和應用領域不斷擴大。20世紀中期，隨著鋁鎳鉆和鐵氧體永磁的出現以及性能的不斷提高，各種微型永磁電機不斷出現，在工農業(yè)生產、日常生活、軍事工業(yè)中得到了廣泛應用。但鋁鎳鉆和鐵氧體永磁材料的磁能積較低，導致永磁電機性能低、體積大，限制了永磁電機的發(fā)展。

1 967年，衫鉆永磁材料的出現，開創(chuàng)了永磁電機發(fā)展的新紀元。衫鉆永磁材料性能好、價格昂貴，各國研究開發(fā)的重點是航空航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。 20世紀80年代末，西門子公司生產的用于艦船推進的6相、 1 . IMW 、 23or / min永磁同步電動機，ABB公司生產的用于艦船推進的1 . SMW永磁同步電動機和德國AEG研制的用于調速系