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    1 永磁電機是個神馬鬼

           電機是一種以磁場為媒介、以電磁理論為基礎的能量轉換裝置。知道寶寶們基礎差,說這些專業術語不大好理解,老師就給寶寶們打個比方來解釋一下上面這句話。先說什么是能量轉換裝置,這就像銀行兌換錢幣,經常出國的寶寶們都兌換過外幣,你可以拿人民的幣兌換成刀樂,也可以用刀樂兌換成人民的幣,銀行就是個“錢幣轉換裝置”。銀行要兌換錢幣必須首先要有本金,就是先要有一筆錢放到一個池子里,這個本錢就是“媒介”,有了本錢,你就可以拿人民幣扔進池子,再從池子里拿走你所需要的刀樂或歐元等等,這樣轉換一下,池子里的本錢多少不會變,但銀行會收取一些手續費,這就是你轉換過程中的“損耗”。電機作為一種能量轉換裝置,同樣首先要有一些“本錢”,這個本錢就是磁場的能量。電機要想工作,首先要在電機的氣隙里建立一個磁場,這個磁場就相當于那個“池子”,磁場里儲存著能量就是本錢。有了這個磁場儲能的本錢,就可以通過線圈向磁場池子里輸入電能,同時從軸上取走機械能,這就是電動機;也可以從軸上輸入機械能,同時從線圈取走電能,這就是發電機;還可以從一個線圈輸入電能,同時從另一個線圈再取走電能,有的寶寶會說,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一樣。所以說變壓器也是一種電機!說完“轉換裝置”和“媒介”再說說“以電磁理論為基礎”是怎么回事,銀行兌換錢除了要有本錢,還需要有兌換規則、外匯牌價等等游戲規則,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、安培環路定律、楞次定律、電流的磁效應、通電導體在磁場中受力等理論。

          解釋了什么是電機,接下來就說說永磁電機是個神馬鬼。永磁電機就是用永磁體建立氣隙磁場的電機。前面說了,電機要想工作,離不開磁場這個“媒介”,那么一開始的磁場是怎么來的?前面的瞎想中老師說過,所有的磁場都是由電流產生的,我們可以用一個線圈,給它通電后就會產生磁場,我們稱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,因為電流會在線圈里發熱;也可以用一個天然的“磁石”建立磁場,這就是永磁鐵。早期的永磁材料都是天然磁石,隨著科技的發展,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也是電流產生的,只不過用于產生永磁磁場的電流是材料天生自帶的,稱之為“分子電流”,因此用永磁體勵磁的電機理論上是沒有勵磁損耗的,但因為電機運行時永磁體里會有一些渦流,也會產生少許的雜散損耗。再用通俗的例子打比方,就是銀行的“本錢”可以是股東們湊起來的股份錢,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,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,所以理論上是沒有“勵磁損耗”的,當然逢年過節給老祖宗燒個紙還是必要的,因此實際上會有些少量的雜散消費。事實上,天然磁石就是上天賜給我們的一筆大遺產!

    2 永磁電機的特點
          除了上面說到的永磁電機采用永磁體勵磁,不會產生勵磁損耗外,永磁電機還有以下一些特點:
    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電刷等滑動電接觸部件,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,里面的磁場就是固有的,運行中無法對電機的勵磁進行調節和控制,如果電機性能不滿足要求,只能推倒重來,這也要求永磁電機在設計時就要準確計算,否則就要進行多輪樣機試制驗證,造成大量浪費。事實上在早期沒有功能強大的設計軟件之前,只能通過實物樣機進行多輪驗證才能得到優化的設計方案。這也反映出永磁電機設計的技術門檻很高,現在永磁電機設計對軟件的依賴性更強。當然隨著電力電子技術的飛速發展,有些場合即使電機設計不太完美,可以通過變頻器進行電樞控制來得以補償和掩蓋。
    2.3 電勵磁的電機是用線圈繞到一個鐵心上產生磁場,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線圈再給它加強磁場(助磁)或削弱它原來的磁場(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,它相當于一個分子電流環繞在空氣上,或把它看做一個永不停歇的分子電流環繞在一個塑料骨架上。正因如此,永磁體一旦充好磁是很難通過其它的外磁場再對它助磁和弱磁的;也正因如此,永磁體一旦充好磁,想通過反方向磁場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題并沒有想象的那么可怕,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。當然為了防止萬一,電機設計時還是要必須校核所有的退磁風險。
    2.4 正因永磁體本身的導磁性能相當于空氣,所以穿過具有永磁體形成磁路,就相當于穿過了一個很大的氣隙,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化,但總起來可以分為兩大類,一類叫表貼式;一類叫內嵌式,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磁鋼,磁阻很大,所以直軸電感很小,而交軸不需要穿過磁鋼,只通過鐵磁材料,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,在設計、控制、運行方面必須要根據這一特點進行專門的考慮,以充分利用這一特點揚長避短,達到最優的系統解決方案。關于這一點,后續會專門講解。
    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法通過勵磁調節來改變,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,進行統一聯合設計才能達到最佳的匹配和最優的性能。
    2.7 永磁體一旦充好磁,其勵磁磁勢就是固定的,這個勵磁磁勢就是永磁體的矯頑力,把它裝到電機上后,就會產生一個固定的空載氣隙磁場,電機旋轉時就會在電樞繞組中產生一個恒定的空載反電勢E0,無論電機在什么狀態下運行,這個空載反電勢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,在制造過程中需要有專門的工藝工裝來保證。由于永磁電機停機時仍存在氣隙磁場,這給更換軸承等維修工作也帶來不便,需要設計時專門考慮。
    以上是永磁電機的主要特點,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。
    說了這么多再總結一下,永磁電機的突出特點就是“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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