同步电机——磁电机及其发展概况

• 永磁电机的发展历史

在最初的电机中，人们利用磁铁矿石建立所需要的磁场。 1821年9月，法拉第发现通的导线能绕永久磁铁旋转，第一次成功实现了电能向机械能的转换，从而建立了电机的实室模型，被认为是世界上第一台电机，其原理如图1一2所示。在一个金属盘子内注人水银，盘子中央固定一块永磁体，盘子上方悬挂一根导线，导线的一端可在水银中移动，另一端跟电池的一端连接在一起，电池的另一端跟盘子连在一起，构成导电回路，载流导线在磁场中受力产生运动。

1822年，法国的吕萨克发明了电磁铁，即用通过绕在铁心上的线圈的方法产生磁场，这是一项重要的发明，但当时并未得到重视和应用。1 831年，法拉第在发现电磁感应现象之后不久，利用电磁感应原理发明了世界上第一台真正意义上的电机―法拉第圆盘发电机，如图1一3所示。这台发电机的构造跟现代发电机不同，在磁场中转动的不是线圈，而是一个紫铜圆盘，圆心处固定一个摇柄，圆盘的边缘和圆心处各与一个电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来，铜圆盘放置在蹄形永磁体的磁场中。转动摇柄使铜圆盘旋转时，电流表的指针偏向一边，电路中产生了持续的电流。同年夏天，亨利制作了一个简单的装置（振荡电动机）,其原理如图1一4所示。该装置的运动部件是在垂直方向上运动的电磁铁，当它们端部的导线与两个电池交替连接时，电磁铁的极性自动改变，电磁铁与永磁体相互吸引或排斥，使电磁铁以每分钟7万个周期的速度上下运动。亨利的电动机的重要意义在于第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的连续运动，是电磁铁在电动机中的第一次真正应用。1832年，斯特金发明了换向器，并对亨利的振荡电动机进行了改进，制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机，其原理如图1一5所示。

随后，各种电机不断问世。 1832年，法国人皮克希发明了一台永磁交流发电机，如图1一6所示。后来，在物理学家安培建议下，皮克希采用使电流自动改变方向的装置（即换向器），制成了直流发电机。磁年内，电励磁电机的理论和技术得到了迅猛发展，而永磁励磁1834年，德国的雅可比制造了一个简单的装置：在两个U形电磁铁中间装一个六臂轮，每臂带两根棒形磁铁。通电后，棒形磁铁与U形磁铁之间相互吸引或排斥，带动轮轴转动，如图1一7所示。后来，雅可比做了一个大型的装置安在小艇上，用320个电池供电，1838年在易北河上首次航行，时速为2 . Zkm 。与此同时，美国的达文波特也成功研制出印刷机驱动用电动机。

上述电机都采用永久磁铁建立磁场，由于当时永久磁铁均由天然磁铁矿石做成，磁性能很低，造成电机体积庞大、性能较差。 1845年，英国的惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，并取得了专利权。 1857年，他发明了自励电励磁发电机，开创了电励磁方式的新纪元。由于电励磁方式能在电机中产生足够强的磁场，使电机体积小、重量轻、性能优良，在随后的70多方式在电机中的应用则较少。

在国内，沈阳工业大学开发了3kw 、 20 000r／而n稀土永磁发电机，并与东方电机厂、哈尔滨电机厂联合开发了60一75kVA（后扩展至16OkVA）稀土钻永磁副励磁机困。1 983年，磁性能更高而价格相对较低的钦铁硼永磁问世后，国内外研究开发的重点转移到工业和民用电机上。国外主要开发计算机硬盘驱动器电机（即驱动读写磁头往复运动的音圈电动机）、数控机床和机器人用的无刷直流电动机，国内主要开发各种高效永磁同步电动机。 1990年，西北工业大学开发了。．skw纺织专用永磁同步电动机，相对于同功率的三相感应电动机，其效率提高了5 %，节电率为10 %，具有显著的节能效果。近年来，高效永磁同步电动机在油田抽油机上得到广泛应用，是小型钦铁硼永磁同步电动机应用比较成功的一个例子。沈阳工业大学唐任远院士主持研制的1 12OkW稀土永磁同步电动机，是目前国内单机容量最大的永磁电动机。随着风力发电技术的发展，直驱式永磁同步风力发电机受到了广泛关注。直驱式永磁同步风力发电机省去了齿轮箱，具有节约投资、减少能量损失、降低发电成本和噪声、维护费用低、可靠性好等优点。金风科技股份有限公司研制了1 . SMW永磁直驱风力发电机，是目前国内装机容量较大的直驱式永磁同步风力发电机。近年来，随着钦铁硼永磁材料耐高温性能的提高和价格的降低，钦铁硼永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面得到更为广泛的应用，正向大功率化、高性能化和微型化方向发展，永磁电机的品种和应用领域不断扩大。20世纪中期，随着铝镍钻和铁氧体永磁的出现以及性能的不断提高，各种微型永磁电机不断出现，在工农业生产、日常生活、军事工业中得到了广泛应用。但铝镍钻和铁氧体永磁材料的磁能积较低，导致永磁电机性能低、体积大，限制了永磁电机的发展。

1 967年，衫钻永磁材料的出现，开创了永磁电机发展的新纪元。衫钻永磁材料性能好、价格昂贵，各国研究开发的重点是航空航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。 20世纪80年代末，西门子公司生产的用于舰船推进的6相、 1 . IMW 、 23or / min永磁同步电动机，ABB公司生产的用于舰船推进的1 . SMW永磁同步电动机和德国AEG研制的用于调速系