第一节 永磁体在发电机、电动机方面的应用

永磁体被广泛地应用在各种发电机、电动机中，因为永磁发电机、永磁电动机都具有其独特的优点：结构简单、体积小、重量轻、温升低、噪声小、效率高、节能、寿命长、运行可靠、便于管理、维护方便容易。

永磁体在发电机、电动机中使用，基本上有两种方式：一种是永磁体径向布置，称径向式，亦称面极式；另一种是永磁体切向布置，称切向式，亦称隐极式。径向式是永磁体的磁极直接面对气隙；切向式是永磁体平行于转子径向的布置，两块永磁体的同性磁极通过磁导体组成的磁极面向气隙。永磁体的径向式布置属于永磁体串联使用，而切向式布置属于永磁体并联使用。

1.永磁体在永磁发电机中的应用

（1）小型永磁发电机中爪极式永磁发电机

常用小型永磁发电机为爪极式永磁发电机。爪极式永磁发电机功率较小，多用在汽车、拖拉机发电经整流后给蓄电池充电供点火线圈点火或照明及汽车的自动控制用电。爪极式永磁发电机转子结构如图2-1所示，永磁体做成管状，轴向充磁，通过非磁性材料固定在转子轴上或直接固定在非磁性材料的转子轴上，永磁体磁极分别固定在磁导率很高的带有爪极的法兰盘上，爪极在转子圆周上形成N—S—N—S…相间的磁极。当转子被转动时，在定子绕组中便产生了交流电，经整流后给汽车、拖拉机的蓄电池充电。

爪极式永磁发电机的特点是只用一个管状轴向磁化的永磁体，永磁体数量少且形状简单，通过磁导率很高的带有爪极的法兰盘将磁性传导到极爪上，形成N—S—N—S…相间的转子磁极。爪极式转子的爪极数愈多，即爪极的磁极累计面积愈大，则爪极磁极表面的磁感应强度愈小，爪极永磁发电机功率愈小。最合理的爪极数是爪极的极面积之和和永磁体的环形极面积相等，这时爪极极面的磁感应强度与永磁体环形磁极极面的磁感应强度相等，爪极式永磁发电机功率较大。

在爪极式永磁发电机中，永磁体为轴向布置。

（2）中、大功率永磁发电机

由于风能是无污染可再生的清洁能源，自20世纪80年代之后，利用风能发电发展十分迅速，风电每年以30%以上的增容速度发展着。由于永磁发电机效率高、重量轻、温升低、噪声小、可靠性高、结构简单、维修方便，又可做成多极低转速，非常适合于风电机组用发电机。中、大型永磁发电机多用在风电机组上。

图2-1 爪极式永磁发电机转子结构

1—N极爪极法兰盘 2—S极爪极法兰盘 3—轴向磁化的永磁体 4—非磁性材料 5—转子轴

中、大型永磁发电机的永磁体磁极排列基本上有两种形式，一种是径向排列，另一种是切向排列，前者亦称面极式，后者亦称隐极式。这两种永磁体磁极一般都布置在转子上，绕组布置在定子上。当转子转动时，由定子绕组输出交流电。只有永磁直流发电机将永磁体磁极布置在定子上。

1）图2-2a所示为永磁发电机的永磁体磁极径向排列的结构图。永磁体磁极径向排列是永磁体极面直接作为转子磁极的极面，永磁体极面直接面对气隙，漏磁小，且易于实现对永磁体冷却。永磁体磁极径向排列属于永磁体串联，在转子为磁导率很高的材料时，串联永磁体的磁极表面的磁感应强度比单个永磁体极面的磁感应强度大一些，一般情况下大5%～10%。

永磁发电机的永磁体磁极的径向排列常常用在中、大型永磁发电机上。

图2-2 永磁发电机的永磁体磁极径向排列与切向排列

1—定子 2—永磁体 3—转子 4—非磁性材料 5—磁极

2）图2-2b所示为永磁发电机的永磁体磁极切向排列结构图。永磁体磁极切向排列是永磁体磁极并联，可以充分利用永磁体两个磁极的磁通。永磁体磁极切向排列是两个永磁体的相同磁极通过磁导率很高的材料组成一个共同的磁极，这个共同的磁极的磁面的磁感应强度比单个永磁体磁极表面的磁感应强度大得多，但不会达到永磁体极面磁感应强度的2倍，在有很好的非磁性材料阻碍N极、S极磁通短路及两个同性磁极的极面积与极靴极面积相等的情况下，只能比单个永磁体磁极表面的磁感应强度大20%～40%，这主要是由于漏磁太大。

永磁体磁极的切向布置，由于永磁体埋在转子的铁心中，因此不易对永磁体实现有效的冷却。切向排列的永磁体安装困难，必须有专用工具。永磁体磁极的切向排列适用于中、小型永磁发电机。

永磁体磁极的切向排列的永磁发电机结构复杂，且必须有非磁性材料对永磁体的N极、S极进行有效的隔磁，因此，大型永磁发电机很少采用这种结构形式。

径向排列永磁体磁极的永磁发电机结构简单，易于实现对永磁体的有效冷却，容易实现60极、72极、84极等多极低转速，深受风电机组制造商的青睐。笔者采用自己的专利技术，用外径327mm、内径230mm的定子做成了30极3kW、5kW、7.5kW、10kW的永磁体磁极径向布置的永磁发电机；利用外径590mm、内径445mm的定子做成了36极40kW、60kW、80kW的永磁体磁极径向布置的永磁发电机及用外径1430mm、内径1250mm的定子设计成60极双层850kW和用外径1730mm、内径1590mm的定子设计成60极双层2MW的永磁体磁极径向布置的永磁发电机。

（3）永磁体磁极轴向排列的盘式永磁发电机

永磁体磁极最合理、最科学、成本最低的布置是永磁体两个磁面同时利用。盘式永磁发电机就是永磁体两个极面同时利用的发电机。盘式永磁发电机的结构如图2-3所示。转子由非磁性材料制成，永磁体多块按轴向布置镶在转子上。定子由磁导率很高的材料组成且绕组分布在定子槽内。定子和转子可以是多层结构，永磁体的两个极面同时利用，由于定子绕组多层都是相同的，绕组可以串联，也可以并联。绕组也可以做成印制电路。盘式永磁发电机永磁体磁极两面利用，科学合理，结构简单，永磁体充分利用，整机重量轻，效率高，节省材料，可以实现径向强迫风冷，永磁体能得到有效冷却，使发电机运行可靠。

（4）永磁直流发电机

永磁直流发电机的永磁体磁极往往径向布置在定子上，而转子有绕组并设有换向铜头及电刷。当转子转动时由换向铜头及电刷将电流都变换到同一方向——输出直流电。这种发电机目前很少生产，因为这种永磁发电机结构复杂，故障率也高，不如永磁交流发电机输出交流经整流变成直流方便、可靠。

图2-3 永磁体轴向排列的盘式永磁发电机结构

1—冷却风道 2—转子（镶永磁体） 3—定子及绕组 4—机壳 5—主轴

（5）磁电机

磁电机也是一种永磁发电机，常用在摩托车点火线圈供电及为蓄电池充电。

（6）其他永磁发电机

比如手摇应急永磁发电机；商店门前的脚踏永磁发电机等。

2.永磁体在永磁电动机中的应用

利用永磁体作电动机的磁极，使电动机结构简单、效率高，节能、重量轻、节省材料。永磁电动机既可以做到多极低转速大扭矩，又可以做到高速大功率。因永磁电动机所具有的优点，永磁电动机被广泛地应用在航天、航空、医疗、自动控制、电力驱动、家电、微机、儿童玩具等诸多领域。

（1）永磁直流电动机

永磁直流电动机的永磁体磁极的布置有两种，一种是永磁体磁极的径向式布置；另一种是永磁体磁极的切向式布置。永磁直流电动机的永磁体磁极安装在定子上，转子设有绕组及铜头及换向电刷，称为有刷直流电动机；永磁直流电动机的永磁体磁极安装在转子上，定子绕组的电流方向的改变是由电子换向器来实现的，称为无刷直流永磁电动机。

1）永磁直流力矩电动机。永磁直流力矩电动机扭矩很大，可带负荷起动。永磁直流力矩电动机的永磁体磁极分为径向式和切向式布置在定子上，而转子有绕组及电流换向用的铜头和电刷，这种永磁直流力矩电动机是有刷永磁直流电动机。图2-4a所示是多极永磁电动机永磁体磁极的径向布置的结构图，图2-4b所示是极数少的永磁电动机永磁体磁极径向布置的结构图。

永磁体磁极径向排列是永磁体串联使用，永磁体磁极直接面对气隙，漏磁小，当磁导体的磁导率很高时，气隙磁密比单个永磁体磁极表面的磁感应强度高5%～10%。

永磁体磁极径向布置的永磁电动机的特点是永磁体固定在定子铁心上或固定在机壳上。要求定子铁心或机壳由磁导率很大的材料制作。转子铁心内有绕组及在铁心端部有改变电流方向的换向铜头和电刷。功率较大的力矩直流永磁电动机还应在镶永磁体两侧的铁心上设有冷却风道以对永磁体进行有效的冷却。

图2-4 永磁电动机定子磁极径向和切向布置的结构

1—机壳 2—永磁体 3—定子 4—转子 5—挡板（非磁性材料） 6—定子磁极

图2-4c所示是永磁体磁极切向布置的永磁直流电动机的结构图。永磁体磁极切向布置是永磁体磁极并联，两个永磁体的同性磁极通过磁导率很高的铁心组成一个磁极。磁极切向布置必须在异性磁极间有非磁性材料进行有效的隔磁，并且用作磁极铁心应有聚磁形状，在这种情况下，其磁极的气隙磁密比单个永磁体磁极表面的磁感应强度大20%～40%，但不会达到单个永磁体磁极表面磁感应强度的2倍，这主要是因为没有绝对隔磁材料，漏磁太大造成的。

图2-4c中的永磁体同性磁极通过磁导率很高的铁心组成的磁极用螺钉固定在机壳上，机壳必须是非磁性材料（例如铸黄铜、铸铝合金等），再用由非磁性材料做成的挡板来限制永磁体的位置，否则异性磁极的磁通将发生短路，达不到永磁体磁极并联的目的。

永磁体磁极切向布置的特点是：①在有非磁性材料进行有效隔磁的情况下，用作铁心磁极的气隙磁密将比单个永磁体磁极表面的磁感应强度大20%～40%，提高了永磁体磁能的利用率；②利用聚磁原理将磁极铁心做成聚磁形状，还能进一步提高气隙磁密；③永磁体磁极切向布置的直流电动机结构复杂且不易实现对永磁体的有效冷却；④永磁体安装困难，必须有专用工具。

永磁力矩电动机中的永磁体应采用磁综合性能很好的永磁体，设计时应将磁通尽量聚集于气隙，气隙磁密愈高，则电动机的时间常数愈小，转速愈平稳，力矩波动愈小。在磁极铁心两侧开半圆形槽以利于起动和换向且有利于冷却，使电动机转矩与电流有很好的线性关系，使电动机运行平稳。当起动时，几倍的峰值电流冲击都不会使永磁体退磁，因而电动机的转矩很硬。作磁极的铁心应采用磁导率很高的材料，其磁滞小，电阻率高以减少交变磁场造成的损耗和发热，使永磁直流力矩电动机效率更高、温升更低。

2）永磁玩具电动机。几乎所有玩具电动机都是永磁直流电动机。永磁体磁极安装在机壳上一起构成电动机定子。转子为绕组式并装有换向铜头及电刷对直流电电流换向。安装在机壳上的永磁体属于永磁体径向布置，是永磁体磁极串联使用。玩具用永磁直流电动机结构简单，运行可靠。图2-5所示是玩具用永磁直流电动机结构图。

玩具永磁直流电动机的机壳由磁导率很高的低碳钢板制成，它是永磁体非气隙面磁极磁通的磁导体。

图2-5 玩具用永磁直流电动机结构图

1—永磁体 2—转子

图2-6 永磁有刷直流电动机典型结构

1—前端盖 2—机壳 3—永磁体磁极 4—后端盖 5—转子（包括绕组） 6—换向铜头 7—电刷 8—后轴承 9—前轴承 10—主轴 11—冷却风扇

3）高速永磁直流电动机。高速永磁直流电动机常用在航天、航空器中。航天、航空器中空间有限，因此要求重量轻、体积小、功率大的电动机，而高速永磁直流电动机正好满足航天、航空器的要求。

高速永磁直流电动机的永磁体磁极也分径向和切向两种布置方式，其他结构与永磁直流电动机相同。

4）其他永磁直流电动机。其他永磁直流电动机还有永磁直流伺服电动机、永磁直流步进电动机等。

有换向器的永磁直流电动机称作有刷永磁直流电动机。有刷永磁直流电动机的典型结构如图2-6所示。其特点是永磁体磁极不论是径向布置还是切向布置都安装在定子上，而转子为绕组转子并在转子端部设有换向器即换向铜头和电刷。

5）无刷永磁直流电动机。无刷永磁直流电动机没有由换向铜头和电刷组成的换向器，因而没有换向火花，不产生无线电干扰，其噪声低，寿命长，运行可靠，维护容易、简单，转速不受换向条件限制，可高速运行，调速范围宽，调节特性和机械特性的线性度好，堵转转矩大等特点，因此被广泛地应用在航天、航空、船舶、计算机、汽车、工业、医疗设备、军事等诸多领域的自动控制中。

无刷永磁直流电动机将永磁体安装在转子上，绕组置于定子中。根据不同的转速，绕组布置成单相、两相、三相等，绕组形式与一般电动机相同。定子与转子的位置也有两种不同的形式，定子置于转子外部称作外定子结构，亦称内转子无刷永磁直流电动机；定子置于转子内部称内定子结构，亦称外转子无刷永磁直流电动机。不论是内转子结构还是外转子结构，永磁体磁极都置于转子之上。永磁体磁极在转子铁心上的布置有径向、切向、径向和切向混合式三种方式。图2-7所示为内转子无刷永磁直流电动机的结构图。

无刷永磁直流电动机的定子绕组电流换向用电子换向器。电子换向器有两种，一种是有位置传感器，常采用的位置传感器有霍尔、磁电、光电等位置传感器。当转子的感应器转到位置传感器时便改变定子绕组的电流方向实现换向；另一种电子换向器是用时间来决定绕组电流的自动换向。随着科学技术的发展，现代电子换向器采用IGBT大功率模块来实现直流电动机绕组电流自动换向。换向器供给无刷永磁直流电动机的电流有方波和正弦波两种。根据国家标准规定，供给无刷永磁直流电动机的电流为方波的称作无刷永磁直流电动机；供给无刷永磁电动机的电流为正弦波的称作永磁交流伺服电动机。无刷永磁直流电动机的电子换向系统如图2-8所示。

图2-7 无刷永磁直流电动机的结构图

1—冷却风扇 2—后轴承 3—后端盖 4—机壳 5—定子铁心 6—转子铁心 7—永磁体 8—定子绕组 9—前端盖 10—前轴承 11—主轴

6）永磁盘式直流电动机。永磁盘式直流电动机的结构与永磁盘式发电机结构相同，所不同的是发电机在定子绕组中输出交流电，而电动机则由电子换向器向定子绕组中输出直流电。永磁盘式直流电动机是无刷永磁直流电动机。它的转子为盘状，镶有永磁体磁极，定子绕组可以是绕线式也可以制成印制电路。定子绕组的电流换向用电子换向器来实现。

图2-8 无刷永磁直流电动机电子换向系统

永磁盘式直流电动机的特点是：①体积小、重量轻；②转子无铁心，转动惯量小，电感小，时间常数小，起动、停止迅速，速度调整特性好；③转子无铁损，效率高，功率输出大；④起动转矩大；⑤噪声和振动小；⑥温升低。由于永磁盘式直流电动机的特点，它被广泛地应用在计算机，开关电源，逆变器，航天、航空，工业及化工、医疗的自动控制，机器人，自动及遥控设备中。盘式永磁直流电动机的结构如图2-9所示。图2-9所示为单层定子。为了充分利用永磁体的N、S两极面，可做成双层或多层定子。

7）其他无刷永磁直流电动机。永磁有刷直流电动机都可以去掉机械换向器，即去掉换向铜头和电刷，而后将转子安装永磁体，定子绕组通过电子换向器来改变电流方向变成无刷永磁直流电动机。未来无刷永磁电动机必将取代有刷直流电动机。

图2-9 盘式永磁直流电动机的结构

1—永磁体 2—盘式转子 3—盘式定子（包括绕组） 4—轴

（2）永磁交流电动机

永磁体做电动机的磁极可以节能、提高电动机效率、节省材料、降低温升、使电动机结构简单，特别是高剩磁、高矫顽力的永磁体的不断问世，为永磁体做交流电动机磁极提供了可能。

在20世纪80年代之后，用磁综合性能很好的永磁体作转子磁极的交流电动机取得了很大进展。

永磁交流电动机的定子铁心及绕组与常规交流电动机的定子铁心及绕组相同。转子磁极采用永磁体且为切向布置，这种永磁交流电动机不能自行起动及换向。于是，在永磁交流电动机的转子轴一端又布置了一个功率较小的交流电动机，起动及永磁交流电动机换向由这个小功率交流电动机来完成。起动后，永磁交流电动机工作，小功率交流电动机自动切出。这种永磁交流电动机经油田抽油机上使用测定，节电10%左右。但这种永磁交流电动机制造成本较高，而且在运行中如果冷却不好，当温升达到85℃以上时，定子绕组交流电阻增大，铜损和铁损增加，使永磁交流电动机温升进一步提高。同时，由于永磁交流电动机温升提高，永磁体综合磁性能下降，交流永磁电动机功率下降，形成恶性循环，导致永磁交流电动机烧毁，永磁体完全退磁。

这种永磁交流电动机虽然存在一些待解决的问题，但这一大胆尝试，无疑是一种别开生面的创新。

为了使永磁交流电动机能自动起动及可更换转向，世界很多国家都进行着卓有成效的研究，得到了多种行之有效的方案。图2-10所示是目前永磁交流电动机自行起动并决定转向的最佳方案之一。

永磁交流电动机的转子应采用磁导率很高的硅钢片，永磁体磁极可径向布置、切向布置及径向加切向混合布置三种方式。为了永磁交流电动机能自行起动及更换转向，在转子中除镶嵌永磁体外，在转子硅钢片的外圆上冲有导条孔或槽，这些孔或槽的轴线应和转子的轴线成一定角度，像常规交流电动机的转子一样铸入或嵌入导条且端部短路。这种永磁交流电动机就能自行起动和更换电动机旋转方向及运转。转子磁场是永磁体磁场和转子导条的交变磁场叠加的合成磁场使永磁交流电动机正常运转，并且节电。

图2-10a所示是永磁交流电动机的转子永磁体径向布置图。永磁体的径向布置是永磁体磁极的串联，漏磁小，结构简单，容易安装，转子的机械强度和刚度易于保证，使永磁交流电动机运行可靠。

图2-10b所示是永磁交流电动机的转子永磁体磁极的切向布置。轮毂为非磁性材料制造，如黄铜、铝合金等，以减少漏磁。转子铁心为极靴，应为导磁率很高的材料制成并以燕尾槽镶入转子毂上或以螺钉紧固在转子毂上，永磁体挡板为非磁性材料制成，其挡住永磁体且不会使永磁体磁极短路。永磁体磁极切向布置是永磁体磁极并联，充分利用永磁体两极面的磁通，两个永磁体同性磁极贡献给一个极靴，使气隙磁密增加很多，但漏磁大，且永磁体安装困难，需要专用工具。

图2-10 永磁交流电动机转子磁极的永磁体布置和转子结构

1—转子导条 2—转子铁心 3—永磁体 4—转子轴 5—冷却风道 6—转子毂（非磁性材料） 7—挡板（非磁性材料）

这种永磁交流电动机实际上是常规异步电动机与永磁同步电动机的组合。起动时主要是按异步电动机运转，运转时是异步与永磁同步叠加变成同步电动机运转。

永磁交流电动机的转子导条应经计算决定导条的数量、导条的直径。转子导条的布置只是为了永磁交流电动机的起动及更换电动机转向，只要能满足起动即可，而正常运转时还是以永磁体磁极为主。

永磁交流电动机的另一种结构是永磁体径向布置在转子上，并与转子轴向成一定角度，永磁体磁极直接面对气隙，同时在转子硅钢片的外圆上冲有与转子轴向成一定角度的孔或槽，其角度与径向布置的永磁体与转子轴轴向所成的角度相同。转子外径冲的孔和槽内像常规交流电动机一样铸入或嵌入金属导条。这些铸入或嵌入转子外径的导条起到帮助永磁电动机起动和换向的作用。在永磁交流电动机正常运转时，导条形成的交应磁通与永磁体的固定磁通形成交变磁通使永磁电动机正常运行。

这种径向布置永磁体的永磁交流电动机的优点是：

（1）永磁体磁极直接面对气隙，漏磁少；

（2）易于实现对永磁体的有效冷却；

（3）永磁体径向布置，且与转子轴轴向成一定角度，有利于永磁交流电动机的起动和换向。如果角度设计的准确，甚至无导条，永磁电动机也会起动和换向。

缺点是径向布置且与转子轴轴向成一定角度，永磁体呈空间螺旋形，增加了永磁体制造和镶嵌的难度。

永磁体径向布置的永磁交流电动机如图2-11所示。

图2-11 永磁体径向布置的永磁交流电动机

1—永磁体 2—导条 3—转子硅钢片 4—转子轴 5—冷却风道

永磁交流电动机转速稳定、扭矩硬，效率高，比常规异步电动机高8%～10%，功率因数高，运行可靠，是一种很好的节能电动机。但是，永磁交流电动机应有很好的冷却措施，特别是要对永磁体实施有效的冷却才能保证永磁交流电动机安全运行。

永磁交流电动机具有美好的发展前景。