永磁電機(jī)是當(dāng)前最熱門(mén)的一種電機(jī)，許多寶寶要求老師講一講永磁電機(jī)，永磁電機(jī)里面的事確實(shí)比較多，與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)無(wú)論是設(shè)計(jì)還是制造、試驗(yàn)測(cè)試、運(yùn)行等方面都比較難搞，需要扎實(shí)的理論功底和豐富的經(jīng)驗(yàn)才能搞定，技術(shù)門(mén)檻很高。這么多事不可能一下講完，一次說(shuō)那么多恐怕寶寶們也沒(méi)有耐心看，老師就分多期給寶寶們說(shuō)說(shuō)永磁電機(jī)的那些事，為了便于寶寶們理解，老師就從盤(pán)古開(kāi)天地說(shuō)起，力求由淺入深，深入淺出。今天算第一期。

1 永磁電機(jī)是個(gè)神馬鬼

電機(jī)是一種以磁場(chǎng)為媒介、以電磁理論為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換裝置。知道寶寶們基礎(chǔ)差，說(shuō)這些專業(yè)術(shù)語(yǔ)不大好理解，老師就給寶寶們打個(gè)比方來(lái)解釋一下上面這句話。先說(shuō)什么是能量轉(zhuǎn)換裝置，這就像銀行兌換錢幣，經(jīng)常出國(guó)的寶寶們都兌換過(guò)外幣，你可以拿人民的幣兌換成刀樂(lè)，也可以用刀樂(lè)兌換成人民的幣，銀行就是個(gè)“錢幣轉(zhuǎn)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(gè)池子里，這個(gè)本錢就是“媒介”，有了本錢，你就可以拿人民幣扔進(jìn)池子，再?gòu)某刈永锬米吣闼枰牡稑?lè)或歐元等等，這樣轉(zhuǎn)換一下，池子里的本錢多少不會(huì)變，但銀行會(huì)收取一些手續(xù)費(fèi)，這就是你轉(zhuǎn)換過(guò)程中的“損耗”。電機(jī)作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，同樣首先要有一些“本錢”，這個(gè)本錢就是磁場(chǎng)的能量。電機(jī)要想工作，首先要在電機(jī)的氣隙里建立一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)就相當(dāng)于那個(gè)“池子”，磁場(chǎng)里儲(chǔ)存著能量就是本錢。有了這個(gè)磁場(chǎng)儲(chǔ)能的本錢，就可以通過(guò)線圈向磁場(chǎng)池子里輸入電能，同時(shí)從軸上取走機(jī)械能，這就是電動(dòng)機(jī)；也可以從軸上輸入機(jī)械能，同時(shí)從線圈取走電能，這就是發(fā)電機(jī)；還可以從一個(gè)線圈輸入電能，同時(shí)從另一個(gè)線圈再取走電能，有的寶寶會(huì)說(shuō)，把電能轉(zhuǎn)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(huì)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(shuō)變壓器也是一種電機(jī)！說(shuō)完“轉(zhuǎn)換裝置”和“媒介”再說(shuō)說(shuō)“以電磁理論為基礎(chǔ)”是怎么回事，銀行兌換錢除了要有本錢，還需要有兌換規(guī)則、外匯牌價(jià)等等游戲規(guī)則，這就是兌換的“理論基礎(chǔ)”。同樣，電機(jī)轉(zhuǎn)換能量也需要有一系列的“轉(zhuǎn)換規(guī)則”，這一系列轉(zhuǎn)換規(guī)則就是能量轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)。電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換所依據(jù)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(yīng)定律、安培環(huán)路定律、楞次定律、電流的磁效應(yīng)、通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力等理論。

解釋了什么是電機(jī)，接下來(lái)就說(shuō)說(shuō)永磁電機(jī)是個(gè)神馬鬼。永磁電機(jī)就是用永磁體建立氣隙磁場(chǎng)的電機(jī)。前面說(shuō)了，電機(jī)要想工作，離不開(kāi)磁場(chǎng)這個(gè)“媒介”，那么一開(kāi)始的磁場(chǎng)是怎么來(lái)的？前面的瞎想中老師說(shuō)過(guò)，所有的磁場(chǎng)都是由電流產(chǎn)生的，我們可以用一個(gè)線圈，給它通電后就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，我們稱這種勵(lì)磁方式為電勵(lì)磁，用電磁鐵勵(lì)磁的電機(jī)是有勵(lì)磁損耗的，因?yàn)殡娏鲿?huì)在線圈里發(fā)熱；也可以用一個(gè)天然的“磁石”建立磁場(chǎng)，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(fā)展，現(xiàn)在都采用人造的永磁體作為永磁電機(jī)的勵(lì)磁。研究表明永磁體的磁場(chǎng)也是電流產(chǎn)生的，只不過(guò)用于產(chǎn)生永磁磁場(chǎng)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(lì)磁的電機(jī)理論上是沒(méi)有勵(lì)磁損耗的，但因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)行時(shí)永磁體里會(huì)有一些渦流，也會(huì)產(chǎn)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(lái)的股份錢，這就是電磁鐵，這些股東們要分紅的，所以是有“勵(lì)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(chǎn)，這就是永磁鐵，因?yàn)槔献孀谝严墒臢年，就不需要再給他分紅了，所以理論上是沒(méi)有“勵(lì)磁損耗”的，當(dāng)然逢年過(guò)節(jié)給老祖宗燒個(gè)紙還是必要的，因此實(shí)際上會(huì)有些少量的雜散消費(fèi)。事實(shí)上，天然磁石就是上天賜給我們的一筆大遺產(chǎn)！

說(shuō)了這么大半天，總結(jié)一下：永磁電機(jī)就是永磁體勵(lì)磁的電機(jī)！它與電勵(lì)磁的電機(jī)比有什么不同和特點(diǎn)呢？接著往下看！

2 永磁電機(jī)的特點(diǎn)

除了上面說(shuō)到的永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁損耗外，永磁電機(jī)還有以下一些特點(diǎn)：

2.1 由于永磁電機(jī)不用通勵(lì)磁電流，所以大多永磁電機(jī)都把永磁體放在轉(zhuǎn)子上，這樣就可以省去滑環(huán)電刷等滑動(dòng)電接觸部件，可靠性較高。當(dāng)然也有例外，傳統(tǒng)的永磁直流電機(jī)就是個(gè)例外，這是這種電機(jī)原理所決定的。

2.2 由于永磁電機(jī)的勵(lì)磁是由永磁體“自帶”的，一旦永磁電機(jī)制造完成，里面的磁場(chǎng)就是固有的，運(yùn)行中無(wú)法對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，如果電機(jī)性能不滿足要求，只能推倒重來(lái)，這也要求永磁電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)就要準(zhǔn)確計(jì)算，否則就要進(jìn)行多輪樣機(jī)試制驗(yàn)證，造成大量浪費(fèi)。事實(shí)上在早期沒(méi)有功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)軟件之前，只能通過(guò)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行多輪驗(yàn)證才能得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。這也反映出永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)門(mén)檻很高，現(xiàn)在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)軟件的依賴性更強(qiáng)。當(dāng)然隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，有些場(chǎng)合即使電機(jī)設(shè)計(jì)不太完美，可以通過(guò)變頻器進(jìn)行電樞控制來(lái)得以補(bǔ)償和掩蓋。

2.3 電勵(lì)磁的電機(jī)是用線圈繞到一個(gè)鐵心上產(chǎn)生磁場(chǎng)，鐵心的導(dǎo)磁性能非常好，即磁導(dǎo)率很大，因此如果用另外一個(gè)線圈再給它加強(qiáng)磁場(chǎng)（助磁）或削弱它原來(lái)的磁場(chǎng)（弱磁）都是比較容易的；而永磁體就不然了，永磁體本身的導(dǎo)磁性能并不咋地，與空氣差不多，屬于非導(dǎo)磁材料，它相當(dāng)于一個(gè)分子電流環(huán)繞在空氣上，或把它看做一個(gè)永不停歇的分子電流環(huán)繞在一個(gè)塑料骨架上。正因如此，永磁體一旦充好磁是很難通過(guò)其它的外磁場(chǎng)再對(duì)它助磁和弱磁的；也正因如此，永磁體一旦充好磁，想通過(guò)反方向磁場(chǎng)給它退磁也是很困難的，因此寶寶們擔(dān)心的永磁電機(jī)退磁問(wèn)題并沒(méi)有想象的那么可怕，只要設(shè)計(jì)合理運(yùn)行規(guī)范，永磁電機(jī)是完全可以保證可靠運(yùn)行的。當(dāng)然為了防止萬(wàn)一，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)還是要必須校核所有的退磁風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 正因永磁體本身的導(dǎo)磁性能相當(dāng)于空氣，所以穿過(guò)具有永磁體形成磁路，就相當(dāng)于穿過(guò)了一個(gè)很大的氣隙，磁阻是非常大的，因此永磁電機(jī)直軸（d軸）的電感很小，比電勵(lì)磁電機(jī)的直軸電感小很多倍。

2.5 永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，但總起來(lái)可以分為兩大類，一類叫表貼式；一類叫內(nèi)嵌式，如下圖所示。其中（a）為表貼式，（b）（c）均屬于內(nèi)嵌式。

表貼式的磁路由于直軸和交軸磁路都需要穿過(guò)磁鋼或空氣隙，磁阻都很大，且直軸交軸磁阻基本相當(dāng)，因此直軸和交軸電感也基本相等；對(duì)于內(nèi)嵌式的磁路就不同了，由于直軸磁路需要穿過(guò)磁鋼，磁阻很大，所以直軸電感很小，而交軸不需要穿過(guò)磁鋼，只通過(guò)鐵磁材料，所以交軸磁阻很小，交軸電感很大。內(nèi)嵌式永磁電機(jī)這種交軸電感大于直軸電感的特性是區(qū)別于電勵(lì)磁電機(jī)的最大特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)、控制、運(yùn)行方面必須要根據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)行專門(mén)的考慮，以充分利用這一特點(diǎn)揚(yáng)長(zhǎng)避短，達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)解決方案。關(guān)于這一點(diǎn)，后續(xù)會(huì)專門(mén)講解。

2.6 正因永磁電機(jī)弱磁困難，這對(duì)永磁電機(jī)的弱磁增速控制提出了一個(gè)不小的難題，加之一旦永磁電機(jī)制造完成，其固有參數(shù)和特性是無(wú)法通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)來(lái)改變，因此需要在電機(jī)設(shè)計(jì)和控制器（變頻器）設(shè)計(jì)以及控制策略方面統(tǒng)籌考慮，進(jìn)行統(tǒng)一聯(lián)合設(shè)計(jì)才能達(dá)到最佳的匹配和最優(yōu)的性能。

2.7 永磁體一旦充好磁，其勵(lì)磁磁勢(shì)就是固定的，這個(gè)勵(lì)磁磁勢(shì)就是永磁體的矯頑力，把它裝到電機(jī)上后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的空載氣隙磁場(chǎng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)在電樞繞組中產(chǎn)生一個(gè)恒定的空載反電勢(shì)E0，無(wú)論電機(jī)在什么狀態(tài)下運(yùn)行，這個(gè)空載反電勢(shì)E0都認(rèn)為是固定不變的，這也是永磁電機(jī)不同于其它電機(jī)最突出的特點(diǎn)之一。

2.8 永磁電機(jī)在充好磁的情況下裝配，由于強(qiáng)大的磁力影響，在制造過(guò)程中需要有專門(mén)的工藝工裝來(lái)保證。由于永磁電機(jī)停機(jī)時(shí)仍存在氣隙磁場(chǎng)，這給更換軸承等維修工作也帶來(lái)不便，需要設(shè)計(jì)時(shí)專門(mén)考慮。

以上是永磁電機(jī)的主要特點(diǎn)，除此之外還有永磁電機(jī)效率高、體積小、重量輕、功率因數(shù)高、可以方便做成多極低速等特點(diǎn)。

說(shuō)了這么多再總結(jié)一下，永磁電機(jī)的突出特點(diǎn)就是“三不”：不變——空載反電勢(shì)E0不變；不等——內(nèi)嵌式永磁電機(jī)交直軸電感不等，Lq＞Ld；不易——不易弱磁。以上“三不”導(dǎo)致了永磁電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)門(mén)檻很高，大多寶寶懵圈！