科学瞎想系列之七十八 永磁电机

 

1 永磁电机是个神马鬼
      电机是一种以磁场为媒介、以电磁理论为基础的能量转换装置。知道宝宝们基础差,说这些专业术语不大好理解,老师就给宝宝们打个比方来解释一下上面这句话。先说什么是能量转换装置,这就像银行兑换钱币,经常出国的宝宝们都兑换过外币,你可以拿人民的币兑换成刀乐,也可以用刀乐兑换成人民的币,银行就是个“钱币转换装置”。银行要兑换钱币必须首先要有本金,就是先要有一笔钱放到一个池子里,这个本钱就是“媒介”,有了本钱,你就可以拿人民币扔进池子,再从池子里拿走你所需要的刀乐或欧元等等,这样转换一下,池子里的本钱多少不会变,但银行会收取一些手续费,这就是你转换过程中的“损耗”。电机作为一种能量转换装置,同样首先要有一些“本钱”,这个本钱就是磁场的能量。电机要想工作,首先要在电机的气隙里建立一个磁场,这个磁场就相当于那个“池子”,磁场里储存着能量就是本钱。有了这个磁场储能的本钱,就可以通过线圈向磁场池子里输入电能,同时从轴上取走机械能,这就是电动机;也可以从轴上输入机械能,同时从线圈取走电能,这就是发电机;还可以从一个线圈输入电能,同时从另一个线圈再取走电能,有的宝宝会说,把电能转换成电能这不是吃多了撑的吗?不是,输入的电能可能是高压电能,高压电能直接用会电死宝宝,必须换成低压电能宝宝们才可以安全使用,所以需要电能“兑换”成电能,这就是变压器,就像你在银行除了兑换外币也可以拿大面值的人民币兑换成零钱一样。所以说变压器也是一种电机!说完“转换装置”和“媒介”再说说“以电磁理论为基础”是怎么回事,银行兑换钱除了要有本钱,还需要有兑换规则、外汇牌价等等游戏规则,这就是兑换的“理论基础”。同样,电机转换能量也需要有一系列的“转换规则”,这一系列转换规则就是能量转换的理论基础。电机进行能量转换所依据的就是一系列电磁理论,其核心就是麦克斯韦方程组,包括了法拉第电磁感应定律、安培环路定律、楞次定律、电流的磁效应、通电导体在磁场中受力等理论。
      解释了什么是电机,接下来就说说永磁电机是个神马鬼。永磁电机就是用永磁体建立气隙磁场的电机。前面说了,电机要想工作,离不开磁场这个“媒介”,那么一开始的磁场是怎么来的?前面的瞎想中老师说过,所有的磁场都是由电流产生的,我们可以用一个线圈,给它通电后就会产生磁场,我们称这种励磁方式为电励磁,用电磁铁励磁的电机是有励磁损耗的,因为电流会在线圈里发热;也可以用一个天然的“磁石”建立磁场,这就是永磁铁。早期的永磁材料都是天然磁石,随着科技的发展,现在都采用人造的永磁体作为永磁电机的励磁。研究表明永磁体的磁场也是电流产生的,只不过用于产生永磁磁场的电流是材料天生自带的,称之为“分子电流”,因此用永磁体励磁的电机理论上是没有励磁损耗的,但因为电机运行时永磁体里会有一些涡流,也会产生少许的杂散损耗。再用通俗的例子打比方,就是银行的“本钱”可以是股东们凑起来的股份钱,这就是电磁铁,这些股东们要分红的,所以是有“励磁损耗”的;也可以是不知哪辈子的老祖宗给我们留下的一笔遗产,这就是永磁铁,因为老祖宗已仙逝N年,就不需要再给他分红了,所以理论上是没有“励磁损耗”的,当然逢年过节给老祖宗烧个纸还是必要的,因此实际上会有些少量的杂散消费。事实上,天然磁石就是上天赐给我们的一笔大遗产!

2 永磁电机的特点
      除了上面说到的永磁电机采用永磁体励磁,不会产生励磁损耗外,永磁电机还有以下一些特点:
2.1 由于永磁电机不用通励磁电流,所以大多永磁电机都把永磁体放在转子上,这样就可以省去滑环电刷等滑动电接触部件,可靠性较高。当然也有例外,传统的永磁直流电机就是个例外,这是这种电机原理所决定的。
2.2 由于永磁电机的励磁是由永磁体“自带”的,一旦永磁电机制造完成,里面的磁场就是固有的,运行中无法对电机的励磁进行调节和控制,如果电机性能不满足要求,只能推倒重来,这也要求永磁电机在设计时就要准确计算,否则就要进行多轮样机试制验证,造成大量浪费。事实上在早期没有功能强大的设计软件之前,只能通过实物样机进行多轮验证才能得到优化的设计方案。这也反映出永磁电机设计的技术门槛很高,现在永磁电机设计对软件的依赖性更强。当然随着电力电子技术的飞速发展,有些场合即使电机设计不太完美,可以通过变频器进行电枢控制来得以补偿和掩盖。
2.3 电励磁的电机是用线圈绕到一个铁心上产生磁场,铁心的导磁性能非常好,即磁导率很大,因此如果用另外一个线圈再给它加强磁场(助磁)或削弱它原来的磁场(弱磁)都是比较容易的;而永磁体就不然了,永磁体本身的导磁性能并不咋地,与空气差不多,属于非导磁材料,它相当于一个分子电流环绕在空气上,或把它看做一个永不停歇的分子电流环绕在一个塑料骨架上。正因如此,永磁体一旦充好磁是很难通过其它的外磁场再对它助磁和弱磁的;也正因如此,永磁体一旦充好磁,想通过反方向磁场给它退磁也是很困难的,因此宝宝们担心的永磁电机退磁问题并没有想象的那么可怕,只要设计合理运行规范,永磁电机是完全可以保证可靠运行的。当然为了防止万一,电机设计时还是要必须校核所有的退磁风险。
2.4 正因永磁体本身的导磁性能相当于空气,所以穿过具有永磁体形成磁路,就相当于穿过了一个很大的气隙,磁阻是非常大的,因此永磁电机直轴(d轴)的电感很小,比电励磁电机的直轴电感小很多倍。
2.5 永磁电机的磁路结构千变万化,但总起来可以分为两大类,一类叫表贴式;一类叫内嵌式,如下图所示。其中(a)为表贴式,(b)(c)均属于内嵌式。