永磁电机的前生今世和未来?

点击: 日期:2021-5-4 字体大小:14px 12px
永磁电机的前生今世和未来?

电磁直流电机在1880年代首次普及,当时直流电是主要动力,而当尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在1889年发明电磁交流电机时,其用途将发生根本改变。交流电机仅由固定的定子和转子两部分组成,比电磁直流电机更简单。


固定的定子提供了旋转的电磁场,而连接到输出轴的转子通过旋转的磁场得到了转矩。磁场是由两个或多个彼此不同步的交流电产生的,被称为多相系统。特斯拉的交流电机提供了简单性,但它具有可控制性和可操作性问题,使直流电机无法保持稳定存在在工业上应用了数十年。随着高能量永磁体的发展即将到来,永磁电机的春天正在接近。


永磁电机的回归


直到二十世纪,永磁材料仅限于天然存在的磁铁矿,通常称为磁铁矿。在本世纪初,在发现新型磁性材料(例如碳,钴和钨钢)时,世界看到了可以说是一种复兴。但是,这些第一批新的磁性材料的质量仍然很低。直到Alinco磁铁的发展,世界上才有可以用于许多应用的高品质磁铁,并为永磁电机的回归还打开了大门。


永磁体:第一台电机


旋转电机(后来称为电机)最早发明者在设计中使用了永磁体,但是与我们今天所认识的电机比较,这些“机器”其实不是电机。迈克尔·法拉第(Michael Faraday)是新兴的电力和电磁学领域的最早的实验者之一,他制造了旋转电机,被称为第一台电机。


法拉第运用汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Oersted)的想法“通过电流产生磁场”,以及实验者威廉·沃拉斯顿(William Wollaston)的方法,他利用磁体使载流导线在轴上旋转,法拉第建造了一个实验室模型,将电能转换为机械(旋转)运动。该模型使用固定和旋转的永磁体,并将其导线连接到一碗汞和一个电池上。当电池连接到电线时,电流在电路中流动,产生的电磁场与永磁体相互作用产生扭矩并引起机械运动。


法拉第(Faraday)发明“电机”之后,其他发明者迅速采取了改进措施,使其与我们今天所知的电机更加相似。1882年,彼得·巴洛(Peter Barlow)发明了一种纺车轮子,称为巴洛(Barlow)轮子,当轮子放低直到辐条浸入水银而在接线柱上施加电压时,该轮子引起了机械运动。


电磁体:永磁电机的历史停顿


电机的第一批发明者很早就知道永磁电机就其实际应用而言具有严格的限制, 1882年,电工约翰·厄克特(John Urquhart)在其关于电机的论文中写道:“当电机械在施加大量能量时,建议用电磁体代替永磁体。当装有电磁体代替永磁体时,电机可显着提高功率。而且,电机的尺寸和重量可以大大减小,成本要低得多,并且机器能够将更大的电流转化为机械效应。


英国发明家威廉·斯特金(William Sturgeon)在1825年被认为是第一个电磁体的发明者。几年后,在1827年,匈牙利发明家Istvan(nyos)Jedlik发明了“第一台带有电磁体和换向器的旋转电机。但是第一台实用的电磁直流电机是莫里兹·赫尔曼·雅各比(Moritz Hermann Jacobi)于1834年发明的。雅各比的电机以每秒1英尺的速度举起10到12磅的重物,大约是15瓦的机械功率。有趣的是雅各比在1835年写道:“他不是电磁电机的唯一发明者,他指出了Botto和Dal Negro发明的优先权


电磁直流电机在1880年代首次普及,当时直流电是主要动力,而当尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在1889年发明电磁交流电机时,其用途将发生根本改变。交流电机仅由固定的定子和转子两部分组成,比电磁直流电机更简单。


固定的定子提供了旋转的电磁场,而连接到输出轴的转子通过旋转的磁场得到了转矩。磁场是由两个或多个彼此不同步的交流电产生的,被称为多相系统。特斯拉的交流电机提供了简单性,但它具有可控制性和可操作性问题,使直流电机无法保持稳定存在在工业上应用了数十年。随着高能量永磁体的发展即将到来,永磁电机的春天正在接近。


永磁电机的回归


直到二十世纪,永磁材料仅限于天然存在的磁铁矿,通常称为磁铁矿。在本世纪初,在发现新型磁性材料(例如碳,钴和钨钢)时,世界看到了可以说是一种复兴。但是,这些第一批新的磁性材料的质量仍然很低。直到Alinco磁铁的发展,世界上才有可以用于许多应用的高品质磁铁,并为永磁电机的回归还打开了大门。


在1930年代进行了广泛的研究之后,在铁溶液中大量添加铝,镍和钴会产生通过常规铸锭生产的高效,商业上可行的粉末冶金。它们被称为Alnico磁铁,比任何矿石都强100倍。1950年代,出现了铁氧体永磁体,并用于小型家用电器的电机。在1960年代,当发明了稀土金属(sa)和钴的化合物时,永磁体在电机中的广泛使用又迈出了重要的一步。


这些永磁材料本身很重要,它们被1980年代钕铁硼永磁体的发明所掩盖,其产生的能量更高,并且比稀有的钴更普遍。直到1970年代,才出现了无刷永磁体。直流电机开始在市场上出现,延迟的原因不仅在于高能永磁电机的发展,还在于功率器件和电子控制器的发展,它们可以用电子换向代替机械换向。


未来:纳米复合永磁体


永磁电机的未来是什么?有证据表明,随着它们在新应用中的使用,它们的使用将继续增长。但是,在高能永磁体领域,正在出现新的创新,这些创新之一是纳米复合永磁体。这些磁体是人工构造的磁性结构(称为超材料),其通过制造小于微米的纳米结构硬/软相复合材料产生强永磁体。目前,它们被用于生物医学,磁性存储介质,磁性颗粒分离,传感器,催化剂和颜料。在未来,世界上可能会看到纳米复合磁性材料被用于下一代永磁电机。



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