永磁电机的过去和未来

如今,永磁电机日益主导电机市场。这种趋势并非偶然—无刷永磁电机继续快速增长,预计将在未来许多年保持这一势头。尽管电动机发明于一个多世纪前,但永磁电机直到高性能磁性材料开发后才真正实用。

早期的永磁电机依赖于简单的条形磁铁。不幸的是,这些磁铁质量差,不适合工业应用。这一限制促使发明者尝试不同尺寸、形状、结构和材料的磁铁,最终生产出现代电机中使用的强大而紧凑的永磁体。

永磁体:第一台电动机

最早的旋转电机—后来称为电动机—是基于永磁体的。然而,这些早期的机器与现代电动机有很大不同。迈克尔·法拉第（Michael Faraday）是该领域的先驱之一,他制造了被广泛认为是第一台电动机。法拉第借鉴汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现电流会产生磁场,以及威廉·沃拉斯顿对载流导线的实验,建造了一个将电能转化为旋转机械运动的实验室装置。

他的电机使用固定和旋转的永磁体、导线、水银浴和电池。当电流流过电路时,产生的电磁场与永磁体相互作用,产生扭矩和旋转运动。

继法拉第的发明之后,其他创新者也改进了电机设计。1822 年,彼得·巴洛 “Peter Barlow” 推出了 巴洛轮,这是一种旋转装置,当施加电压时,轮子的辐条会浸入水银中以产生运动。

电磁体:电机发展的转折点

尽管永磁电机很早就被使用,但它很快在高功率应用中暴露出严重的局限性。19 世纪,工程师们认识到电磁铁具有更大的控制力和功率密度。英国发明家威廉·斯特金于1825年发明了第一台电磁铁,为电磁电机奠定了基础。

1827 年,匈牙利发明家 Ányos Jedlik 使用电磁铁和换向器制造了一种早期的旋转电机。后来,1834 年,莫里茨·赫尔曼·雅各比（Moritz Hermann Jacobi）推出了第一台实用的电磁直流电机,能够提升负载并产生可测量的机械功率。雅各比本人承认,他的作品建立在博托和达尔·内格罗早期的发明之上。

19 世纪末,电磁直流电机得到广泛使用,当时直流电是主要动力源。1889 年,尼古拉·特斯拉发明了交流感应电机,这一主导地位受到了挑战。交流电机具有由定子和转子组成的更简单的结构,并依赖于多相交流产生的旋转磁场。虽然交流电机结构简单,但早期的控制限制使得直流电机在工业应用中仍然流行了几十年。

永磁电机的回归

直到20世纪初,永磁材料主要限于天然存在的磁铁矿。随着碳钢、钴钢和钨钢等新型磁性合金的发现,取得了重大进展。然而,这些材料仍然缺乏足够的磁强度。

20 世纪 30 年代,铝镍钴磁铁的发展取得了重大突破。铝镍钴磁铁主要由铝、镍、钴和铁组成,采用先进的冶金技术生产,比早期材料坚固得多。20世纪50年代,铁氧体永磁体出现并被广泛应用于小型家用电器。

下一个重大飞跃发生在 20 世纪 60 年代,当时稀土钴磁铁发明,随后是 20 世纪 80 年代钕–铁–硼（NdFeB）磁铁的发明。这些材料提供了前所未有的磁能密度,实现了紧凑、高效的电机设计。在电力电子和电子换向技术的进步的支持下,无刷直流永磁电机于 20 世纪 70 年代开始实现商业可行性。

未来:纳米复合永磁体

随着新兴应用的需求持续增长,永磁电机的未来仍然充满希望。最令人兴奋的发展之一是纳米复合永磁体的进步。这些工程磁性材料—有时称为超材料—在纳米尺度上结合硬磁相和软磁相,以实现卓越的磁性能。

目前,纳米复合磁体应用于生物医学、数据存储、磁分离、传感器、催化剂和颜料等领域。随着材料科学的不断进步,这些下一代磁体可能在高性能永磁电机的未来发展中发挥关键作用。