原创 稀土永磁电机的现状与趋势

稀土永磁电机的现状与趋势

1 引言     
    
    电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生，既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动，例如普通的直流电机和同步电机；另一种是由永磁体来产生磁场，既可简化电机结构，又可节约能量，这就是永磁电机。www.winnermotor.com  

2 永磁电机的发展概况    
    
    永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家，两千多年前，我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为我国古代四大发明之一。  
   
    19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。www.winnermotor.com 
     
    随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢（最大磁能积约 2.7 kJ/m3）、钴钢（最大磁能积约7.2 kJ/m3）等多种永磁材料。特别是20世纪 30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85 kJ/m3）和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积现可达40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36～160 kA/m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。
    
    稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段。1967年美国K.J.Strnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可表示成RCo5，简称1:5型稀土永磁，产品的最大磁能积超过199 kJ/m3(25MG·Oe)。1973年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为R2Co17，，简称2:17型稀土永磁，产品的最大磁能积达到258.6 kJ/m3(32. 5MG·Oe)。1983年日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼（NdFeB）永磁，称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物质——钴，因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。 www.winnermotor.com        
       
   与此相对应，稀土永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段。
     
   第一阶段：20世纪60年代后期和70年代，由于稀土钴永磁价格昂贵，研究开发重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。   
  
   第二阶段：20世纪80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来替代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。www.winnermotor.com 
     
    第三阶段：进入20世纪90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等各个方面获得越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开发进入一个新阶段。一方面，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方向发展。
   
    目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1 000 kW，最高转速已超过300 000 r/min，最低转速低于0.01 r/min，最小电机外径只有0.8 mm，长1.2 mm。另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件。
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    我国的稀土资源丰富，稀土不稀，号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。

3 永磁电机的主要特点和应用       
    与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用场合。
 
    3.1 稀土永磁发电机 
       
    永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的150 kVA 14 极 12 000 r/min～21 000 r/min和100 kVA 60 000 r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3 kW 20 000 r/min的永磁发电机。       
     
    永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机，80年代我国研制成功当时世界容量最大的40 kVA～160 kVA稀土永磁副励磁机，配备200 MW～600 MW汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。      
    目前，独立电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步推广。
  
    3.2 高效永磁同步电动机
      
永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可达到1，甚至容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，效率比同规格感应电动机可提高2～8个百分点。而且，永磁同步电动机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电机一般都在转子上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力。目前主要应用在油田、纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机水泵等领域。        
    我国自主开发的高效高起动转矩钕铁硼永磁同步电动机在油田应用中可以解决“大马拉小车”问题，起动转矩比感应电动机大50%～100%，可以替代大一个机座号的感应电动机，节电率在20%左右。欢迎访问autooo.net 纺织化纤行业中负载转动惯量大，要求高牵入转矩。合理设计永磁同步电动机的空载漏磁系数、凸极比、转子电阻、永磁体尺寸和定子绕组匝数可以提高永磁电机的牵入性能，促使它应用于新型的纺织和化纤工业。www.winnermotor.com         
   
    大型电站、矿山、石油、化工等行业所用几百千瓦和兆瓦级风机、泵类用电机是耗能大户，而目前所用电机的效率和功率因数较低，改用钕铁硼永磁后不仅提高了效率和功率因数，节约能源，且为无刷结构，提高了运行的可靠性。目前1 120kW永磁同步电动机是世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机，效率高于96.5%（同规格电机效率为95%），功率因数0.94，可以替代比它大1～2 个功率等级的普通电动机。

   3.3 交流伺服永磁电动机和无刷直流永磁电动机 
       
    现在越来越多地用变频电源和交流电动机组成交流调速系统来替代直流电动机调速系统。在交流电动机中，永磁同步电机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系，使得它可直接用于开环的变频调速系统。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不设置起动绕组，而且省去了电刷和换向器，维护方便。
        
    变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁电动机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，主要应用于高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备等。
       
    现已研制成宽调速范围、高恒功率调速比的钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统，调速比高达1：22 500，极限转速达到9 000 r/min。永磁同步电动机高效、小振动、低噪声、高转矩密度的特点在电动车、机床等驱动装置中是最理想的电动机。
       
    随着人民生活水平的不断提高，对家用电器的要求越来越高。例如家用空调器，既是耗电大件，又是噪声的主要来源，其发展趋势是使用能无级调速的永磁无刷直流电动机。它既能根据室温的变化，自动调整到适宜的转速下长时间运转，减少噪声和振动，使人的感觉更为舒适，还比不调速的空调器节电1/3。其他如电冰箱、洗衣机、除尘器、风扇等也在逐步改用无刷直流电动机。

    3.4 永磁直流电动机
        
    直流电动机采用永磁励磁后，既保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性，还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少、效率高等特点。因而从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动机。500 W 以下的微型直流电动机中，永磁电机占92%，而10 W以下的永磁电机占99%以上。    

    目前，我国汽车行业发展迅速，汽车工业是永磁电机的最大用户，电机是汽车的关键部件，一辆超豪华轿车中，各种不同用途的电机达70余台，其中绝大部分是低压永磁直流微电机。汽车、摩托车用起动机电动机，采用钕铁硼永磁并采用减速行星齿轮后，可使起动机电动机的质量减轻一半。

    3.5 几种新型结构的永磁电机 www.winnermotor.com 

        3.5.1 无铁心钕铁硼永磁电机 
      
    利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性不用或少用硅钢片，制成无铁心电机，质量大大减轻。无铁心永磁电机采用聚磁型结构和正余弦充磁，所产生的磁场呈正弦分布，因此可以不斜槽，可以采用集中绕组，便于AC控制。绕组端部短，损耗小，转矩密度高，振动噪声显著降低。应用在汽车方向盘驱动、机器人、电梯及DVD的驱动等许多方面。
 
        3.5.2 横向磁通钕铁硼永磁电机 
      
    为了解决安放线圈的槽的宽度与磁通流经的齿部的宽度之间的矛盾，提高电机的功率密度和转矩密度，人们不断探索新的磁路结构欢迎访问autooo.net ，出现了横向磁通电机（Transverse Flux Machine）结构思想。这种电机定子齿槽结构和电枢线圈在空间上相互垂直，主磁通沿电机轴向流通，电流和磁负荷在空间上不存在竞争，因而定子尺寸和通电线圈的大小相互独立，在一定范围内可以任意选取，提高了功率密度。目前国际上对这种结构电机的研发刚刚起步，有广阔的发展前景。
   
    3.6 永磁特种电机
      
     控制电机和特种电机的种类很多，其共同的发展趋势之一是永磁化，以高性能的永磁体励磁逐步取代电励磁。
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     由于稀土永磁具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点，可以容许所制成的电机具有较大的气隙长度和气隙密度，因而在永磁体安放和磁路结构设计上有很大灵活性，可以根据使用场合，特别是汽车、计算机和航天工程的需要，制成与传统电机不同的结构形状和尺寸，例如盘式电机、无槽电机等。这既可以进一步减少电机的质量和转动惯量，提高电机的反应灵敏度；又可以减少电机转矩的脉动，增加运行的平稳性；还可以简化电机的结构和工艺。因而在计算机外围设备、办公设备和要求精度定位控制的场合得到广泛应用。
      
     计算机磁盘驱动器中用以驱动读写磁头作往复运动的动圈式直线电动机 ——音圈电动机需要高性能磁体，以保证足够的灵敏度，缩小体积和减轻质量。钕铁硼永磁正好能满足这一要求。20世纪60年代采用铁氧体永磁研制的是14 in 磁盘驱动器用音圈电动机。自采用钕铁硼永磁后，驱动器尺寸不断缩小，存取时间明显减少，存储容量增加。1984年磁盘驱动器缩小到以5.25 in盘为主；进入 20世纪90年代，3.5 in磁盘驱动器迅速增长，成为主体。今后几年内2.5 in和 1.8 in磁盘驱动器将大为发展。因此，日、美等国钕铁硼永磁销售量的一半左右用于制造音圈电动机。
      
     此外，在步进电动机、开关磁阻电动、低速同步电动机等特种电机中增加钕铁硼永磁励磁后，其技术经济性能、动态响应特性都有明显提高与改进。 www.winnermotor.com

4 永磁电机的研究推动了电机学科的发展 
     
    在永磁电机设计、制造和应用过程中，需要注意对以下几个问题的研究分析。
  
    4.1 磁路结构和设计计算 
      
    为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优异磁性能，制造出性价比高的永磁电机，就不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构。随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术等现代化设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的共同努力，现已在永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面取得了突破性进展，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助分析、设计软件，并正在不断完善中。www.winnermotor.com  
    4.2 控制问题       
    永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。这些使永磁电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁电机在崭新的工况下运行。  
    4.3 不可逆退磁问题       
    如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既要研究开发适于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时，采用相应措施保证永磁电机不失磁。www.winnermotor.com 
    4.4 成本问题       
    铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。在某些场合，例如计算机磁盘驱动器的音圈电动机，采用钕铁硼永磁后性能提高，体积质量显著减小，总成本反而降低。在设计时既需根据具体使用场合和要求，进行性能、价格的比较后决定取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化以降低成本。
  
5 稀土永磁电机的发展趋势 
       
    我国稀土资源丰富，稀土矿的储藏量居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对加快实现我国全面进入小康社会具有重要的意义。        
    稀土永磁电机正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方向发展，不断扩展新的电机品种和应用领域，应用前景非常乐观。为了满足需要，稀土永磁电机的设计和制造工艺尚需不断地进行创新，电磁结构将更为复杂，计算结构将更为精确，制造工艺更为先进适用。这些复杂问题需要应用多学科理论和系统工程进行优化设计，提高性价比，促进电机等学科和行业进一步发展。