稀土永磁电机的应用现状及其发展趋势.doc

稀土永磁电机的应用现状及其发展趋势 电气1101班 110301107 王文博 稀土永磁电机的应用现状及其发展趋势 稀土永磁材料在电机中的应用11 永磁电机的概念在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生磁场。这种方法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。这种方法既可简化电机结构，又可节约能量。由永磁体产生磁场的电机就是永磁电机。12 稀土永磁材料的优势及应用稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场。稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠、体积小、重量轻。它既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能(如高效、高速、高响应速度)，又可以制成能满足特定运行要求的特种电机，如电梯曳引电机、汽车专用电机等。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合能使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平，从而提高所配套的技术装备的性能和水平。这是电机行业调整产业结构的重要发展方向。收稿日期：20o8o40138稀土永磁材料的广泛应用，已深入国民经济的方方面面，其产量与用量已成为衡量一个国家综合国力与国民经济发展水平的重要标志。大力应用新型稀土永磁材料，将我国资源优势转化为产业优势，能带动高新技术产业及相关行业的迅猛发展，给国民经济带来新的增长点。近十多年来，全球烧结钕铁硼产量年平均增长率为25左右。因此，稀土永磁电机是一项市场前景好、应用潜力大的朝阳产业。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。我国稀土资源主要分布在内蒙古包头、江西、四川和山东。世界已探明的稀土储量为6 200万吨(以稀土氧化物REO计)，其中中国稀土资源工业储量为4 800万吨，远景储量达12亿吨，占世界已探明资源的80 ，而且品种全、质量高，为大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。我国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。目前，高档钕铁硼永磁产品N48、45M、44H、39SH、35UH和28EH等都已批量生产。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。中国重型装备HEAVY MACHINERY SCIENCE AND TECHN0L0GYNo4December 20082 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，我国就利用永磁材料的磁特性制成了指南针。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(Fe O )，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久就被电励磁电机所取代。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27 kJm )、钴钢(最大磁能积约72 kJm )等多种永磁材料。20世纪30年代出现的铝镍钴永磁(最大磁能积可达85 kJm )和50年代出现的铁氧体永磁(最大磁能积现可达40 kJ!m )在磁性能上有了很大提高。随着各种微型和小型电机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都得到广泛应用，产量急剧增加。在20世纪60年代和8O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，从此永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。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，纷纷投人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，以求能有新的更大的突破。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开始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未替代，而且可以实现传统的电励磁电机难以达到的高性能。3 稀土永磁电机的主要结构特点和应用领域与传统的电励磁电机相比，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、电机的形状和尺寸灵活多样等显著优点。因此稀土永磁电机的应用范围极为广泛，遍及航空、航天、国防、装备制造、工农业生产和Et常生活的各个领域。它包括永磁同步电动机、永磁发电机、直流电动机、无刷直流电动机、交流永磁伺服电动机、永磁直线电机、特种永磁电机及相关的控制系统。种类几乎覆盖了整个电机行业。31 稀土永磁电机结构简单的特点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，降低了故障率。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速调整到最佳值，提高功率质量比。现代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机。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。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、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，在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的同时，稀土永磁电机的研究开发也进人了一个新阶段，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 rmin，最低转速低于O01 rmin，最小电机外径只有08 mm，长12 mm。32 稀土永磁电机的轻型化特点采用稀土永磁体可以明显减轻电机重量，缩小体积。例如10 kW发电机，常规发电机重量为220 kg，而永磁发电机重量仅为92 kg，相当于常规发电机重量的458。计算机磁盘驱动器在20世纪60年代采用铁氧体尺寸为l4英寸，而采用钕铁硼后只有35英寸，现在己达到25英寸。德国制成的六相变频电源供电的1 095 kW、230rmin稀土永磁电动机，用于舰船的推进，与过去使用的直流电动机相比，体积减少60左右，总损耗降低20左右，并省去了电刷和换向器，维护方便。荷兰飞利浦公司用70 w 微电机作比较，稀土永磁电机体积是电流励磁电机的14，是铁氧体励磁电机的12。33 稀土永磁电机的高性能化特点高性能化也是稀土永磁电机的突出优点，有39No4 中国重型装备Deeember 2008 HEAVY MACHINERY SCIENCE AND TECHNOLOGY些性能是传统标准电机所不能及的。例如，数控机床用稀土永磁伺服电机，调速比高达1：10 000。稀土永磁电机可以实现精密控制驱动，转速控制精度可达到01o。在机械特性方面，稀土永磁电机可以实现低速大转矩运行，可在负载转矩下直接起动。此外，稀土永磁电机还具有运行精度高(如计算机硬盘驱动器的摆动电机端面与磁盘之间的跳动量要求达到01 I-L03 )、运行噪声小、平稳性好、过载能力大等特点。34 稀土永磁电机的高效节能特点稀土永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10以上，专用稀土永磁电机的节电率可高达15 20。美国GM公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，不仅重量由原来的621 kg降低到42 kg，体积减少了13，而且效率提高了45。在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，异步变频调速可节电25左右，而永磁变频调速节电率高达30 以上。电机节能是一项系统工程，应该从多个方面寻求降低电能消耗的方法。系统输入功率包括配电电源、电动机的控制、电动机自身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。国际电机节能的先进水平是风机、水泵自身运行效率一般在85以上，系统运行效率在80左右。而目前我国国产设备的本体设计效率为75 ，系统运行效率不到30 ，电源浪费十分严重。这种状况目前尚未改变。电动机的节能有两个方法。一个是改进异步电动机的结构，提高其效率和其他性能。另一个是发展永磁同步电动机，可以取得更高的节电效果。4 稀土永磁电机的开发和应用实例当前稀土永磁电机的开发和应用进入了一个新阶段。一方面，原有研发成果在国防、工农业和日常生活等领域已大量应用；另一方面，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，以扩展新的电机品种和应用领域。近年来，运用现代设计方法完善和发展了稀土永磁电机的设计理论、磁路结构、计算方法、检测技术和制造工艺，并在此基础上建立了工程实用的电磁设计计算程序和计算机辅助计算软件包，其中包括电磁场分析计算、电感参数计算、动态性能仿真和优化设计。在钕铁硼永磁电机防失磁的关键技术问题上40有所突破。钕铁硼永磁在高温情况下退磁曲线不能保证是直线，永磁同步电动机在起动、刹车或故障情况下电流激增，有可能发生不可逆退磁。在最大电流时永磁体的工作点必须设计在高于最大工作温度时退磁曲线的膝点。用传统的计算方法计算的最大退磁工作点是平均值，可采用有限元法计算最大退磁情况下各局部的工作点。开发出性能价格比高的新样机。抽油机用永磁电机具有高起动转矩，在实际应用中可替代比它大两个功率等级的异步电动机，节电率大于20。1 120 kw 永磁同步电动机是目前世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机，效率高于965(同规格电机效率为95)，功率因数094，可替代比它大12个功率等级的普通电动机。改造JS1384旧异步电动机转子而成的300kW永磁电机，效率为947 ，功率因数为0966，与改制前相比，有功节电率为72。超高效永磁同步电动机的效率比美国计划在2007年生产的高效电动机的效率高2 4 ，而且小一个机座号。随着永磁材料的迅速发展，电力电子和控制技术的进步，稀土永磁电机将越来越多地替代传统电机，应用前景非常的乐观。国外提高电动机效率的主要途径是：(1)通过对异步电动机的优化设计，增加铜、铝、电工钢板等有效材料用量，降低绕组损耗和铁耗；(2)采用较好的磁性材料和工艺，以降低铁耗；(3)合理设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗；(4)通过改进设计和工艺，降低杂散损耗。国外已开发出高效异步电机。美国提出将电动机推至极限，于2007年生产超高效电动机。据有关资料介绍，160M 一4 11 kW 电机的Y 系列效率为88，高效电机为918 ，超高效电机924。我国沈阳工业大学开发的超高效稀土永磁电机效率为947 。欧美等工业发达国家把提高电动机效率重点放在异步电动机上。英国三相异步电动机的用电量占电动机总用电量的86，美国和欧盟37 kW 以下的电动机台数占总装机台数的95。5 几种新型结构的永磁电机51 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的无铁心电机质量明显减轻。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，中国重型装备HEAVY MACHINERY SCIENCE AND TECHNOL0GYNo4December 2008采用集中绕组，便于ac控制。这种电机绕组端部短、损耗小、转矩密度高，振动噪声明显降低。主要应用在汽车方向盘驱动、机器人等方面。52 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，经过不断探索新的磁路结构，出现了横向磁通电机结构的设想。这种电机的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冲突。因此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。53 永磁特种电机特种电机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。稀土永磁高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点使所制成的电机具有较大的气隙长度和气隙密度，因而在永磁体安装和磁路结构设计上有很大灵活性。可以根据具体的使用场合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。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了广泛应用。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，并要求缩小体积和减轻质量。钕铁硼永磁正好能满足这一要求。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。54 交流伺服永磁电动机和无刷直流永磁电动机现在，越来越多的变频电源和交流电动机组成的交流调速系统替代了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，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，并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。其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、数控机床、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。永磁同步电动机高效、小振动、低噪声、高转矩密度的特点适用于电动车、机床等驱动装置。另外，家用空调器的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合适的转速下长时间运转，减少噪声和振动，还比不调速的空调器节电13。其他家用电器也在逐步改用无刷直流电动机。55 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，还可省去励磁绕组和励磁损耗，具有了结构工艺简单、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。目前，我国发展迅速的汽车工业成为永磁电机的最大用户。一辆汽车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在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。6 稀土永磁电机的发展趋势当前，我国高性能的稀土永磁材料已实现产业化，钕铁硼的产量已居世界第一位，钕铁硼的价格也趋向合理。统计资料表明，中小型永磁同步电动机的效率可提高5 ，节电率达10，某些专用永磁同步电机节电可达15 20。所以发展永磁同步电动机是21世纪电机工业技术发展趋势之一，而稀土永磁电机的发展趋势有以下几方面：(1)向机电一体化方向发展。高性能稀土永磁电机是实现机电一体化的基础。如，数控机床用伺服电机，计算机用VCM音圈电机等。变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。(2)向高性能方向发展。现代化装备向电机工业提出各种各样的高性能要求。如军事装备用高性能信号电机，移动电站、自动化装备用伺服系统及电机，航空航天用高性能、高可靠性永磁电机，化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机，数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁41No4 中国重型装备December 2o08 HEAVY MACHINERY SCIENCE AND TECHN0L0GY伺服电机及计算机用高精度摆动电机及主轴电机，等等。(3)向专用电机方向发展。专用电机是根据不同负载特性而专门没计的。如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20。电机工作者在研究电机本身的同时还应研究电机所驱动负载的特性，设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁专用电机产品。(4)向轻型化方向发展。航空航天产品、电动车辆、数控机床、计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品等都对电机提出体积小、重量轻的要求。有些还对电机产品形状提出要求，如信息产品需要扁平化电机等。汽车配套电机的发展方向是轻型化、节能。汽车配套的电机主要有汽车起动电机、汽车发电机、刮水器用驱动电机、油泵电机等。今后，随着汽车电子化、自动化水平的提高，将越来越多地采用微电机。如速度控制器、空调器、车窗电动控制、后视镜电动控制、车用音响电机、座位自动调整用电机等。现在汽车配套电机中铁氧体永磁电机占多数。稀土永磁电机是今后汽车电机的发展方向，特别是稀土永磁无刷直流电机越来越受到汽车行业的重视。7 结语目前，我国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。目前，稀土永磁电机正向大功率化(高转速、高转