稀土永磁电机研究现状与发展

稀土永磁电机研究现状与发展摘要：介绍了稀土永磁电机结构特点、国内外应用现状以及技术发展趋势；并着重介绍了代表未来电机发展方向之一的稀土永磁无铁心电机的结构及应用、控制技术以及推广面临的问题。一、引言电机系统用电量约占全国用电量的60%,其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、20.9%、9.4%和6%o电机系统量大面广，节电潜力巨大。据行业协会统计，全国现有各类电机系统总装机容量约7亿kW,运行效率普遍比国外先进水平低1020个百分点，相当于每年浪费电能约1500亿kWh.为此国家发改委在“十大重点节能工程实施意见”中提出:要推广高效节能电动机、稀土永磁电动机;同时推广变频调速、永磁电动机调速等先进电机调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式。并建议在以下领域推广应用稀土永磁电动机和调速系统：电力：用变频、永磁电动机改造风机、水泵系统，重点是20万kW以上火力发电机组。冶金：鼓风机、除尘风机、冷却水泵;加热炉风机、铸造除鳞水泵等设备的变频、永磁电动机调速。机电：研发制造节能型电机、电机系统及配套设备。轻工:注塑机、液压油泵的变频、永磁调速.其他：企业空调和通风、楼宇集中空调的永磁电机系统改造等.二、稀土永磁电机技术发展和应用趋势稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。1 .稀土永磁电机的主要结构特点(1)高效节能稀土永磁电机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公司研制的钦铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，效率提高了45%。在水泵、风机、压缩机采用永磁电机及变频调速技术后可节电率30%以上。(2)轻型化采用稀土永磁体可以明显减轻电机重量，缩小体积。例如10kW发电机，常规发电机重量为220kg,而永磁发电机重量仅为92kg,相当于常规发电机重量的45.8%。(3)高性能化高性能化也是稀土永磁电机的突出优点，有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1:10000。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0.1%。(4)结构简单永磁电机与传统的电机相比,结构简单.采用稀土永磁铁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。2。稀土永磁电机国内外应用现状(1)航天航空领域:美国已研制成驱动航天飞机升降副翼用的12.6kW,9000r/min稀土永磁无刷直流电动机,效率为95%,仅重7.65kg。(2)船舶电力推进领域:高性能舰船一般均采用全电力推进系统。国外在电力推进系统中普遍采用永磁电机作为系统的推进电机。如西门子、ABB和Alstom等都已形成产业.德国西门子已制成了由6相变频电源供电的1095kW、230r/min的稀土永磁同步电动机;俄罗斯最近也试制成功3500kW的大型稀土永磁同步电机。(3)风机水泵行业:主要有油田电力驱动系统、发电厂和钢铁生产企业中，水泵和通风机等机械负载的应用数量最大。这也是永磁稀土电机推广应用主要场合。我国在油井抽油机推广使用稀土永磁同步电机，已形成年产1万台以上的生产能力，在油田运行情况良好，取得了明显的技术经济效益。(4)电梯行业：国外主要电梯制造商大都采用了永磁同步电动机驱动无齿轮曳引机，其效率可高达0。9以上，比交流异步电机+减速箱结构系统节能30%以上,国内三菱电梯、日立电梯和迅达电梯等均采用了该技术。(5)空调行业：永磁同步电机及直流变频驱动技术是未来空调发展的主流，通过改变频率来调节压缩机功率,且电机在低频运转时的效率极高，是实现家电节能的最佳技术途径之一。目前，日本己掌握较先进的180正弦波控制及驱动技术,上海海立与中央研究院合作也已掌握此技术。(6)风电行业:国内湘潭电机厂，已研制成功2台2MW直驱永磁同步风力发电机,已应用于内蒙古卓姿风电场。力德风电与国家稀土永磁电机工程技术研究中心已经设计完成2.0MW直驱永磁风力发电机.3.稀土永磁电机技术发展趋势目前，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。稀土永磁电机的单台容量已超过5000kW,最高转速已超过300000r/niin,最低转速低于0.Olr/min,最小电机外径只有。0。8mm,长1。2mm。(1)向更高效节能和高性能方向发展现代化装备向电机行业提出各种各样的更高效、更高性能要求，如军事装备要求提供各种高性能信号电机，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，数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机，计算机用高精度摆动电机及主轴电机等。(2)向专用电机方向发展电机所驱动的负载千变万化,如全部采用通用型电动机,在某些情况下，技术经济很不合理。因此国外大力发展专用电机，专用电机约占总产量的80%,通用电机占20%.而我国恰恰相反，专用电机只占20%,通用型电机占80%。专用电机是根据不同负载特性专门设计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机,节电率高达20%。这方面的节能潜力很大。应该设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。(3)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、重量轻的严格要求。永磁电动机具有体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置,可通过频率变化进行调速等优点，在许多场合都得以开发应用。三、稀土永磁无铁芯电机稀土永磁无铁芯电机是代表电机行业未来发展方向的一种新型特种电机，采用无铁芯、无刷、无磁阻尼、稀土永磁发电技术,改变了传统电机运用硅钢片与绕线定子结构，结合自主研发的电子智能变频技术，使电机系统效率提高到95%以上。1 .稀土永磁无铁芯电机的结构特点稀土永磁电动机的基本结构是转子为永磁结构，产生气隙磁通，定子为电枢，有多相对称绕组，如下图所示。稀土无铁心无刷电机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能优越的材料制成刚性整体,可以在高温及高速情况下长期稳定运行;由于电枢无铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，消除了由齿槽效应带来的转矩波动，具有优异的控制性能；运行效率高、温升低、转速范围广;电机的电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载动行时，噪声及振动都很低.安托山特种机电有限公司是专业生产高效节能稀土永磁无铁芯电机产品系列的高科技企业。目前，已投入3亿元建成3条无铁芯电机自动化生产线，4条自主创新的新型变频电机调速控制系统和高速贴片电子生产线.并规划在35年内建成40条自动生产线，实现日产40万台不同功率电机的生产规模。稀土永磁无铁芯电机是一个重大创新，技术上实现了“三大”突破，一是与传统径向磁场结构设计相比，采用了轴向磁场结构设计，大幅度提高功率密度和转矩体积比。二是采用新型绕制工艺、高压精密压铸成型及高分子材料，有效降低绕组铜损.三是不使用硅钢片作为定、转子铁芯材料，消除了磁阻尼及铁损，降低了驱动功率，减少了铁损发热源。2 .稀土永磁无铁芯电机应用领域和效果稀土永磁无铁芯电机可应用于量大面广的风机、水泵、压缩机等通用设备,还可用在电动汽车、风力发电、数控机床、油田抽油机、移动电站等领域，具有得天独厚的优势,发展前景广阔。初步测算,如果新增电机中有1/3被替代,每年可节电500亿kW-h,节约硅钢片50万t、铜2万3可创造近百亿元的产值，经济效益和社会效益十分可观。(1)在节能减排方面的应用我国电机系统容量约7亿kW,每年新增容量达到1.5亿kW,但目前高效节能电机市场份额不到3%。随着我国节能减排工作的深入开展，高效节能电机市场需求巨大，可应用于量大面广的风机、水泵、压缩机等通用设备，还可用在电动汽车、风力发电、数控机床、油田抽油机、移动电站等领域。(2)在工业拖动设备方面我国重点耗能行业的风机、水泵、压缩机等，通用设备耗电约占40%以上,年用电量超过5000亿kW-h。这些设备单机容量大，系统能效水平低。据保守估计，采用稀土永磁无铁芯电机拖动通用设备的系统运行效率平均可提高20%以上，节电潜力1000亿kWh。(3)在风力发电方面稀土永磁无铁芯风力发电机整机重量轻，发电效率高,可降低风电场造价和风电成本。2010年我国风力发电规模将达到2000万kW,2020年有望达到1亿kWo目前，我国风电设备市场规模近千亿元，稀土永磁无铁芯风力发电机市场需求巨大，如全面推广应用，到2020年，年可多发电超过100亿kWh。(4)在电动汽车方面据预测，2015年我国纯电动汽车产量将超过乘用车总产量的10%,年用电量超过200亿kW-h.稀土永磁无铁芯电机效率更高,体积更小，在电动汽车领域比目前的永磁无刷电机技术优势更明显。据保守测算，稀土永磁无铁芯电机在电动汽车上大规模应用，到2015年,年节电超过12亿kWho3 .稀土永磁无铁芯电机控制技术由于稀土永磁无铁芯电机的优越性,必将在各行各业应用，但必须有变频调速控制器构成电机系统，才能更好地发挥其作用.永磁电机系统是以电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构的电气传动控制系统,根据位置、速度和转矩等反馈信息来进行控制。一般由永磁电动机、传感（传感器）和驱动器三部分组成。目前从技术发展动向来看，具有强大数字信号处理功能的DSP迅速替代原单片机作为主控单元进入该领域,其特性不仅可以提高系统的性能，降低成本和功耗，还可简化外围电路。同时控制理论的应用方面也不仅仅限于基于稳态模型的标量控制，更多的是采用更先进的矢量控制和直接转矩控制技术。4。推广稀土永磁无铁芯电机所面临的问题稀土永磁无铁芯电机是一种全新产品，市场正处于培育之中，推广应用还面临不少困难。一是社会认知度不高。大多数用户对该技术不了解，对产品的工作原理、应用效果、可靠性还持怀疑态度.二是标准规范滞后。我国在永磁电机方面的标准十分匮乏，稀土永磁无铁芯电机方面更是空白，严重影响了这类电机的产品选型、性能评估、质量检测等，制约了产品的推广应用.三是产业化程度还有待提高。目前,小功率稀土永磁无铁芯电机已批量生产，在小型风力发电、柴油发电、电动工具方面得到了推广使用。但在中、大功率电机上还处于示范阶段.四是对相应的控制系统要求高,初投资较大。四、结论与展望上海电气集团是我国装备制造业特大型企业集团，产品涉及电站及输配电设备制造业、机电一体化设备产业、交通运输设备产业、环保设备产业、家用电器以及电梯等领域，旗下电机生产企业十余家，其产品广泛应用于电站、交通、电梯、风电等领域,可以相信，随着集团对电机领域的重视和投入加大，高效节能电机必将成为未来电机产业的发展的主要方向之一，必将在电机系统节能领域发挥更大的作用.政策力挺节能与新能源汽车产业：2009、2010年汽车市场出人意料的火爆，与低碳经济、节能减排高亢的呼声交相辉映，加速推动了我国汽车产业节能政策的出台.当前，发展节能与新能源汽车已经上升为国家战略，日益深入人心。战略性新兴产业定调节能与新能源汽车产业的国家战略地位;节能与新能源汽车产业发展规划（2012020年）将于近期出台；乘用车燃料消耗量限值（第三阶段国家强制性标准）将于近期出台;工信部发布节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录18批，共计192个节能与新能源汽车车型。节能与新能源汽车产业链迎来投资良机:经过10年左右的研发投入与攻关,我国新能源汽车已经形成“三纵三横”的研发格局。“三纵”就是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车；“三横”就是多能源动力总成控制系统、电机及其控制系统和电池及其管理系统。动力电池是产业链核心，现阶段锂动力电池将主导动力电池,关键原材料技术及产业链完整度起决定作用。，隔膜、六氟磷酸锂、磷酸亚铁锂等技术难度高的关键原材料若技术突破将获取超额收益，拥有锂电池完整产业链者将决胜千里。稀土永磁电机及控制系统是产业链重点，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围的无刷永磁同步电机,发展前景十分广阔,稀土永磁材料受益新能源汽车电机。充换电系统是产业链关键,阻碍新能源汽车产业化的一个非常关键的问题是充电站或者换电站等配套基础设施的很不完善，使用者会遭遇到很大的不方便，充电站或者换电站的建设是新能源汽车产业话的关键一环,电动汽车充电站“十二五”将迎来大规模建设。绿色轮胎，节能之行，始于足下,欧盟、美国相继出台的轮胎燃料效率分级标签法案，将推动我国成为世界绿色轮胎生产基地，绿色轮胎关键的含硅配方对轮胎降低滚动阻力至关重要，看好高分散白炭黑潜在的庞大市场。新能源客车整车厂将在车企中率先获益,新能源客车由于运行路线、距离、时间相对固定，整车对蓄电池的敏感性相对于轿车更弱，一方面，对配套充电设施的要求相对更低，对蓄电池的性能（比能量、比功率等）要求也相对更低一些；另一方面，新能源客车一般都是公共用车，管理起来更方便，对于初期电池性价比较低、配套充电设施不足带来的运行成本更高的承受力也更强，享受政府补贴力度也更大。稀土永磁同步电机的开发与应用扩大了永磁同步电动机在各个行业的应用，稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出各种性能优异的机电一体化产品,如数控机床，加工中心，柔性生产线，机器人，电动车，高性能家用电器，计算机等等。随着稀土永磁电机技术的不断发展其行业逐渐呈现以下发展趋势。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，专用稀土永磁电机可高达15%20%。电动机的节能分两个方面。一方面是改革异步电动机的结构，提高效率和其他性能，异步电动机以其结构简单、价格便宜、适应各种工况条件等优点被广泛应用于工业生产各个领域.其次是发展永磁同步电动机，可以取得更高的节电效果.国外提高电动机效率的主要途径，是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；采用较好的磁性材料和工艺，以降低铁耗：合理设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗；通过改进设计和工艺，降低杂散损耗，国外己开发出高效异步电机.根据我国国情，高性能的稀土永磁材料已实现产业化，铉铁硼的产量现已居世界第一位，钦铁硼的价格也趋向合理.所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势之一.向机电一体化方向发展要提升传统机电产品的水平，必须紧紧抓住机电一体化这个环节.实现机电一体化的基础，是发展各种机电一体化需用的各种高性能稀土永磁电机，如数控机床用伺服电机，计算机用VCM音圈电机.一台60把刀加工中心，要配备30台伺服电机。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。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，如军事装备要求提供给各种高性能信号电机，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伺服电机，计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等.电机所驱动的负载千变万化，如全部采用通用型电动机，在某些情况下，技术经济很不合理.因此国外大力发展专用电机，专用电机约占总产量的80%,通用电机占20%。而我国恰恰相反，专用电机只占20%,通用型电机占80%。专用电机是根据不同负载特性专门没计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机,节电率高达20%.这方面的节能潜力很大。电机工作者不仅要研究电机本身，更应当研究所驱动负载的特性，设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。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、重量轻的严格要求。永磁同步电动机以其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动,消除齿轮减速装置,可通过频率的变化进行调速等优点，在电梯技术上得以开发应用.相信随着电子技术和控制技术的发展，稀土永磁同步电机技术会朝着高效节能、机电一体化、高性能、专用电机、轻型化的方向发展并日趋完善.