永磁電機研究現狀與發(fā)展。

一、引言

      電機系統用電量約占全國用電量的60%，其中風(fēng)機、泵類(lèi)、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。電機系統量大面廣，節電潛力巨大。據行業(yè)協(xié)會(huì )統計，全國現有各類(lèi)電機系統總裝機容量約7億kW，運行效率普遍比國外先進(jìn)水平低10~20個(gè)百分點(diǎn)，相當于每年浪費電能約1500億kWh。
      為此國家發(fā)改委在“十大重點(diǎn)節能工程實(shí)施意見(jiàn)”中提出：要推廣高效節能電動(dòng)機、稀土永磁電動(dòng)機；同時(shí)推廣變頻調速、永磁電動(dòng)機調速等先進(jìn)電機調速技術(shù)，改善風(fēng)機、泵類(lèi)電機系統調節方式，逐步淘汰閘板、閥門(mén)等機械節流調節方式。并建議在以下領(lǐng)域推廣應用稀土永磁電動(dòng)機和調速系統：

      電力：用變頻、永磁電動(dòng)機改造風(fēng)機、水泵系統，重點(diǎn)是20萬(wàn)kW以上火力發(fā)電機組。

      冶金：鼓風(fēng)機、除塵風(fēng)機、冷卻水泵；加熱爐風(fēng)機、鑄造除鱗水泵等設備的變頻、永磁電動(dòng)機調速。

      機電：研發(fā)制造節能型電機、電機系統及配套設備。

      輕工：注塑機、液壓油泵的變頻、永磁調速。

      其他：企業(yè)空調和通風(fēng)、樓宇集中空調的永磁電機系統改造等。

二、稀土永磁電機技術(shù)發(fā)展和應用趨勢

      稀土永磁電機最顯著(zhù)的性能特點(diǎn)是輕型化、高性能化、高效節能。高性能稀土永磁電機是許多新技術(shù)、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎。

      1．稀土永磁電機的主要結構特點(diǎn)

      (1) 高效節能

      稀土永磁電機是一種高效節能產(chǎn)品，平均節電率高達10％以上，專(zhuān)用稀土永磁電機的節電率可高達15％ ～20％。美國GM公司研制的釹鐵硼永磁起動(dòng)電機與老式串激直流起動(dòng)電機相比，效率提高了45％。在水泵、風(fēng)機、壓縮機采用永磁電機及變頻調速技術(shù)后可節電率30％以上。

      (2) 輕型化

      采用稀土永磁體可以明顯減輕電機重量，縮小體積。例如10 kW發(fā)電機，常規發(fā)電機重量為value="220" unitname="kg">220kg，而永磁發(fā)電機重量?jì)H為value="92" unitname="kg">92 kg，相當于常規發(fā)電機重量的45.8％。

      (3) 高性能化

      高性能化也是稀土永磁電機的突出優(yōu)點(diǎn)，有些性能是傳統標準電機所不能及的。例如，數控機床用稀土永磁伺服電機，調速比高達1：10000。稀土永磁電機可以實(shí)現精密控制驅動(dòng)，轉速控制精度可達到0.1‰。

      (4) 結構簡(jiǎn)單

      永磁電機與傳統的電機相比，結構簡(jiǎn)單。采用稀土永磁鐵后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速調整到最佳值，提高功率質(zhì)量比?，F代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。

      2.稀土永磁電機國內外應用現狀

      (1) 航天航空領(lǐng)域：美國已研制成驅動(dòng)航天飛機升降副翼用的12.6kW，9 000r/min稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機，效率為95%，僅重value="7.65" unitname="kg">7.65kg。

      (2) 船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域：高性能艦船一般均采用全電力推進(jìn)系統。國外在電力推進(jìn)系統中普遍采用永磁電機作為系統的推進(jìn)電機。如西門(mén)子、 ABB和Alstom等都已形成產(chǎn)業(yè)。德國西門(mén)子已制成了由6相變頻電源供電的1 095kW、230r/min的稀土永磁

      同步電動(dòng)機；俄羅斯最近也試制成功3 500kW的大型稀土永磁同步電機。

      (3) 風(fēng)機水泵行業(yè)：主要有油田電力驅動(dòng)系統、發(fā)電廠(chǎng)和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中，水泵和通風(fēng)機等機械負載的應用數量最大。這也是永磁稀土電機推廣應用主要場(chǎng)合。我國在油井抽油機推廣使用稀土永磁同步電機，已形成年產(chǎn)1萬(wàn)臺以上的生產(chǎn)能力，在油田運行情況良好，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益。

      (4)電梯行業(yè)：國外主要電梯制造商大都采用了永磁同步電動(dòng)機驅動(dòng)無(wú)齒輪曳引機，其效率可高達0.9以上，比交流異步電機+減速箱結構系統節能30%以上，國內三菱電梯、日立電梯和迅達電梯等均采用了該技術(shù)。

      (5) 空調行業(yè)：永磁同步電機及直流變頻驅動(dòng)技術(shù)是未來(lái)空調發(fā)展的主流，通過(guò)改變頻率來(lái)調節壓縮機功率，且電機在低頻運轉時(shí)的效率極高，是實(shí)現家電節能的最佳技術(shù)途徑之一。目前，日本已掌握較先進(jìn)的180?正弦波控制及驅動(dòng)技術(shù)，上海海立與中央研究院合作也已掌握此技術(shù)。

      (6)風(fēng)電行業(yè)：國內湘潭電機廠(chǎng)，已研制成功2臺2MW直驅永磁同步風(fēng)力發(fā)電機，已應用于內蒙古卓姿風(fēng)電場(chǎng)。力德風(fēng)電與國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心已經(jīng)設計完成2.0MW直驅永磁風(fēng)力發(fā)電機。

      3.稀土永磁電機技術(shù)發(fā)展趨勢

      目前，永磁電機正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方向發(fā)展。稀土永磁電機的單臺容量已超過(guò)5 000kW，最高轉速已超過(guò)300 000r/min，最低轉速低于0.01r/min，最小電機外徑只有?value=".8" unitname="mm">0.8mm，長(cháng)value="1.2" unitname="mm">1.2mm。

      (1) 向更高效節能和高性能方向發(fā)展

      現代化裝備向電機行業(yè)提出各種各樣的更高效、更高性能要求，如軍事裝備要求提供各種高性能信號電機，移動(dòng)電站，自動(dòng)化裝備用伺服系統及電機，航空航天用高性能、高可靠性永磁電機，數控機床、加工中心、機器人用高調速比稀土永磁伺服電機，計算機用高精度擺動(dòng)電機及主軸電機等。

      (2) 向專(zhuān)用電機方向發(fā)展

      電機所驅動(dòng)的負載千變萬(wàn)化，如全部采用通用型電動(dòng)機，在某些情況下，技術(shù)經(jīng)濟很不合理。因此國外大力發(fā)展專(zhuān)用電機，專(zhuān)用電機約占總產(chǎn)量的80％，通用電機占20％。而我國恰恰相反，專(zhuān)用電機只占20％，通用型電機占80％。專(zhuān)用電機是根據不同負載特性專(zhuān)門(mén)設計的，如油田用抽油機專(zhuān)用稀土永磁電機，節電率高達20％。這方面的節能潛力很大。應該設計出性能先進(jìn)、運行可靠、價(jià)格合理的稀土永磁電機產(chǎn)品。

      (3) 向輕型化方向發(fā)展

      航空航天產(chǎn)品、電動(dòng)車(chē)輛、數控機床、計算機、視聽(tīng)產(chǎn)品、醫療器械、便攜式光機電一體化產(chǎn)品等，都對電機提出體積小、重量輕的嚴格要求。永磁電動(dòng)機具有體積小、節能、控制性能好、又容易做成低速直接驅動(dòng), 消除齒輪減速裝置, 可通過(guò)頻率變化進(jìn)行調速等優(yōu)點(diǎn), 在許多場(chǎng)合都得以開(kāi)發(fā)應用。

三、稀土永磁無(wú)鐵芯電機

      稀土永磁無(wú)鐵芯電機是代表電機行業(yè)未來(lái)發(fā)展方向的一種新型特種電機，采用無(wú)鐵芯、無(wú)刷、無(wú)磁阻尼、稀土永磁發(fā)電技術(shù)，改變了傳統電機運用硅鋼片與繞線(xiàn)定子結構，結合自主研發(fā)的電子智能變頻技術(shù)，使電機系統效率提高到95％以上。

      1.稀土永磁無(wú)鐵芯電機的結構特點(diǎn)

      稀土永磁電動(dòng)機的基本結構是轉子為永磁結構，產(chǎn)生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱(chēng)繞組，如下圖所示。稀土無(wú)鐵心無(wú)刷電機的出現是采用新材料、新工藝的結果。電樞采用耐熱性能優(yōu)越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長(cháng)期穩定運行；由于電樞無(wú)鐵心，電感小，完全消除了鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，消除了由齒槽效應帶來(lái)的轉矩波動(dòng)，具有優(yōu)異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉速范圍廣；電機的電樞中無(wú)齒槽且采用全塑封結構，負載動(dòng)行時(shí)，噪聲及振動(dòng)都很低。安托山特種機電有限公司是專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)高效節能稀土永磁無(wú)鐵芯電機產(chǎn)品系列的高科技企業(yè)。目前，已投入3億元建成3條無(wú)鐵芯電機自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，4條自主創(chuàng )新的新型變頻電機調速控制系統和高速貼片電子生產(chǎn)線(xiàn)。并規劃在3~5年內建成40條自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現日產(chǎn)40萬(wàn)臺不同功率電機的生產(chǎn)規模。稀土永磁無(wú)鐵芯電機是一個(gè)重大創(chuàng )新，技術(shù)上實(shí)現了“三大”突破，一是與傳統徑向磁場(chǎng)結構設計相比，采用了軸向磁場(chǎng)結構設計，大幅度提高功率密度和轉矩體積比。二是采用新型繞制工藝、高壓精密壓鑄成型及高分子材料，有效降低繞組銅損。三是不使用硅鋼片作為定、轉子鐵芯材料，消除了磁阻尼及鐵損，降低了驅動(dòng)功率，減少了鐵損發(fā)熱源。

      2.稀土永磁無(wú)鐵芯電機應用領(lǐng)域和效果

      稀土永磁無(wú)鐵芯電機可應用于量大面廣的風(fēng)機、水泵、壓縮機等通用設備，還可用在電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、數控機床、油田抽油機、移動(dòng)電站等領(lǐng)域，具有得天獨厚的優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。初步測算，如果新增電機中有1/3被替代，每年可節電500億kW·h，節約硅鋼片50萬(wàn)t、銅2萬(wàn)t，可創(chuàng )造近百億元的產(chǎn)值，經(jīng)濟效益和社會(huì )效益十分可觀(guān)。

      (1) 在節能減排方面的應用

      我國電機系統容量約7億kW，每年新增容量達到1.5億kW，但目前高效節能電機市場(chǎng)份額不到3％。隨著(zhù)我國節能減排工作的深入開(kāi)展，高效節能電機市場(chǎng)需求巨大，可應用于量大面廣的風(fēng)機、水泵、壓縮機等通用設備，還可用在電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、數控機床、油田抽油機、移動(dòng)電站等領(lǐng)域。

      (2) 在工業(yè)拖動(dòng)設備方面

      我國重點(diǎn)耗能行業(yè)的風(fēng)機、水泵、壓縮機等,通用設備耗電約占40%以上，年用電量超過(guò)5000億kW·h。這些設備單機容量大，系統能效水平低。據保守估計，采用稀土永磁無(wú)鐵芯電機拖動(dòng)通用設備的系統運行效率平均可提高20%以上，節電潛力1000億kWh。

      (3)在風(fēng)力發(fā)電方面

      稀土永磁無(wú)鐵芯風(fēng)力發(fā)電機整機重量輕，發(fā)電效率高，可降低風(fēng)電場(chǎng)造價(jià)和風(fēng)電成本。2010年我國風(fēng)力發(fā)電規模將達到2000萬(wàn)kW，2020年有望達到1億kW。目前，我國風(fēng)電設備市場(chǎng)規模近千億元，稀土永磁無(wú)鐵芯風(fēng)力發(fā)電機市場(chǎng)需求巨大，如全面推廣應用，到2020年，年可多發(fā)電超過(guò)100億kWh。

      (4) 在電動(dòng)汽車(chē)方面

      據預測，2015年我國純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量將超過(guò)乘用車(chē)總產(chǎn)量的10％，年用電量超過(guò)200億kW·h。稀土永磁無(wú)鐵芯電機效率更高，體積更小，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域比目前的永磁無(wú)刷電機技術(shù)優(yōu)勢更明顯。據保守測算，稀土永磁無(wú)鐵芯電機在電動(dòng)汽車(chē)上大規模應用，到2015年，年節電超過(guò)12億kWh。

      3.稀土永磁無(wú)鐵芯電機控制技術(shù)

      由于稀土永磁無(wú)鐵芯電機的優(yōu)越性，必將在各行各業(yè)應用，但必須有變頻調速控制器構成電機系統，才能更好地發(fā)揮其作用。永磁電機系統是以電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構的電氣傳動(dòng)控制系統，根據位置、速度和轉矩等反饋信息來(lái)進(jìn)行控制。一般由永磁電動(dòng)機、傳感（傳感器）和驅動(dòng)器三部分組成。目前從技術(shù)發(fā)展動(dòng)向來(lái)看，具有強大數字信號處理功能的DSP迅速替代原單片機作為主控單元進(jìn)入該領(lǐng)域，其特性不僅可以提高系統的性能，降低成本和功耗，還可簡(jiǎn)化外圍電路。同時(shí)控制理論的應用方面也不僅僅限于基于穩態(tài)模型的標量控制，更多的是采用更先進(jìn)的矢量控制和直接轉矩控制技術(shù)。

      4.推廣稀土永磁無(wú)鐵芯電機所面臨的問(wèn)題

      稀土永磁無(wú)鐵芯電機是一種全新產(chǎn)品，市場(chǎng)正處于培育之中，推廣應用還面臨不少困難。一是社會(huì )認知度不高。大多數用戶(hù)對該技術(shù)不了解，對產(chǎn)品的工作原理、應用效果、可靠性還持懷疑態(tài)度。二是標準規范滯后。我國在永磁電機方面的標準十分匱乏，稀土永磁無(wú)鐵芯電機方面更是空白，嚴重影響了這類(lèi)電機的產(chǎn)品選型、性能評估、質(zhì)量檢測等，制約了產(chǎn)品的推廣應用。三是產(chǎn)業(yè)化程度還有待提高。目前，小功率稀土永磁無(wú)鐵芯電機已批量生產(chǎn)，在小型風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電、電動(dòng)工具方面得到了推廣使用。但在中、大功率電機上還處于示范階段。四是對相應的控制系統要求高，初投資較大。

四、結論與展望

      上海電氣集團是我國裝備制造業(yè)特大型企業(yè)集團，產(chǎn)品涉及電站及輸配電設備制造業(yè)、機電一體化設備產(chǎn)業(yè)、交通運輸設備產(chǎn)業(yè)、環(huán)保設備產(chǎn)業(yè)、家用電器以及電梯等領(lǐng)域，旗下電機生產(chǎn)企業(yè)十余家，其產(chǎn)品廣泛應用于電站、交通、電梯、風(fēng)電等領(lǐng)域?？梢韵嘈?，隨著(zhù)集團對電機領(lǐng)域的重視和投入加大，高效節能電機必將成為未來(lái)電機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的主要方向之一，必將在電機系統節能領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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