永磁電機研究現(xiàn)狀與發(fā)展。

一、引言

      電機系統(tǒng)用電量約占全國用電量的60%，其中風(fēng)機、泵類、壓縮機和空調(diào)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(tǒng)量大面廣，節(jié)電潛力巨大。據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，全國現(xiàn)有各類電機系統(tǒng)總裝機容量約7億kW，運行效率普遍比國外先進水平低10~20個百分點，相當(dāng)于每年浪費電能約1500億kWh。
      為此國家發(fā)改委在“十大重點節(jié)能工程實施意見”中提出：要推廣高效節(jié)能電動機、稀土永磁電動機；同時推廣變頻調(diào)速、永磁電動機調(diào)速等先進電機調(diào)速技術(shù)，改善風(fēng)機、泵類電機系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節(jié)流調(diào)節(jié)方式。并建議在以下領(lǐng)域推廣應(yīng)用稀土永磁電動機和調(diào)速系統(tǒng)：

      電力：用變頻、永磁電動機改造風(fēng)機、水泵系統(tǒng)，重點是20萬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(shè)備的變頻、永磁電動機調(diào)速。

      機電：研發(fā)制造節(jié)能型電機、電機系統(tǒng)及配套設(shè)備。

      輕工：注塑機、液壓油泵的變頻、永磁調(diào)速。

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

二、稀土永磁電機技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用趨勢

      稀土永磁電機最顯著的性能特點是輕型化、高性能化、高效節(jié)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(chǔ)。

      1．稀土永磁電機的主要結(jié)構(gòu)特點

      (1) 高效節(jié)能

      稀土永磁電機是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，平均節(jié)電率高達10％以上，專用稀土永磁電機的節(jié)電率可高達15％ ～20％。美國GM公司研制的釹鐵硼永磁起動電機與老式串激直流起動電機相比，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(diào)速技術(shù)后可節(jié)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(guī)發(fā)電機重量為value="220" unitname="kg">220kg，而永磁發(fā)電機重量僅為value="92" unitname="kg">92 kg，相當(dāng)于常規(guī)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，有些性能是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電機所不能及的。例如，數(shù)控機床用稀土永磁伺服電機，調(diào)速比高達1：10000。稀土永磁電機可以實現(xiàn)精密控制驅(qū)動，轉(zhuǎn)速控制精度可達到0.1‰。

      (4) 結(jié)構(gòu)簡單

      永磁電機與傳統(tǒng)的電機相比，結(jié)構(gòu)簡單。采用稀土永磁鐵后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉(zhuǎn)速調(diào)整到最佳值，提高功率質(zhì)量比?，F(xiàn)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(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

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

      (2) 船舶電力推進領(lǐng)域：高性能艦船一般均采用全電力推進系統(tǒng)。國外在電力推進系統(tǒng)中普遍采用永磁電機作為系統(tǒng)的推進電機。如西門子、 ABB和Alstom等都已形成產(chǎn)業(yè)。德國西門子已制成了由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(qū)動系統(tǒng)、發(fā)電廠和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中，水泵和通風(fēng)機等機械負(fù)載的應(yīng)用數(shù)量最大。這也是永磁稀土電機推廣應(yīng)用主要場合。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機驅(qū)動無齒輪曳引機，其效率可高達0.9以上，比交流異步電機+減速箱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)節(jié)能30%以上，國內(nèi)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(diào)行業(yè)：永磁同步電機及直流變頻驅(qū)動技術(shù)是未來空調(diào)發(fā)展的主流，通過改變頻率來調(diào)節(jié)壓縮機功率，且電機在低頻運轉(zhuǎn)時的效率極高，是實現(xiàn)家電節(jié)能的最佳技術(shù)途徑之一。目前，日本已掌握較先進的180?正弦波控制及驅(qū)動技術(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(nèi)湘潭電機廠，已研制成功2臺2MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機，已應(yīng)用于內(nèi)蒙古卓姿風(fēng)電場。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(shè)計完成2.0MW直驅(qū)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(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)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5 000kW，最高轉(zhuǎn)速已超過300 000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min，最小電機外徑只有?value=".8" unitname="mm">0.8mm，長value="1.2" unitname="mm">1.2mm。

      (1) 向更高效節(jié)能和高性能方向發(fā)展

      現(xiàn)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，移動電站，自動化裝備用伺服系統(tǒng)及電機，航空航天用高性能、高可靠性永磁電機，數(shù)控機床、加工中心、機器人用高調(diào)速比稀土永磁伺服電機，計算機用高精度擺動電機及主軸電機等。

      (2) 向?qū)Ｓ秒姍C方向發(fā)展

      電機所驅(qū)動的負(fù)載千變?nèi)f化，如全部采用通用型電動機，在某些情況下，技術(shù)經(jīng)濟很不合理。因此國外大力發(fā)展專用電機，專用電機約占總產(chǎn)量的80％，通用電機占20％。而我國恰恰相反，專用電機只占20％，通用型電機占80％。專用電機是根據(jù)不同負(fù)載特性專門設(shè)計的，如油田用抽油機專用稀土永磁電機，節(jié)電率高達20％。這方面的節(jié)能潛力很大。應(yīng)該設(shè)計出性能先進、運行可靠、價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、電動車輛、數(shù)控機床、計算機、視聽產(chǎn)品、醫(yī)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(yán)格要求。永磁電動機具有體積小、節(jié)能、控制性能好、又容易做成低速直接驅(qū)動, 消除齒輪減速裝置, 可通過頻率變化進行調(diào)速等優(yōu)點, 在許多場合都得以開發(fā)應(yīng)用。

三、稀土永磁無鐵芯電機

      稀土永磁無鐵芯電機是代表電機行業(yè)未來發(fā)展方向的一種新型特種電機，采用無鐵芯、無刷、無磁阻尼、稀土永磁發(fā)電技術(shù)，改變了傳統(tǒng)電機運用硅鋼片與繞線定子結(jié)構(gòu)，結(jié)合自主研發(fā)的電子智能變頻技術(shù)，使電機系統(tǒng)效率提高到95％以上。

      1.稀土永磁無鐵芯電機的結(jié)構(gòu)特點

      稀土永磁電動機的基本結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱繞組，如下圖所示。稀土無鐵心無刷電機的出現(xiàn)是采用新材料、新工藝的結(jié)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期穩(wěn)定運行；由于電樞無鐵心，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(yīng)帶來的轉(zhuǎn)矩波動，具有優(yōu)異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉(zhuǎn)速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結(jié)構(gòu)，負(fù)載動行時，噪聲及振動都很低。安托山特種機電有限公司是專業(yè)生產(chǎn)高效節(jié)能稀土永磁無鐵芯電機產(chǎn)品系列的高科技企業(yè)。目前，已投入3億元建成3條無鐵芯電機自動化生產(chǎn)線，4條自主創(chuàng)新的新型變頻電機調(diào)速控制系統(tǒng)和高速貼片電子生產(chǎn)線。并規(guī)劃在3~5年內(nèi)建成40條自動生產(chǎn)線，實現(xiàn)日產(chǎn)40萬臺不同功率電機的生產(chǎn)規(guī)模。稀土永磁無鐵芯電機是一個重大創(chuàng)新，技術(shù)上實現(xiàn)了“三大”突破，一是與傳統(tǒng)徑向磁場結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，采用了軸向磁場結(jié)構(gòu)設(shè)計，大幅度提高功率密度和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子鐵芯材料，消除了磁阻尼及鐵損，降低了驅(qū)動功率，減少了鐵損發(fā)熱源。

      2.稀土永磁無鐵芯電機應(yīng)用領(lǐng)域和效果

      稀土永磁無鐵芯電機可應(yīng)用于量大面廣的風(fēng)機、水泵、壓縮機等通用設(shè)備，還可用在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、數(shù)控機床、油田抽油機、移動電站等領(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(jié)電500億kW·h，節(jié)約硅鋼片50萬t、銅2萬t，可創(chuàng)造近百億元的產(chǎn)值，經(jīng)濟效益和社會效益十分可觀。

      (1) 在節(jié)能減排方面的應(yīng)用

      我國電機系統(tǒng)容量約7億kW，每年新增容量達到1.5億kW，但目前高效節(jié)能電機市場份額不到3％。隨著我國節(jié)能減排工作的深入開展，高效節(jié)能電機市場需求巨大，可應(yīng)用于量大面廣的風(fēng)機、水泵、壓縮機等通用設(shè)備，還可用在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、數(shù)控機床、油田抽油機、移動電站等領(lǐng)域。

      (2) 在工業(yè)拖動設(shè)備方面

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

      (3)在風(fēng)力發(fā)電方面

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

      (4) 在電動汽車方面

      據(jù)預(yù)測，2015年我國純電動汽車產(chǎn)量將超過乘用車總產(chǎn)量的10％，年用電量超過200億kW·h。稀土永磁無鐵芯電機效率更高，體積更小，在電動汽車領(lǐng)域比目前的永磁無刷電機技術(shù)優(yōu)勢更明顯。據(jù)保守測算，稀土永磁無鐵芯電機在電動汽車上大規(guī)模應(yīng)用，到2015年，年節(jié)電超過12億kWh。

      3.稀土永磁無鐵芯電機控制技術(shù)

      由于稀土永磁無鐵芯電機的優(yōu)越性，必將在各行各業(yè)應(yīng)用，但必須有變頻調(diào)速控制器構(gòu)成電機系統(tǒng)，才能更好地發(fā)揮其作用。永磁電機系統(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)的電氣傳動控制系統(tǒng)，根據(jù)位置、速度和轉(zhuǎn)矩等反饋信息來進行控制。一般由永磁電動機、傳感（傳感器）和驅(qū)動器三部分組成。目前從技術(shù)發(fā)展動向來看，具有強大數(shù)字信號處理功能的DSP迅速替代原單片機作為主控單元進入該領(lǐng)域，其特性不僅可以提高系統(tǒng)的性能，降低成本和功耗，還可簡化外圍電路。同時控制理論的應(yīng)用方面也不僅僅限于基于穩(wěn)態(tài)模型的標(biāo)量控制，更多的是采用更先進的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。

      4.推廣稀土永磁無鐵芯電機所面臨的問題

      稀土永磁無鐵芯電機是一種全新產(chǎn)品，市場正處于培育之中，推廣應(yīng)用還面臨不少困難。一是社會認(rèn)知度不高。大多數(shù)用戶對該技術(shù)不了解，對產(chǎn)品的工作原理、應(yīng)用效果、可靠性還持懷疑態(tài)度。二是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范滯后。我國在永磁電機方面的標(biāo)準(zhǔn)十分匱乏，稀土永磁無鐵芯電機方面更是空白，嚴(yán)重影響了這類電機的產(chǎn)品選型、性能評估、質(zhì)量檢測等，制約了產(chǎn)品的推廣應(yīng)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(yīng)的控制系統(tǒng)要求高，初投資較大。

四、結(jié)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(shè)備制造業(yè)、機電一體化設(shè)備產(chǎn)業(yè)、交通運輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)、環(huán)保設(shè)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(yīng)用于電站、交通、電梯、風(fēng)電等領(lǐng)域?？梢韵嘈?，隨著集團對電機領(lǐng)域的重視和投入加大，高效節(jié)能電機必將成為未來電機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的主要方向之一，必將在電機系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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