稀土永磁電機發(fā)展綜述
1 引言
電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。
磁性材料 為在電機內(nèi)建立進行機電能量轉換所必需的氣隙磁場，可以有兩種方法。一種是在電機繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生，既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動，例如普通的直流電機和同步電機；另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場，既可簡化電機結構，又可節(jié)約能量，這就是永磁電機。
2 永磁電機的發(fā)展概況
永磁電機的發(fā)展同
磁性材料的發(fā)展密切相關。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應用于實踐的國家，兩千多年前，我國利用永磁材料的磁特性制成了指南針，在航海、軍事等領域發(fā)揮了巨大的作用，成為我國古代四大發(fā)明之一。
19世紀20年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。
隨著各種電機迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對永磁材料的機理、構成和制造技術進行了深入研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼（最大磁能積約2.7 kJ/m3）、鈷鋼（最大磁能積約7.2 kJ/m3）等多種永磁材料。特別是20世紀30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85 kJ/m3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁（最大磁能積現(xiàn)可達40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機又紛紛使用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應用，產(chǎn)量急劇增加。相應地，這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和制造技術等方面也都取得了突破性進展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。
但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36～160 kA/m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它們在電機中的應用范圍。一直到20世紀60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機，從而使永磁電機的發(fā)展進入一個新的歷史時期。
稀土永磁材料的發(fā)展大致分為三個階段。1967年美國K.J.Strnat教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學式可表示成RCo5，簡稱1:5型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積超過199 kJ/m3(25MG·Oe)。1973年又出現(xiàn)了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化學式為R2Co17，，簡稱2:17型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積達到258.6 kJ/m3(32. 5MG·Oe)。1983年日本住友特種金屬公司和美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼（NdFeB）永磁，稱為第三代稀土永磁。由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物質——鈷，因而引起了國內(nèi)外磁學界和電機界的極大關注，紛紛投入大量人力物力進行研究開發(fā)。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。
與此相對應，稀土永磁電機的研究和開發(fā)大致可以分成三個階段。
第一階段：20世紀60年代后期和70年代，由于稀土鈷永磁價格昂貴，研究開發(fā)重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。
第二階段：20世紀80年代，特別是1983年出現(xiàn)價格相對較低的釹鐵硼永磁后，國內(nèi)外的研究開發(fā)重點轉移到工業(yè)和民用電機上。稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機技術的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵磁電機紛紛用稀土永磁電機來替代，而且可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵磁電機所難以達到的高性能。
第三階段：進入20世紀90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展，加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個方面獲得越來越廣泛的應用外，稀土永磁電機的研究開發(fā)進入一個新階段。一方面，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。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過1 000 kW，最高轉速已超過300 000 r/min，最低轉速低于0.01 r/min，最小電機外徑只有0.8 mm，長1.2 mm。另一方面，促使永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面的研究工作出現(xiàn)嶄新的局面，有關的學術論文和科研成果大量涌現(xiàn)，形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究 方法和計算機輔助設計軟件。
我國的稀土資源豐富，稀土不稀，號稱“稀土王國”。稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平。因此，充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現(xiàn)我國社會主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實用價值。
3 永磁電機的主要特點和應用
與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。因而應用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領域。下面介紹幾種典型永磁電機的主要特點及其主要應用場合。
3.1 稀土永磁發(fā)電機
永磁同步發(fā)電機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比不需要集電環(huán)和電刷裝置，結構簡單，減少了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速提高到最佳值，提高功率質量比。當代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。其典型產(chǎn)品為美國通用電氣公司制造的150 kVA 14 極 12 000 r/min～21 000 r/min和100 kVA 60 000 r/min的稀土鈷永磁同步發(fā)電機。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機即為3 kW 20 000 r/min的永磁發(fā)電機。
永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機，80年代我國研制成功當時世界容量最大的40 kVA～160 kVA稀土永磁副勵磁機，配備200 MW～600 MW汽輪發(fā)電機后大大提高電站運行的可靠性。
目前，獨立電源用的內(nèi)燃機驅動小型發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風輪直接驅動的小型永磁風力發(fā)電機正在逐步推廣。
3.2 高效永磁同步電動機
永磁同步電動機與感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達到1，甚至容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運行時沒有轉子銅耗，進而可以減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩損耗，效率比同規(guī)格感應電動機可提高2～8個百分點。而且，永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電機一般都在轉子上設置起動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。目前主要應用在油田、紡織化纖工業(yè)、陶瓷玻璃工業(yè)和年運行時間長的風機水泵等領域。
我國自主開發(fā)的高效高起動轉矩釹鐵硼永磁同步電動機在油田應用中可以解決“大馬拉小車”問題，起動轉矩比感應電動機大50%～100%，可以替代大一個機座號的感應電動機，節(jié)電率在20%左右。
紡織化纖行業(yè)中負載轉動慣量大，要求高牽入轉矩。合理設計永磁同步電動機的空載漏磁系數(shù)、凸極比、轉子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數(shù)可以提高永磁電機的牽入性能，促使它應用于新型的紡織和化纖工業(yè)。
大型電站、礦山、石油、化工等行業(yè)所用幾百千瓦和兆瓦級風機、泵類用電機是耗能大戶，而目前所用電機的效率和功率因數(shù)較低，改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)約能源，且為無刷結構，提高了運行的可靠性。目前1 120kW永磁同步電動機是世界上功率最大的異步起動高效稀土永磁電機，效率高于96.5%（同規(guī)格電機效率為95%），功率因數(shù)0.94，可以替代比它大1～2個功率等級的普通電動機。
3.3 交流伺服永磁電動機和無刷直流永磁電動機
現(xiàn)在越來越多地用變頻電源和交流電動機組成交流調(diào)速系統(tǒng)來替代直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。在交流電動機中，永磁同步電機的轉速在穩(wěn)定運行時與電源頻率保持恒定的關系，使得它可直接用于開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。這類電機通常由變頻器頻率的逐步升高來起動，在轉子上可以不設置起動繞組，而且省去了電刷和換向器，維護方便。
變頻器供電的永磁同步電動機加上轉子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)構成自同步永磁電動機，既具有電勵磁直流電動機的優(yōu)異調(diào)速性能，又實現(xiàn)了無刷化，主要應用于高控制精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設備等。
現(xiàn)已研制成寬調(diào)速范圍、高恒功率調(diào)速比的釹鐵硼永磁同步電動機和驅動系統(tǒng)，調(diào)速比高達1：22 500，極限轉速達到9 000 r/min。永磁同步電動機高效、小振動、低噪聲、高轉矩密度的特點在電動車、機床等驅動裝置中是最理想的電動機。
隨著人民生活水平的不斷提高，對家用電器的要求越來越高。例如家用空調(diào)器，既是耗電大件，又是噪聲的主要來源，其發(fā)展趨勢是使用能無級調(diào)速的永磁無刷直流電動機。它既能根據(jù)室溫的變化，自動調(diào)整到適宜的轉速下長時間運轉，減少噪聲和振動，使人的感覺更為舒適，還比不調(diào)速的空調(diào)器節(jié)電1/3。其他如電冰箱、洗衣機、除塵器、風扇等也在逐步改用無刷直流電動機。
3.4 永磁直流電動機
直流電動機采用永磁勵磁后，既保留了電勵磁直流電動機良好的調(diào)速特性和機械特性，還因省去了勵磁繞組和勵磁損耗而具有結構工藝簡單、體積小、用銅量少、效率高等特點。因而從家用電器、便攜式電子設備、電動工具到要求有良好動態(tài)性能的精密速度和位置傳動系統(tǒng)都大量應用永磁直流電動機。500 W以下的微型直流電動機中，永磁電機占92%，而10 W以下的永磁電機占99%以上。
目前，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車工業(yè)是永磁電機的最大用戶，電機是汽車的關鍵部件，一輛超豪華轎車中，各種不同用途的電機達70余臺，其中絕大部分是低壓永磁直流微電機。汽車、摩托車用起動機電動機，采用釹鐵硼永磁并采用減速行星齒輪后，可使起動機電動機的質量減輕一半。
3.5 幾種新型結構的永磁電機
3.5.1 無鐵心釹鐵硼永磁電機
利用釹鐵硼永磁材料高矯頑力的優(yōu)異特性不用或少用硅鋼片，制成無鐵心電機，質量大大減輕。無鐵心永磁電機采用聚磁型結構和正余弦充磁，所產(chǎn)生的磁場呈正弦分布，因此可以不斜槽，可以采用集中繞組，便于AC控制。繞組端部短，損耗小，轉矩密度高，振動噪聲顯著降低。應用在汽車方向盤驅動、機器人、電梯及DVD的驅動等許多方面。
3.5.2 橫向磁通釹鐵硼永磁電機
為了解決安放線圈的槽的寬度與磁通流經(jīng)的齒部的寬度之間的矛盾，提高電機的功率密度和轉矩密度，人們不斷探索新的磁路結構，出現(xiàn)了橫向磁通電機（Transverse Flux Machine）結構思想。這種電機定子齒槽結構和電樞線圈在空間上相互垂直，主磁通沿電機軸向流通，電流和磁負荷在空間上不存在競爭，因而定子尺寸和通電線圈的大小相互獨立，在一定范圍內(nèi)可以任意選取，提高了功率密度。目前國際上對這種結構電機的研發(fā)剛剛起步，有廣闊的發(fā)展前景。
3.6 永磁特種電機
控制電機和特種電機的種類很多，其共同的發(fā)展趨勢之一是永磁化，以高性能的永磁體勵磁逐步取代電勵磁。
由于稀土永磁具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積的特點，可以容許所制成的電機具有較大的氣隙長度和氣隙密度，因而在永磁體安放和磁路結構設計上有很大靈活性，可以根據(jù)使用場合，特別是汽車、計算機和航天工程的需要，制成與傳統(tǒng)電機不同的結構形狀和尺寸，例如盤式電機、無槽電機等。這既可以進一步減少電機的質量和轉動慣量，提高電機的反應靈敏度；又可以減少電機轉矩的脈動，增加運行的平穩(wěn)性；還可以簡化電機的結構和工藝。因而在計算機外圍設備、辦公設備和要求精度定位控制的場合得到廣泛應用。
計算機磁盤驅動器中用以驅動讀寫磁頭作往復運動的動圈式直線電動機——音圈電動機需要高性能磁體，以保證足夠的靈敏度，縮小體積和減輕質量。釹鐵硼永磁正好能滿足這一要求。20世紀60年代采用鐵氧體永磁研制的是14 in磁盤驅動器用音圈電動機。自采用釹鐵硼永磁后，驅動器尺寸不斷縮小，存取時間明顯減少，存儲容量增加。1984年磁盤驅動器縮小到以5.25 in盤為主；進入20世紀90年代，3.5 in磁盤驅動器迅速增長，成為主體。今后幾年內(nèi)2.5 in和1.8 in磁盤驅動器將大為發(fā)展。因此，日、美等國釹鐵硼永磁銷售量的一半左右用于制造音圈電動機。
此外，在步進電動機、開關磁阻電動、低速同步電動機等特種電機中增加釹鐵硼永磁勵磁后，其技術經(jīng)濟性能、動態(tài)響應特性都有明顯提高與改進。
4 永磁電機的研究推動了電機學科的發(fā)展
在永磁電機設計、制造和應用過程中，需要注意對以下幾個問題的研究分析。
4.1 磁路結構和設計計算
為了充分發(fā)揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優(yōu)異磁性能，制造出性價比高的永磁電機，就不能簡單套用傳統(tǒng)的永磁電機或電勵磁電機的結構和設計計算方法，必須建立新的設計概念，重新分析和改進磁路結構。隨著計算機硬件和軟件技術的迅猛發(fā)展，以及電磁場數(shù)值計算、優(yōu)化設計和仿真技術等現(xiàn)代化設計方法的不斷完善，經(jīng)過電機學術界和工程界的共同努力，現(xiàn)已在永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面取得了突破性進展，形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究方法和計算機輔助分析、設計軟件，并正在不斷完善中。
4.2 控制問題
永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，永磁直流電動機不能再用改變勵磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉速。這些使永磁電機的應用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術的迅猛發(fā)展，大多數(shù)永磁電機在應用中，可以不必進行磁場控制而只進行電樞控制。設計時需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術結合起來，使永磁電機在嶄新的工況下運行。
4.3 不可逆退磁問題
如果設計或使用不當，永磁電機在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構形式的抗去磁能力，以便在設計和制造時，采用相應措施保證永磁電機不失磁。
4.4 成本問題
鐵氧體永磁電機，特別是微型永磁直流電動機，由于結構工藝簡單、質量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了極為廣泛的應用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節(jié)省來補償。在某些場合，例如計算機磁盤驅動器的音圈電動機，采用釹鐵硼永磁后性能提高，體積質量顯著減小，總成本反而降低。在設計時既需根據(jù)具體使用場合和要求，進行性能、價格的比較后決定取舍，又要進行結構工藝的創(chuàng)新和設計優(yōu)化以降低成本。
5 稀土永磁電機的發(fā)展趨勢
我國稀土資源豐富，稀土礦的儲藏量居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平，充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對加快實現(xiàn)我國全面進入小康社會具有重要的意義。
稀土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，不斷擴展新的電機品種和應用領域，應用前景非常樂觀。為了滿足需要，稀土永磁電機的設計和制造工藝尚需不斷地進行創(chuàng)新，電磁結構將更為復雜，計算結構將更為精確，制造工藝更為先進適用。磁選 這些復雜問題需要應用多學科理論和系統(tǒng)工程進行優(yōu)化設計，提高性價比，促進電機等學科和行業(yè)進一步發(fā)展。
衡陽金則利-
磁性材料：
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