永磁電機(jī)正進(jìn)入大發(fā)展

1、稀土永磁電機(jī)正進(jìn)入大發(fā)展的新時期   2011-1-24 引言低碳經(jīng)濟(jì)的到來為永磁電機(jī)帶來增長契機(jī)。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是可再生能源的主要發(fā)展方向之一。超高效永磁電動機(jī)和調(diào)速高效永磁電動機(jī)在節(jié)能減排方面發(fā)揮重大作用。電動車用永磁電機(jī)和軌道交通用永磁電動機(jī)在替代能源方面成為行業(yè)發(fā)展的另一焦點(diǎn)。交流永磁伺服電動機(jī)和特種永磁電機(jī)在信息化的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。隨著需求結(jié)構(gòu)的調(diào)整，用于節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的永磁電機(jī)將會出現(xiàn)大幅增長。隨著永磁材料性能的提高、加工工藝的完善以及現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，永磁電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、航空航天、航海、軍工等各個領(lǐng)域均顯示出了強(qiáng)大的生命力。

2、永磁電機(jī)正逐漸向更高水平發(fā)展。最小外徑僅為0.8mm，長1.2mm，大的外徑可做到12m，幾十MW（風(fēng)電、艦艇等），單臺重量百余噸，轉(zhuǎn)速低的僅為0.2r/h，高的幾十萬r/min。結(jié)構(gòu)也不再局限于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，橫向磁通的、軸向磁通的、直線的、雙定子的、雙轉(zhuǎn)子的等等，產(chǎn)量也將出現(xiàn)大的跨越。2 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)歷了三代：第一代為定速定槳失速發(fā)電機(jī)組，鼠籠異步發(fā)電機(jī)，如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠；部件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于采購；單位kW成本造價低。缺點(diǎn)是風(fēng)能利用率低；機(jī)組載荷沖擊大；對電網(wǎng)沖擊大，且無支持作用。  圖1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)第二代為變速變槳雙饋發(fā)電機(jī)組，雙饋異步發(fā)

3、電機(jī)，如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)是部件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于采購；無需全功率逆變器；單位kW成本造價較低。缺點(diǎn)是電機(jī)集電環(huán)系統(tǒng)需要定期維護(hù)，故障率高；負(fù)載變化對電網(wǎng)沖擊大；低電壓穿越性能差。   圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)第三代為變速變槳直驅(qū)/半直驅(qū)發(fā)電機(jī)組，永磁同步發(fā)電機(jī)，如圖3所示。優(yōu)點(diǎn)是多極、低速，很容易實(shí)現(xiàn)直驅(qū)，取消了中間的齒輪傳動環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的可靠性和傳動效率；無需勵磁電源，效率高，損耗小，特別是在低負(fù)荷區(qū)效率高，適合風(fēng)電特點(diǎn)；電能品質(zhì)好，對電網(wǎng)無沖擊；全功率變流器，低電壓穿越性能好；高可靠性，免維護(hù)或少維護(hù)，適合大功率機(jī)組；效率高，機(jī)組年產(chǎn)能高；電機(jī)可自然冷卻。缺點(diǎn)是質(zhì)量重，體

4、積大；需全功率逆變器；設(shè)計制造較復(fù)雜，成本較高。  圖3 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)2.2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 當(dāng)前，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)電場中占主導(dǎo)地位，而直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來越廣泛，它省去了增速齒輪箱，大大提高了可靠性和效率，提高了單位kW的發(fā)電量。國內(nèi)已成功開發(fā)出13MW的直驅(qū)/半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，正在研發(fā)5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由于同樣功率時，電機(jī)的重量與其轉(zhuǎn)速成反比，MW級的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)（每分鐘只有十幾轉(zhuǎn)），重幾十噸，運(yùn)輸和吊裝都比較困難，如圖4所示。  圖4 發(fā)電機(jī)的吊裝圖2.3 混合勵磁發(fā)電機(jī)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中為了保持電壓不變，需要進(jìn)行

5、電壓調(diào)節(jié)。對于永磁發(fā)電機(jī)來說，轉(zhuǎn)速變化、溫度變化或負(fù)載電流變化都會造成輸出電壓的變動。但由于永磁電機(jī)的氣隙磁場是由永磁體和磁路磁導(dǎo)決定的，調(diào)節(jié)氣隙磁場困難而導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)困難。綜合電勵磁及永磁體勵磁兩種電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的混合勵磁同步發(fā)電機(jī)可解決調(diào)壓困難的問題，它的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了無刷化，免維護(hù)；輔助電勵磁部分的損耗小，具有永磁發(fā)電機(jī)的高效率特點(diǎn)；可以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，解決了永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)難的問題。某混合勵磁發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子實(shí)物如圖5所示，轉(zhuǎn)子典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。 圖5 樣機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子  圖6轉(zhuǎn)子的典型結(jié)構(gòu)3 超高效永磁同步電動機(jī)3.1 國際新標(biāo)準(zhǔn)據(jù)國際電工委員會（IEC）統(tǒng)計，工業(yè)用電

6、動機(jī)消耗全世界發(fā)電量的3040，改善整個驅(qū)動系統(tǒng)和應(yīng)用技術(shù)的效率對節(jié)能關(guān)系重大，系統(tǒng)優(yōu)化總的節(jié)能潛力可達(dá)到3060。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）2006年7月的工作報告，通過改善電動機(jī)效率結(jié)合變頻調(diào)速可以節(jié)約大約7的電能，其中大致有1/41/3是靠提高電動機(jī)效率來獲得的。目前，美、歐、日、澳大利亞、巴西等國都紛紛制訂電動機(jī)效率限值，并強(qiáng)制執(zhí)行。為協(xié)調(diào)各國能效分級標(biāo)準(zhǔn)，2006年IEC制定一項(xiàng)新的能效標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-30。該標(biāo)準(zhǔn)將一般用途電動機(jī)效率水平分為IE1（International Efficiency,簡稱IE）、IE2、IE3和IE4四級，其中IE1為標(biāo)準(zhǔn)效率，相當(dāng)于我國目前生產(chǎn)的

7、普通系列感應(yīng)電動機(jī)的效率水平；IE2為高效率，比普通電機(jī)的效率平均提高2.75個百分點(diǎn)，損耗平均下降20左右；IE3為超高效率，即效率再提高1.52個百分點(diǎn)，損耗平均再降低15左右，目前只有美國計劃2010年達(dá)到IE3能耗水平，強(qiáng)制執(zhí)行；IE4為超超高效率，損耗預(yù)計再下降20左右，需要進(jìn)行全新的電機(jī)設(shè)計，建立新的體系結(jié)構(gòu)（新的電機(jī)極數(shù)、速度范圍），采用更高性能的材料。由于IE4的技術(shù)目前尚不成熟，該標(biāo)準(zhǔn)僅在附錄中給出供參考的指標(biāo)。3.2永磁電動機(jī)的優(yōu)勢總結(jié)我國研發(fā)生產(chǎn)高效永磁電動機(jī)的經(jīng)驗(yàn)可以得出：永磁電動機(jī)容易做到高效率，即達(dá)到IE2級的效率值；進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，采用高性能硅鋼片和先進(jìn)工藝，在降

8、低一個機(jī)座號或者縮短鐵心的情況下，可以達(dá)到超高效，即IE3級的效率值。在不降低機(jī)座號或適當(dāng)增加鐵心的情況下，部分規(guī)格可能達(dá)到超超高效，即IE4級的效率值。下面舉幾個實(shí)例：1、油田抽油機(jī)用高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)動機(jī)目前，油田抽油機(jī)用感應(yīng)電動機(jī)普遍存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。國內(nèi)針對油田抽油機(jī)負(fù)載特性，在減小12個機(jī)座號的情況下開發(fā)出高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)系列（如圖7所示），該系列電機(jī)不僅在額定負(fù)載時效率和功率因數(shù)高，而且在輕載（1/4額定負(fù)載）時仍具有用較高的效率和功率因數(shù)，在不同油田運(yùn)行時節(jié)電率達(dá)20以上，表1為其中兩種典型規(guī)格電機(jī)效率與感應(yīng)電動機(jī)和IE3標(biāo)準(zhǔn)對比。

9、0; 圖7 超高效永磁電動機(jī)應(yīng)用于油田抽油機(jī)表1 超高效永磁電動機(jī)與感應(yīng)電動機(jī)和IE3標(biāo)準(zhǔn)對比電機(jī)規(guī)格電機(jī)類型效率（）機(jī)座號/鐵心長37kW6極超高效永磁電動機(jī)93.5200/220mm感應(yīng)電動機(jī)90.8250/225mmIE393.555kW6極高效永磁電動機(jī)93.8250/225mm感應(yīng)電動機(jī)92.0280/215mmIE394.22、化纖紡織用高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)在相同負(fù)載情況下，化纖紡織用電機(jī)尺寸一般比普通電機(jī)大12個功率等級，使得電機(jī)在運(yùn)行時存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。國內(nèi)經(jīng)過多年研究，所開發(fā)的7.5kW4極、11kW4極、15kW4極（如圖8所示）和18.5kW4

10、極在體積不增大的情況下能夠達(dá)到超高效甚至超超高效性能指標(biāo)（見表2），節(jié)電效果非常明顯。   圖8 15kW高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)在現(xiàn)場運(yùn)行表2 超超高效高牽入同步能力永磁同步電動機(jī)與IE4標(biāo)準(zhǔn)對比電機(jī)規(guī)格電機(jī)類型效率（）機(jī)座號/鐵心長15kW4極超超高效永磁電動機(jī)94.48160/180mm感應(yīng)電動機(jī)88.5160/195mmIE494.17.5kW4極超超高效永磁電動機(jī)93.5132/180mm感應(yīng)電動機(jī)87.0132/160mmIE493.03、高效高過載能力永磁同步電動機(jī)高效高過載能力永磁同步電動機(jī)主要是應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載。國內(nèi)通過對該類電機(jī)的共性關(guān)

11、鍵技術(shù)研究，解決了制約該類電機(jī)的技術(shù)難題，開發(fā)出的11kW2極電機(jī)和18.5kW4極電機(jī)（見圖9）都達(dá)到了IE4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的效率值（見表3）。 圖9 超超高效永磁同步電動機(jī)（11kW2極）表3超超高效高過載能力永磁同步電動機(jī)與IE4指標(biāo)對比電機(jī)規(guī)格電機(jī)類型效率（）機(jī)座號/鐵心長18.5kW4極超超高效永磁電動機(jī)94.7160/165mm感應(yīng)電動機(jī)91.0180/190mm高效永磁電動機(jī)93.0160/165mmIE494.411kW2極超超高效永磁電動機(jī)94.2132/145mm感應(yīng)電動機(jī)87.2160/125mmIE493.84、中型異步起動高效稀土永磁同步電動機(jī)中型異步起動高效永磁同步電動機(jī)

12、主要用作驅(qū)動“三機(jī)一泵”（風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷凍機(jī)和水泵），這類負(fù)載要求高效率、高功率因數(shù)和高過載能力，同時要求運(yùn)行穩(wěn)定可靠。制約中型高效稀土永磁同步電動機(jī)研發(fā)的主要因素是工藝結(jié)構(gòu)問題（如圖10所示）。目前該類電機(jī)主要是在原有電機(jī)上進(jìn)行改造，通過技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出1150kW4極、1120kW4極、300kW4極、260kW4極和310kW6極幾種典型規(guī)格樣機(jī)，圖11為1150kW4極樣機(jī)照片。兩種電機(jī)性能指標(biāo)與原感應(yīng)電動機(jī)的對比如表4所示。 圖10 中型永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子沖片圖 圖11 1150kW4極樣機(jī)照片表4 中型永磁同步電動機(jī)與感應(yīng)電動機(jī)性能比較電機(jī)類型功率/kW效率/%功率因數(shù)感應(yīng)電動機(jī)11

13、2094.40.88永磁電動機(jī)112096.40.94感應(yīng)電動機(jī)30091.50.89永磁電動機(jī)30094.810.9663.3 變頻調(diào)速高效稀土永磁電動機(jī)1、變頻調(diào)速永磁電動機(jī)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載還可以通過變頻調(diào)速永磁電機(jī)來提高節(jié)電率和降低起動電流。國內(nèi)已開發(fā)出135kW、200kW和300kW等多種規(guī)格變頻調(diào)速高效永磁同步電動機(jī)。圖12為300kW電機(jī)照片。變頻調(diào)速電機(jī)與異步電機(jī)的性能比較如表5所示。表5 變頻調(diào)速永磁電機(jī)（ TYVF系列 ）、異步電機(jī)（JS系列）性能比較性能指標(biāo)TYVF200-4JS117-4TYVF300-4JS128-4額定功率 (kW)200180300300額定電壓 (

14、V)380380380380額定效率(%)94.992.595.591.5額定功率因數(shù)0.980.890.960.89堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(倍)1.540.901.690.90牽入轉(zhuǎn)矩(倍)1.60-1.90-失步轉(zhuǎn)矩(倍)1.58-1.52-冷卻方式獨(dú)立風(fēng)冷自扇冷卻獨(dú)立風(fēng)冷自扇冷卻 圖12 300kW4極電機(jī)照片2、船用永磁電動機(jī)通過對高效高功率密度船用永磁電機(jī)一系列關(guān)鍵技術(shù)問題的研究分析，如多相電機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)；大功率電機(jī)的永磁體和整機(jī)裝配工藝；高功率密度的永磁電機(jī)，最終研制出了250kW高效高功率密度船用永磁電機(jī)樣機(jī)（如圖13所示），電壓為690V，采用六相雙Y移30°繞組，效率為94.

15、7%。 圖13 250kW船用永磁電機(jī)4 交流永磁伺服電動機(jī)隨著永磁材料性能的提高、加工工藝的完善以及電機(jī)材料的發(fā)展，永磁伺服電機(jī)在各個領(lǐng)域均顯示出了強(qiáng)大的生命力。高性能的交流永磁伺服電動機(jī)具有效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)速度快、低速平穩(wěn)性好等許多優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于裝備制造業(yè)（機(jī)床、機(jī)器人等）、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等場合。4.1 數(shù)控機(jī)床用交流永磁伺服電動機(jī)現(xiàn)已開發(fā)出滿足高精度機(jī)床要求的交流永磁伺服電機(jī)，主要規(guī)格為TYJS 900-2000、 TYJS 1500-1500，該電機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1）該系列電機(jī)轉(zhuǎn)速無級可調(diào)，運(yùn)行穩(wěn)定，振動噪聲低；（2

16、）動態(tài)性能好，低速運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速脈動小，轉(zhuǎn)矩脈動小于2.5，轉(zhuǎn)速脈動小于1；（3）過載能力高，有的高于5倍，能完全滿足機(jī)床上的需要；（4）效率、功率因數(shù)高，節(jié)能效果明顯；（5）該系列電機(jī)采用新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使電機(jī)的有效材料重量顯著降低，體積小、功率密度高。從價格上來看，生產(chǎn)的電機(jī)價格為進(jìn)口電機(jī)的1/22/3。因此不論從性價比上，還是從力能指標(biāo)上，都占有絕對優(yōu)勢，在國際市場上具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢，替代了進(jìn)口，提升裝備制造業(yè)在國際市場上的競爭力，增加出口創(chuàng)匯。4.2 曳引機(jī)用交流永磁伺服電動機(jī)原有齒輪傳動的電梯曳引機(jī)，因齒輪箱的存在綜合效率僅為65左右，且振動噪聲很大，維護(hù)也較困難?，F(xiàn)采用

17、無齒輪曳引永磁電機(jī)后，效率可提高近25個百分點(diǎn)，且動態(tài)性能較好，特別是低速時運(yùn)行平穩(wěn)。每臺每年節(jié)約電費(fèi)3000多元，有功節(jié)電率可達(dá)28.9。圖14為曳引機(jī)用交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖15為電機(jī)的實(shí)物圖。 圖14 曳引機(jī)用交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖15 電機(jī)的實(shí)物圖4.3 超低速永磁力矩電機(jī)圖16為超低速永磁電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，圖17為該樣機(jī)的實(shí)物圖。該樣機(jī)的額定功率為2.8kW；額定轉(zhuǎn)速為 ，最低轉(zhuǎn)速為 (約為5小時1轉(zhuǎn))；額定轉(zhuǎn)矩為4586Nm；電機(jī)外徑達(dá)到2m。該電機(jī)解決了制約薄環(huán)超低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)的加工工藝及工裝等關(guān)鍵技術(shù)問題。圖16 超低速永磁電機(jī)典型結(jié)構(gòu)圖 圖17 超低速永磁電機(jī)實(shí)物

18、圖5 特種永磁電機(jī)5.1 盤式永磁電機(jī)盤式永磁電機(jī)的氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向的，可以使電機(jī)制成扁平型，可獲得很高的轉(zhuǎn)矩密度。如制成多氣隙組合式結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩，特別適合于大力矩直接驅(qū)動裝置。圖18為盤式永磁電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。 圖18 盤式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu) 電機(jī)的溫度場分布取決于冷卻介質(zhì)和電磁損耗的分布，為了能夠獲得電機(jī)溫度的準(zhǔn)確分布，建立永磁電機(jī)磁場電路流場溫度場的耦合計算模型，在產(chǎn)品開發(fā)階段即可完成熱性能分析，從而降低試驗(yàn)成本，縮短設(shè)計周期。電機(jī)的溫度場分布如圖19所示。 圖19 電機(jī)整機(jī)和轉(zhuǎn)子的溫度場分布5.2 無鐵心永磁電動機(jī)傳統(tǒng)電機(jī)的磁場是由電流產(chǎn)生的，為了減少磁路的磁阻，都選

19、用高磁導(dǎo)率的硅鋼片疊壓而成定、轉(zhuǎn)子鐵心，這樣會導(dǎo)致電機(jī)的體積大、質(zhì)量重（鐵心占總重的60%左右）、損耗大（鐵心損耗占總損耗的20%30%）、振動噪聲大。無鐵心永磁電機(jī)充分利用釹鐵硼永磁材料的優(yōu)異磁性能，少用或不用硅鋼片，并在磁路結(jié)構(gòu)上采用聚磁型永磁體結(jié)構(gòu)形式（如圖20所示），開發(fā)出具有高效率、高功率因數(shù)、高功率密度、低噪聲的kW級無鐵心釹鐵硼永磁電動機(jī)，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電動車、電梯、家用電器等要求較高的控制場合具有廣闊的應(yīng)用前景。圖21為無鐵心永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子實(shí)物圖。表6列舉了2.2kW無鐵心電機(jī)與同規(guī)格的Y2系列異步電動機(jī)的對比分析。 圖20 Halbach型永磁體陣列 圖21 無鐵心永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子實(shí)物圖表6 無鐵心電機(jī)與同規(guī)格Y2系列感應(yīng)電動機(jī)的對比分析電機(jī)型號Y2-132S-8TYB2200-750比較結(jié)果中心高132112額定功率/W22002200效 率/78.089.8提高11.8功率因數(shù)0.710.95提高0.24功率密度/W·kg133.8568.75提高103噪聲/dB(A)7157降低14dB（A）但是，無鐵心電機(jī)需要增大永磁體的磁化方向長度，需要多用永磁材料，制造工藝也較復(fù)雜，增大了成本。在同樣定