永磁電機正進(jìn)入大發(fā)展

1、稀土永磁電機正進(jìn)入大發(fā)展的新時期   2011-1-24 引言低碳經(jīng)濟(jì)的到來為永磁電機帶來增長契機。永磁風(fēng)力發(fā)電機是可再生能源的主要發(fā)展方向之一。超高效永磁電動機和調(diào)速高效永磁電動機在節(jié)能減排方面發(fā)揮重大作用。電動車用永磁電機和軌道交通用永磁電動機在替代能源方面成為行業(yè)發(fā)展的另一焦點。交流永磁伺服電動機和特種永磁電機在信息化的進(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)域均顯示出了強大的生命力。

2、永磁電機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2.1 風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)歷了三代：第一代為定速定槳失速發(fā)電機組，鼠籠異步發(fā)電機，如圖1所示。其優(yōu)點是結(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。缺點是風(fēng)能利用率低；機組載荷沖擊大；對電網(wǎng)沖擊大，且無支持作用。  圖1 異步風(fēng)力發(fā)電機第二代為變速變槳雙饋發(fā)電機組，雙饋異步發(fā)

3、電機，如圖2所示。優(yōu)點是部件標(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。缺點是電機集電環(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)電機第三代為變速變槳直驅(qū)/半直驅(qū)發(fā)電機組，永磁同步發(fā)電機，如圖3所示。優(yōu)點是多極、低速，很容易實現(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；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)，適合大功率機組；效率高，機組年產(chǎn)能高；電機可自然冷卻。缺點是質(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2.2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機 當(dāng)前，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機在風(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，正在研發(fā)5MW的風(fēng)力發(fā)電機組。由于同樣功率時，電機的重量與其轉(zhuǎn)速成反比，MW級的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機（每分鐘只有十幾轉(zhuǎn)），重幾十噸，運輸和吊裝都比較困難，如圖4所示。  圖4 發(fā)電機的吊裝圖2.3 混合勵磁發(fā)電機在發(fā)電機運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優(yōu)點的混合勵磁同步發(fā)電機可解決調(diào)壓困難的問題，它的優(yōu)點是：實現(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)電機的高效率特點；可以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，解決了永磁發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)難的問題。某混合勵磁發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子實物如圖5所示，轉(zhuǎn)子典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。 圖5 樣機的定子和轉(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)國際能源機構(gòu)（IEA）2006年7月的工作報告，通過改善電動機效率結(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效率限值，并強制執(zhí)行。為協(xié)調(diào)各國能效分級標(biāo)準(zhǔn)，2006年IEC制定一項新的能效標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-30。該標(biāo)準(zhǔn)將一般用途電動機效率水平分為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)電動機的效率水平；IE2為高效率，比普通電機的效率平均提高2.75個百分點，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，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)行全新的電機設(shè)計，建立新的體系結(jié)構(gòu)（新的電機極數(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永磁電動機的優(yōu)勢總結(jié)我國研發(fā)生產(chǎn)高效永磁電動機的經(jīng)驗可以得出：永磁電動機容易做到高效率，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。下面舉幾個實例：1、油田抽油機用高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電機動機目前，油田抽油機用感應(yīng)電動機普遍存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費嚴(yán)重。國內(nèi)針對油田抽油機負(fù)載特性，在減小12個機座號的情況下開發(fā)出高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機系列（如圖7所示），該系列電機不僅在額定負(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)格電機效率與感應(yīng)電動機和IE3標(biāo)準(zhǔn)對比。

9、0; 圖7 超高效永磁電動機應(yīng)用于油田抽油機表1 超高效永磁電動機與感應(yīng)電動機和IE3標(biāo)準(zhǔn)對比電機規(guī)格電機類型效率（）機座號/鐵心長37kW6極超高效永磁電動機93.5200/220mm感應(yīng)電動機90.8250/225mmIE393.555kW6極高效永磁電動機93.8250/225mm感應(yīng)電動機92.0280/215mmIE394.22、化纖紡織用高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機在相同負(fù)載情況下，化纖紡織用電機尺寸一般比普通電機大12個功率等級，使得電機在運行時存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費嚴(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)矩永磁同步電動機在現(xiàn)場運行表2 超超高效高牽入同步能力永磁同步電動機與IE4標(biāo)準(zhǔn)對比電機規(guī)格電機類型效率（）機座號/鐵心長15kW4極超超高效永磁電動機94.48160/180mm感應(yīng)電動機88.5160/195mmIE494.17.5kW4極超超高效永磁電動機93.5132/180mm感應(yīng)電動機87.0132/160mmIE493.03、高效高過載能力永磁同步電動機高效高過載能力永磁同步電動機主要是應(yīng)用于風(fēng)機、泵類負(fù)載。國內(nèi)通過對該類電機的共性關(guān)

11、鍵技術(shù)研究，解決了制約該類電機的技術(shù)難題，開發(fā)出的11kW2極電機和18.5kW4極電機（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（11kW2極）表3超超高效高過載能力永磁同步電動機與IE4指標(biāo)對比電機規(guī)格電機類型效率（）機座號/鐵心長18.5kW4極超超高效永磁電動機94.7160/165mm感應(yīng)電動機91.0180/190mm高效永磁電動機93.0160/165mmIE494.411kW2極超超高效永磁電動機94.2132/145mm感應(yīng)電動機87.2160/125mmIE493.84、中型異步起動高效稀土永磁同步電動機中型異步起動高效永磁同步電動機

12、主要用作驅(qū)動“三機一泵”（風(fēng)機、壓縮機、冷凍機和水泵），這類負(fù)載要求高效率、高功率因數(shù)和高過載能力，同時要求運行穩(wěn)定可靠。制約中型高效稀土永磁同步電動機研發(fā)的主要因素是工藝結(jié)構(gòu)問題（如圖10所示）。目前該類電機主要是在原有電機上進(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，圖11為1150kW4極樣機照片。兩種電機性能指標(biāo)與原感應(yīng)電動機的對比如表4所示。 圖10 中型永磁電動機轉(zhuǎn)子沖片圖 圖11 1150kW4極樣機照片表4 中型永磁同步電動機與感應(yīng)電動機性能比較電機類型功率/kW效率/%功率因數(shù)感應(yīng)電動機11

13、2094.40.88永磁電動機112096.40.94感應(yīng)電動機30091.50.89永磁電動機30094.810.9663.3 變頻調(diào)速高效稀土永磁電動機1、變頻調(diào)速永磁電動機風(fēng)機、泵類負(fù)載還可以通過變頻調(diào)速永磁電機來提高節(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。圖12為300kW電機照片。變頻調(diào)速電機與異步電機的性能比較如表5所示。表5 變頻調(diào)速永磁電機（ TYVF系列 ）、異步電機（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-冷卻方式獨立風(fēng)冷自扇冷卻獨立風(fēng)冷自扇冷卻 圖12 300kW4極電機照片2、船用永磁電動機通過對高效高功率密度船用永磁電機一系列關(guān)鍵技術(shù)問題的研究分析，如多相電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)；大功率電機的永磁體和整機裝配工藝；高功率密度的永磁電機，最終研制出了250kW高效高功率密度船用永磁電機樣機（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4 交流永磁伺服電動機隨著永磁材料性能的提高、加工工藝的完善以及電機材料的發(fā)展，永磁伺服電機在各個領(lǐng)域均顯示出了強大的生命力。高性能的交流永磁伺服電動機具有效率高、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，廣泛用于裝備制造業(yè)（機床、機器人等）、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等場合。4.1 數(shù)控機床用交流永磁伺服電動機現(xiàn)已開發(fā)出滿足高精度機床要求的交流永磁伺服電機，主要規(guī)格為TYJS 900-2000、 TYJS 1500-1500，該電機主要優(yōu)點在于：（1）該系列電機轉(zhuǎn)速無級可調(diào)，運行穩(wěn)定，振動噪聲低；（2

16、）動態(tài)性能好，低速運行平穩(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）該系列電機采用新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使電機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)的電機價格為進(jìn)口電機的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 曳引機用交流永磁伺服電動機原有齒輪傳動的電梯曳引機，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。現(xiàn)采用

17、無齒輪曳引永磁電機后，效率可提高近25個百分點，且動態(tài)性能較好，特別是低速時運行平穩(wěn)。每臺每年節(jié)約電費3000多元，有功節(jié)電率可達(dá)28.9。圖14為曳引機用交流伺服電機結(jié)構(gòu)圖，圖15為電機的實物圖。 圖14 曳引機用交流伺服電機結(jié)構(gòu)圖 圖15 電機的實物圖4.3 超低速永磁力矩電機圖16為超低速永磁電機的典型結(jié)構(gòu)，圖17為該樣機的實物圖。該樣機的額定功率為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；電機外徑達(dá)到2m。該電機解決了制約薄環(huán)超低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機的加工工藝及工裝等關(guān)鍵技術(shù)問題。圖16 超低速永磁電機典型結(jié)構(gòu)圖 圖17 超低速永磁電機實物

18、圖5 特種永磁電機5.1 盤式永磁電機盤式永磁電機的氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向的，可以使電機制成扁平型，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為盤式永磁電機的典型結(jié)構(gòu)。 圖18 盤式永磁電機結(jié)構(gòu) 電機的溫度場分布取決于冷卻介質(zhì)和電磁損耗的分布，為了能夠獲得電機溫度的準(zhǔn)確分布，建立永磁電機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，從而降低試驗成本，縮短設(shè)計周期。電機的溫度場分布如圖19所示。 圖19 電機整機和轉(zhuǎn)子的溫度場分布5.2 無鐵心永磁電動機傳統(tǒng)電機的磁場是由電流產(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，在數(shù)控機床、機器人、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為無鐵心永磁電機定轉(zhuǎn)子實物圖。表6列舉了2.2kW無鐵心電機與同規(guī)格的Y2系列異步電動機的對比分析。 圖20 Halbach型永磁體陣列 圖21 無鐵心永磁電機定轉(zhuǎn)子實物圖表6 無鐵心電機與同規(guī)格Y2系列感應(yīng)電動機的對比分析電機型號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