稀土永磁电机

发展历史

　　电机是一种机械能、电能相互转换的机械。这个转换过程离不开电机的励磁结构。电机的励磁结构有两种：一种是电流励磁，即依靠铜线圈绕组通过电流来励磁，类似电磁铁产生磁场，磁场的大小取决于绕组的匝数和励磁电流的大小。再一种就是永磁励磁，即通过永磁体提供磁场，磁场的大小取决于永磁体本身磁性能的高低和所用磁体的体积。

　　采用永磁励磁的电机就是永磁电机。电流励磁的很大局限性就是线圈发热量大，电机温升高，需要较大的绕组空间，同时还存在较大的铜损等，使得电机的效率和比功率低。而永磁励磁，只要永磁体的磁性能高就不存在以上局限，而且结构简单、维护方便，  特别对一些有特殊要求 (超高转速、超高灵敏度)和特殊环境 (防爆等)使用的电机，永磁 励磁 比电流励磁有突出的优点f2  。因此，在励磁结构方面，随着永磁材料性能的不断提高，新型永磁材料的不断出现，永磁励磁结构将逐步取代传统的电流线圈励磁结构。永磁电机的发展和永磁材料的发展息息相关，新型永磁材料的出现必将大力促进永磁电机的快速发展。

　　世界上台电机就是永磁电机，所以利用永磁体来制造电机已有很悠久的历史。由于当时永磁材料的磁性能低，制成的电机非常笨重，即被电励磁电机所取代。1940年代以后，具有较高剩磁的铝镍钴和具有较高矫顽力的铁氧体永磁材料相继出现，永磁电机又获得生机，在微特电机领城里占有重要位置。但铝镍钴永磁矫顽力较低、易退磁，铁氧体永磁的剩磁较低，使用范围受到一定限制。

　　至六十年代后期代稀土永磁合金(SmCo5)和七十年代第二代稀土永磁合金(Sm2Co17)的出现，虽然原料钐与钴价格昂贵，但磁体磁性能好，使永磁电机有了较大的发展。八十年代钕铁硼稀土永磁问世，1983年被列为世界十大重要科技成果，举世瞩目。由于钕资源丰富，以廉价的铁取代昂贵的钴，价格相对低廉，钕铁硼稀土永磁磁性能好，极大地推动了永磁 电机的开发。稀土永磁磁性能优异，兼有铝镍钴和铁氧体永磁的优点，具有很高的剩磁和矫顽力 ，以及很大的磁能积。稀土永磁的磁能积比铝镍钴的大 5～8倍；比铁氧体的大 1O～15倍；在同样的有效体积条件下，比电励磁的大 5～8倍，仅次于超导励磁。且退磁曲线几乎是一条直线，回复曲线与退磁曲线基本重合，抗退磁能力强，热稳定性好 (钐钴永磁)，用于电机，可使电机体积缩小，重量减轻，输出功率大，效率显着提高，与电励磁电机相比，比功率 (单位重量电机输出功率)大 40％以上。稀土永磁连同功率电子器件和微型计算机巳被公认为促进电机发展的三大支柱。稀土永磁电机的发展与应用前景广阔，大有可为。

　　在永磁电机产品结构方面，在过去一段时间里，铝镍钴和铁氧体永磁几乎各占一半市场。今后将遵循材料互代性和竞争性原则，钕铁硼则以优异的磁性得到迅速发展。铁氧体永磁则以廉价的优势占据低档电机的市场。铝镍钴应用市场将相对减少，大部分将被钕铁硼所取代。但由于铝镍钴温度稳定性高，在高精度测速电机等信号类微电机中仍然会 占有一席之地 。

发展趋势

　　我国稀土资源丰富，稀土矿的储藏量居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对加快实现我国全面进入小康社会具有重要的意义。

　　稀土永磁电机正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方向发展，不断扩展新的电机品种和应用领域，应用前景非常乐观。为了满足需要，稀土永磁电机的设计和制造工艺尚需不断地进行创新，电磁结构将更为复杂，计算结构将更为精确，制造工艺更为先进适用。这些复杂问题需要应用多学科理论和系统工程进行优化设计，提高性价比，促进电机等学科和行业进一步发展。

优势

　　稀土永磁电机是在 Y 系列电机的基础上，将电机转子嵌人稀土永磁材料而成 ，与普通电机相比，具有以下优点 ：

　　(1)体积小，重量轻，耗材少。由于稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力，实现了电机磁路系统的小型化、轻量化； 表 1 为天津安全电机公司生产的两种技术指标相同但所用永磁材料不同的直流电机体积与重量参数的比较。可以看出钕铁硼永磁电机与铝镍钴永磁电机相比，电机的体积和重量大大减小和降低。

　　在相同功率下，ZYN40型稀土永磁直流电动机与铝镍钴电机相比，缩小一个机座号，重量和体积分别为铝镍钴电机的 70％和 68％；与铁氧体电机相比，缩小两个机座号，重量和体积分别为铁氧体电机的 4O％和 36  ：与 SZ系列电励磁电机相比，缩小两个机座号，重量和体积为电励磁电机的40％

       (2)效率高。一是由于磁路系统的小型化，绕组亦趋小，从而减少了电机的铜损和铁损，效率提高；二是在转子上嵌人稀土永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗；三是定子电流中无励磁电流分量，功率因数高，定子电流小，定子侧铜损下降，提高了电机效率。有人曾分析过 】，一台 20000r／min以上的高速有刷电动机，输出功率 316W，效率 69％，即损耗为 31％。其中，励磁铜损 6％，励磁铁损 3％，电枢铜损 3％，电刷损耗8％，电枢铁损 8％，机械损耗 2％，杂散损耗 1％。

　　大量使用的感应电动机，如冰箱压缩机、空调、洗衣机、风扇等用的电动机，若输出功率 l 18．4W，效率 83％，其损耗 17％，包括初级绕组铜损 6％，铁损 7％，次级铜损和杂散损耗共占4％：当输出功率为 420W、效率 85％时，损耗 15％，它包括初级绕组铜损 6％，铁损 4％，次级铜损和杂散损耗 5％。

　　如果使用永磁体产生磁场(作转子)，不使用电刷整流子，构成永磁电动机(无刷电动机)，损耗就只有 电枢绕组的铜损、电枢铁心的铁损和机械损耗。因此 ，有刷电动机特有的电刷损耗、有刷电动机和感应电动机中由初级电流励磁引起的次级铜损都可以消除，从而会大大提高电动机的效率。

　　(3)功率因数高。在稀土永磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于 1；减小了定子电流，进一步提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网的品质因数，减少了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省电网投资。

　　(4)起动力矩大。在需要大启动转矩的设备(如油田抽油机电机)中，可以用较小容量的稀土永磁电机替代较大容量的Y系列电机，如用 37kW 永磁电机代替 45～55kW 的Y系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节省了设备的投入费用，提高了系统的运行效能。

　　(5)力能指标好。异步电动机在低负载率 (即不在额定点运行)的情况下，效率和功率因数下降严重。Y系列电机在 60％的负荷下工作时，效率下降15％，功率因数下降30％，力能指标下降4o％。而永磁电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20％负荷时，其力能指标仍为满负荷的 80％以上。永磁电动机的效率在较大的负载变化范围平坦变化保持高效率，节能效果突出。尤其对油田抽油机类启动负载大、运行负载小的电机，节能效果更好。

　　(6)温升低。转子绕组中不存在铜损，定子绕组中几乎不存在无功电流，这样电机温升低。电励磁电机由绕组提供励磁电流，因受到励磁线圈温升的限制，励磁绕组占据空间较大，而高性能的稀土永磁体励磁可以缩小励磁空间和提供较高的气隙平均磁密，因而在相同的体积情况下可以提高电机的出力 J。

　　(7)可大气隙化，便于构成新型磁路。

　　(8)电枢反应小，抗过载能力强。

应用

　　由于稀土永磁电机上述优越性，其应用越来越广泛，主要应用领域有如下方面：

　　1、稀土永磁高效节能电机

　　着眼于稀土永磁电机的高效节能。以耗电大户为主要应用对象，如纺织和化纤行业用的稀土永磁同步电动机，油田、煤矿用的各种采掘、运输机械用的稀土永磁同步电动机，各种水泵和风机驱动用稀土永磁同步电动机等。

　　2、车用各类稀土永磁电动机

　　各类车用 (汽车、摩托车、火车)稀土永磁电动机，是稀土永磁电机的市场。据国外统计，大约有 70％的永磁体用在汽车上。一辆豪华的小轿车，各种不同用途的电机已达 70余台之多。由于各种汽车电机要求不同，所选择的永磁材料也不一样。空调器、风扇、电动窗等所用电机磁体，从价格角度考虑，将来仍将以铁氧体占优势。点火线圈、传动装置、传感器等仍然采用 Sm-Co系烧结磁体，但从价格考虑将向钕铁硼烧结永磁发展。

　　除上述汽车部件外，还不能忽略的是作为地球环境保护型的电动汽车 (EV)和混合动力汽车(HEV)。它们驱动及发电用的无刷同步马达多用高耐热性、高磁性能烧结钕铁硼永磁体。

　　3、稀土永磁电机交流伺服系统

　　该系统是一种集电子、机械于一体的机电一体化高性能调速系统。系统的主体是一台自控式稀土永磁同步电动机。这种系统用于数控机床，发展柔性制造技术；也用于电动汽车，替代传统的热动力汽车，车辆无排放 。这是一项极有发展前途的高技术产业。

　　4、新型家用电器用稀土永磁电动机

　　这个领域主要 是为新型空调器和冰箱配套的小功率稀土永磁同步电动机变频调速系统，用于各种小型无线电动工具的稀土永磁微型直流电动机，各种不同功率的仪器仪表用稀土永磁无刷直流电动机。这类电机的需求量也很大。

　　5、在航空航天 中的应用

　　稀土永磁体的优越性使其十分适合在航空航天电机中应用。尽管稀土永磁电机在航空中的某些应用 尚有一些 问题有待解决 (如发电机调压及短路保护等)，但是国内外专家一致认为，稀土永磁电机将是新一代航空电机的重要发展方向。

　　6、医用精密稀土永磁无刷直流电动机

　　作为医用器械的动力，目前都是用单相交流整流子电动机。这种高速旋转的整流子电机不仅故障率高，且寿命短、噪声大、无法作消毒处理。用电子换向无刷直流永磁电机取代势在必行，这将有效地提高工作可靠性，降低噪声，延长寿命，是开发新一代医用器械的关键。如高速微型医科磨钻机，用于口腔诊疗、五官科和骨科手术。