稀土永磁電機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

一、引言

電機(jī)系統(tǒng)用電量約占全國用電量的60%，其中風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)和空調(diào)制冷機(jī)的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。電機(jī)系統(tǒng)量大面廣，節(jié)電潛力巨大。據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，全國現(xiàn)有各類電機(jī)系統(tǒng)總裝機(jī)容量約7億kW，運(yùn)行效率普遍比國外先進(jìn)水平低10～20個(gè)百分點(diǎn)，相當(dāng)于每年浪費(fèi)電能約1500億kWh。

為此國家發(fā)改委在“十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見”中提出：要推廣高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)、稀土永磁電動(dòng)機(jī)；同時(shí)推廣變頻調(diào)速、永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速等先進(jìn)電機(jī)調(diào)速技術(shù)，改善風(fēng)機(jī)、泵類電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機(jī)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(dòng)機(jī)和調(diào)速系統(tǒng)：

電力：用變頻、永磁電動(dòng)機(jī)改造風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)，重點(diǎn)是20萬kW以上火力發(fā)電機(jī)組。

冶金：鼓風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、冷卻水泵；加熱爐風(fēng)機(jī)、鑄造除鱗水泵等設(shè)備的變頻、永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速。

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

輕工：注塑機(jī)、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(jī)系統(tǒng)改造等。

二、稀土永磁電機(jī)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)

稀土永磁電機(jī)最顯著的性能特點(diǎn)是輕型化、高性能化、高效節(jié)能。高性能稀土永磁電機(jī)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(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)高效節(jié)能

稀土永磁電機(jī)是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，平均節(jié)電率高達(dá)10%以上，專用稀土永磁電機(jī)的節(jié)電率可高達(dá)15% ～20%。美國GM公司研制的釹鐵硼永磁起動(dòng)電機(jī)與老式串激直流起動(dòng)電機(jī)相比，效率提高了45%。在水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)采用永磁電機(jī)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(jī)重量，縮小體積。例如10 kW發(fā)電機(jī)，常規(guī)發(fā)電機(jī)重量為220 kg，而永磁發(fā)電機(jī)重量?jī)H為92 kg，相當(dāng)于常規(guī)發(fā)電機(jī)重量的45.8%。

(3)高性能化

高性能化也是稀土永磁電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)，有些性能是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)所不能及的。例如，數(shù)控機(jī)床用稀土永磁伺服電機(jī)，調(diào)速比高達(dá)1：10000。稀土永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精密控制驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速控制精度可達(dá)到0.1‰。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

永磁電機(jī)與傳統(tǒng)的電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用稀土永磁鐵后還可以增大氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到最佳值，提高功率質(zhì)量比。現(xiàn)代航空、航天用發(fā)電機(jī)幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機(jī)。

2.稀土永磁電機(jī)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(dòng)航天飛機(jī)升降副翼用的12.6kW，9 000r/min稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，效率為95%，僅重7.65kg。

(2)船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域：高性能艦船一般均采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)。國外在電力推進(jìn)系統(tǒng)中普遍采用永磁電機(jī)作為系統(tǒng)的推進(jìn)電機(jī)。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(dòng)機(jī)；俄羅斯最近也試制成功3 500kW的大型稀土永磁同步電機(jī)。

(3)風(fēng)機(jī)水泵行業(yè)：主要有油田電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電廠和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中，水泵和通風(fēng)機(jī)等機(jī)械負(fù)載的應(yīng)用數(shù)量最大。這也是永磁稀土電機(jī)推廣應(yīng)用主要場(chǎng)合。我國在油井抽油機(jī)推廣使用稀土永磁同步電機(jī)，已形成年產(chǎn)1萬臺(tái)以上的生產(chǎn)能力，在油田運(yùn)行情況良好，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)無齒輪曳引機(jī)，其效率可高達(dá)0.9以上，比交流異步電機(jī)+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(dá)電梯等均采用了該技術(shù)。

(5)空調(diào)行業(yè)：永磁同步電機(jī)及直流變頻驅(qū)動(dòng)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(jī)功率，且電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的效率極高，是實(shí)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(jìn)的180°正弦波控制及驅(qū)動(dòng)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(jī)廠，已研制成功2臺(tái)2MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，已應(yīng)用于內(nèi)蒙古卓姿風(fēng)電場(chǎng)。力德風(fēng)電與國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心已經(jīng)設(shè)計(jì)完成2.0MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

3.稀土永磁電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，永磁電機(jī)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(jī)的單臺(tái)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(jī)外徑只有?0.8mm，長(zhǎng)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(jī)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(hào)電機(jī)，移動(dòng)電站，自動(dòng)化裝備用伺服系統(tǒng)及電機(jī)，航空航天用高性能、高可靠性永磁電機(jī)，數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人用高調(diào)速比稀土永磁伺服電機(jī)，計(jì)算機(jī)用高精度擺動(dòng)電機(jī)及主軸電機(jī)等。

(2)向?qū)Ｓ秒姍C(jī)方向發(fā)展

電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載千變?nèi)f化，如全部采用通用型電動(dòng)機(jī)，在某些情況下，技術(shù)經(jīng)濟(jì)很不合理。因此國外大力發(fā)展專用電機(jī)，專用電機(jī)約占總產(chǎn)量的80%，通用電機(jī)占20%。而我國恰恰相反，專用電機(jī)只占20%，通用型電機(jī)占80%。專用電機(jī)是根據(jù)不同負(fù)載特性專門設(shè)計(jì)的，如油田用抽油機(jī)專用稀土永磁電機(jī)，節(jié)電率高達(dá)20%。這方面的節(jié)能潛力很大。應(yīng)該設(shè)計(jì)出性能先進(jìn)、運(yùn)行可靠、價(jià)格合理的稀土永磁電機(jī)產(chǎn)品。

(3)向輕型化方向發(fā)展

航空航天產(chǎn)品、電動(dòng)車輛、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)、視聽產(chǎn)品、醫(yī)療器械、便攜式光機(jī)電一體化產(chǎn)品等，都對(duì)電機(jī)提出體積小、重量輕的嚴(yán)格要求。永磁電動(dòng)機(jī)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(dòng), 消除齒輪減速裝置, 可通過頻率變化進(jìn)行調(diào)速等優(yōu)點(diǎn), 在許多場(chǎng)合都得以開發(fā)應(yīng)用。

三、稀土永磁無鐵芯電機(jī)

稀土永磁無鐵芯電機(jī)是代表電機(jī)行業(yè)未來發(fā)展方向的一種新型特種電機(jī)，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(jī)運(yùn)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(jī)系統(tǒng)效率提高到95%以上。

1.稀土永磁無鐵芯電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

稀土永磁電動(dòng)機(jī)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(duì)稱繞組，如下圖所示。

圖 稀土永磁無鐵心電機(jī)的結(jié)構(gòu)

稀土無鐵心無刷電機(jī)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)，具有優(yōu)異的控制性能；運(yùn)行效率高、溫升低、轉(zhuǎn)速范圍廣；電機(jī)的電樞中無齒槽且采用全塑封結(jié)構(gòu)，負(fù)載動(dòng)行時(shí)，噪聲及振動(dòng)都很低。

安托山特種機(jī)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(jī)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(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線，4條自主創(chuàng)新的新型變頻電機(jī)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(dòng)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)40萬臺(tái)不同功率電機(jī)的生產(chǎn)規(guī)模。

稀土永磁無鐵芯電機(jī)是一個(gè)重大創(chuàng)新，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了“三大”突破，一是與傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，采用了軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)功率，減少了鐵損發(fā)熱源。

2.稀土永磁無鐵芯電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域和效果

稀土永磁無鐵芯電機(jī)可應(yīng)用于量大面廣的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等通用設(shè)備，還可用在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、數(shù)控機(jī)床、油田抽油機(jī)、移動(dòng)電站等領(lǐng)域，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。初步測(cè)算，如果新增電機(jī)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(jì)效益和社會(huì)效益十分可觀。

(1)在節(jié)能減排方面的應(yīng)用

我國電機(jī)系統(tǒng)容量約7億kW，每年新增容量達(dá)到1.5億kW，但目前高效節(jié)能電機(jī)市場(chǎng)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(jī)市場(chǎng)需求巨大，可應(yīng)用于量大面廣的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等通用設(shè)備，還可用在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、數(shù)控機(jī)床、油田抽油機(jī)、移動(dòng)電站等領(lǐng)域。

(2)在工業(yè)拖動(dòng)設(shè)備方面

我國重點(diǎn)耗能行業(yè)的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)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(jī)容量大，系統(tǒng)能效水平低。據(jù)保守估計(jì)，采用稀土永磁無鐵芯電機(jī)拖動(dòng)通用設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)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(jī)整機(jī)重量輕，發(fā)電效率高，可降低風(fēng)電場(chǎng)造價(jià)和風(fēng)電成本。2010年我國風(fēng)力發(fā)電規(guī)模將達(dá)到2000萬kW，2020年有望達(dá)到1億kW。目前，我國風(fēng)電設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模近千億元，稀土永磁無鐵芯風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)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(dòng)汽車方面

據(jù)預(yù)測(cè)，2015年我國純電動(dòng)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(jī)效率更高，體積更小，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域比目前的永磁無刷電機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)更明顯。據(jù)保守測(cè)算，稀土永磁無鐵芯電機(jī)在電動(dòng)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(jī)控制技術(shù)

由于稀土永磁無鐵芯電機(jī)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(jī)系統(tǒng)，才能更好地發(fā)揮其作用。

永磁電機(jī)系統(tǒng)是以電機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)位置、速度和轉(zhuǎn)矩等反饋信息來進(jìn)行控制。一般由永磁電動(dòng)機(jī)、傳感（傳感器）和驅(qū)動(dòng)器三部分組成。目前從技術(shù)發(fā)展動(dòng)向來看，具有強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理功能的DSP迅速替代原單片機(jī)作為主控單元進(jìn)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(jiǎn)化外圍電路。同時(shí)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(jìn)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(jī)所面臨的問題

稀土永磁無鐵芯電機(jī)是一種全新產(chǎn)品，市場(chǎng)正處于培育之中，推廣應(yīng)用還面臨不少困難。一是社會(huì)認(rèn)知度不高。大多數(shù)用戶對(duì)該技術(shù)不了解，對(duì)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(jī)方面的標(biāo)準(zhǔn)十分匱乏，稀土永磁無鐵芯電機(jī)方面更是空白，嚴(yán)重影響了這類電機(jī)的產(chǎn)品選型、性能評(píng)估、質(zhì)量檢測(cè)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(jī)已批量生產(chǎn)，在小型風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電、電動(dòng)工具方面得到了推廣使用。但在中、大功率電機(jī)上還處于示范階段。四是對(duì)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(tuán)是我國裝備制造業(yè)特大型企業(yè)集團(tuán)，產(chǎn)品涉及電站及輸配電設(shè)備制造業(yè)、機(jī)電一體化設(shè)備產(chǎn)業(yè)、交通運(yùn)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(jī)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(tuán)對(duì)電機(jī)領(lǐng)域的重視和投入加大，高效節(jié)能電機(jī)必將成為未來電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的主要方向之一，必將在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。