永磁電機(jī)行業(yè)發(fā)展概述

文／西安微電機(jī)研究所 張樸 羅潤(rùn)娟／

永磁電機(jī)是微特電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展領(lǐng)域，占其總量90%以上，因此對(duì)于微特電機(jī)行業(yè)而言，“十二五”期間要大力推進(jìn)永磁電機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，在抓緊量大面廣產(chǎn)品發(fā)展的同時(shí)，又要加快稀土永磁電機(jī)的研發(fā)。

我國早已成為永磁電機(jī)生產(chǎn)和出口大國，大功率永磁電機(jī)現(xiàn)已開始出口至歐洲和北美，因此，作為永磁電機(jī)企業(yè)應(yīng)該盡快從傳統(tǒng)手工業(yè)提升到現(xiàn)代工業(yè)裝備制造，向規(guī)?；较虬l(fā)展，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供合格產(chǎn)品，又為外貿(mào)出口做出貢獻(xiàn)。筆者結(jié)合近年來的行業(yè)發(fā)展情況，簡(jiǎn)單介紹永磁電機(jī)的基本情況。

目前，國家正加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、調(diào)整優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)；微特電機(jī)行業(yè)，也正處在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)時(shí)期，每個(gè)企業(yè)應(yīng)該在此時(shí)期，從微觀經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，找到一些新的商機(jī)。永磁電機(jī)是微特電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展領(lǐng)域，占其總量90%以上，因此對(duì)于微特電機(jī)行業(yè)而言，“十二五”期間要大力推進(jìn)永磁電機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，在抓緊量大面廣產(chǎn)品發(fā)展的同時(shí)，又要加快稀土永磁電機(jī)的研發(fā)。我國早已成為永磁電機(jī)生產(chǎn)和出口大國，大功率永磁電機(jī)現(xiàn)已開始出口至歐洲和北美，因此，作為永磁電機(jī)企業(yè)應(yīng)該盡快從傳統(tǒng)手工業(yè)提升到現(xiàn)代工業(yè)裝備制造，向規(guī)?；较虬l(fā)展，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供合格產(chǎn)品，又為外貿(mào)出口做出貢獻(xiàn)。筆者結(jié)合近年來的行業(yè)發(fā)展情況，簡(jiǎn)單介紹永磁電機(jī)的基本情況。

1.微特電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對(duì)微特電機(jī)的需求量大增，例如城市家庭各種電器中的微特電機(jī)平均達(dá)到20臺(tái)，農(nóng)村家庭為10臺(tái)；又如汽車中使用的低壓永磁直流電機(jī)平均為20臺(tái)左右。我國加入世貿(mào)組織后，微特電機(jī)出口量也逐年上升。我國早已成為微特電機(jī)世界生產(chǎn)第一大國。

據(jù)2010年調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前我國大陸微特電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)超過1100家，從業(yè)人員38萬，銷售收入過千億元。從2004年到2010年，微特電機(jī)產(chǎn)量和出口量分年增長(zhǎng)率達(dá)10%以上。目前，我們初步估計(jì)微特電機(jī)年產(chǎn)量約為80億臺(tái)左右，出口約為40億臺(tái)。

以下是國內(nèi)近三年來年幾個(gè)典型領(lǐng)域使用微特電機(jī)數(shù)量的平均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：

車輛：電動(dòng)自行車2288萬臺(tái)；電動(dòng)摩托車415萬臺(tái)；汽車1億零74萬臺(tái)；

辦公自動(dòng)化：手機(jī)5.5億臺(tái)，PC機(jī)9.567億臺(tái)，筆記本電腦7.6億臺(tái)，打印機(jī)1.73億臺(tái)，傳真機(jī)1.5億臺(tái)，復(fù)印機(jī)2.9億臺(tái)，合計(jì)24.9億臺(tái)。

視聽設(shè)備：錄音機(jī)0.68億臺(tái)，收音機(jī)6億臺(tái)，音響2.2億臺(tái)，汽車音響1.1億臺(tái)，家庭影院0.3億臺(tái)，DVD機(jī)3.9億臺(tái)，合計(jì)8.8億臺(tái)。

2.永磁電機(jī)的發(fā)展

用永磁體來產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的電機(jī)稱為永磁電機(jī)。世界上最早的電機(jī)原型就是永磁電機(jī)，只是當(dāng)時(shí)永磁材料性能不良，讓電磁電機(jī)占了主流。永磁電機(jī)歷史悠久，但真正發(fā)展是近年來隨著高性能永磁材料的發(fā)展而發(fā)展起來的。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高等顯著特點(diǎn)，并且其形狀和尺寸可以靈活多樣，因而應(yīng)用范圍極為廣泛，產(chǎn)量也最大。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺(tái)容量已超過1000kW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min,最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min,最小電機(jī)外徑只有0.8mm,長(zhǎng)度為1.2mm。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，500W以下的直流電機(jī)中永磁電機(jī)占90%以上。如汽車使用的全是永磁直流電機(jī)，計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備絕大部分使用永磁步進(jìn)電機(jī)、有刷和無刷永磁電機(jī)，電動(dòng)自行車大多采用無刷永磁電機(jī)，手機(jī)振動(dòng)電機(jī)目前直徑已做到4毫米以下等等。另外，大功率電機(jī)近20年也向永磁化發(fā)展，產(chǎn)量增加，電機(jī)功率也越來越大，唐任遠(yuǎn)院士已經(jīng)做過超過1000千瓦的永磁電機(jī)，應(yīng)當(dāng)說永磁電機(jī)的發(fā)展勢(shì)頭正勁，將來隨著稀土永磁材料性能的不斷提高及價(jià)格的降低，預(yù)計(jì)各種伺服電機(jī)不論是直流和交流的還是步進(jìn)電機(jī)最終都將過渡到永磁電機(jī)，甚至應(yīng)用領(lǐng)域很廣的交流異步電機(jī)最終也會(huì)被永磁電機(jī)所替代。

永磁電機(jī)理論發(fā)展促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高。永磁電機(jī)理論發(fā)展大大促進(jìn)了產(chǎn)品的發(fā)展，其中像包括唐任遠(yuǎn)院士的《現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)》等許多專家的理論在指導(dǎo)行業(yè)進(jìn)步中起到了非常重要的作用。從高等院校師生發(fā)表的有關(guān)永磁電機(jī)論文的參考文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，《現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)》的被引率是很高的，這對(duì)永磁電機(jī)的研發(fā)無疑起到極大的推動(dòng)作用。

電力電子技術(shù)加快了永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)化步伐。近年來電力電子技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)了永磁同步電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化步伐。永磁無刷直流電機(jī)價(jià)廉物美，應(yīng)用場(chǎng)合不受條件限制，如電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、除草機(jī)、高爾夫球車、建筑工程車。異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)既節(jié)能又簡(jiǎn)便，可保證設(shè)備工藝穩(wěn)定性不受電壓波動(dòng)、負(fù)載變化的影響；伺服永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可以精確定位，電機(jī)可以縮小3-4號(hào)機(jī)座，它不僅僅是引領(lǐng)高端產(chǎn)品的先鋒，還帶來了一場(chǎng)機(jī)械革命。如無齒曳引機(jī)、低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，不用減速機(jī)直接傳動(dòng)，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的效率、可靠性，降低了噪音，改善了設(shè)備的環(huán)境（漏油）。永磁同步電機(jī)發(fā)電機(jī)體積小、可靠性高、使用方便，不僅可作副勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，而且在北美還用于數(shù)百kW以上的大功率發(fā)電機(jī)。

永磁電動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)裝備業(yè)改造應(yīng)用如下：

在化工化纖行業(yè)，永磁同步變頻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障少的特點(diǎn)，不僅大量節(jié)約了寶貴的能源，最主要的是紡出的長(zhǎng)絲品質(zhì)已經(jīng)達(dá)到和接近天然纖維（棉花、羊毛、桑蠶絲等），因而得到了大量廣泛的應(yīng)用。

機(jī)床行業(yè)的電主軸電機(jī)采用永磁同步伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)、滑差調(diào)速電機(jī)、異步電機(jī)，可保證機(jī)床本身的精度和加工精度，機(jī)床的電氣化和自動(dòng)化程度提高。采用變頻伺服調(diào)速系統(tǒng)，可把進(jìn)給精度由原來的微米級(jí)提高到脈沖信號(hào)級(jí)，借助永磁同步電機(jī)剛硬的特性，能提高進(jìn)刀量、縮短回車時(shí)間以及提高工件表面粗糙度等。由于伺服電機(jī)系統(tǒng)采用無齒傳動(dòng)，具有噪音小，傳動(dòng)比大，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。因此，中高檔全功能數(shù)控車床、中高檔數(shù)控銑床、車削/銑削加工中心、車磨合一數(shù)控機(jī)床、數(shù)控立車等都無一例外地采用永磁伺服電機(jī)。隨著機(jī)床行業(yè)快速的技術(shù)進(jìn)步，以及國際數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，我國的機(jī)床正在向著多功能、全功能方向發(fā)展，機(jī)床主軸向著伺服化、高速化、更寬頻恒功率調(diào)速方向發(fā)展，對(duì)永磁電機(jī)也帶來機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

無齒輪曳引機(jī)，傳統(tǒng)的電梯所用的曳引機(jī)是由變頻調(diào)速系統(tǒng)來拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，這種驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都比較高，而電梯實(shí)際運(yùn)行的速度比較低，所以要加減速機(jī)來實(shí)行減速，而由于減速機(jī)構(gòu)的存在，使得曳引系統(tǒng)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、傳動(dòng)效率低、運(yùn)行噪聲高、漏油、安裝維修難等特點(diǎn)。而永磁同步電動(dòng)機(jī)采用高性能永磁材料和特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)，具有節(jié)能、高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，從而獲得廣泛應(yīng)用。

3.稀土永磁電機(jī)的發(fā)展情況

眾所周知，電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電力機(jī)械。磁場(chǎng)可以由電流勵(lì)磁產(chǎn)生，也可以由永磁體產(chǎn)生。但一般的永磁體,由于磁能密度低，因而建立的能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度也較低，所以只能制造一些容量小的永磁電機(jī)，如目前大量生產(chǎn)的鐵氧體永磁電機(jī)。高性能稀土永磁材料，特別是釹鐵硼永磁問世后，情況發(fā)生了重大變化。高性能釹鐵硼磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，不僅可以達(dá)到電流勵(lì)磁所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而且還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電流勵(lì)磁。

粘接稀土永磁材料最適合高精度精密微特電機(jī)。它具有高的磁能積，可使電機(jī)小型化，輕重量，高性能。第二，能支撐環(huán)形磁鐵，使電機(jī)氣隙減小，氣隙磁通密度提高，利于高性能化。第三，隨氣隙磁場(chǎng)的增大，永磁體剩磁和矯頑力同時(shí)增大，可得到平衡的磁特性。能有效利用各向同性磁材的優(yōu)點(diǎn)，即無需磁場(chǎng)趨向成形效率高，成形設(shè)備和模具簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)多極充磁。

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)。它與電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)相結(jié)合，可以制造出各種性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品，如數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性生產(chǎn)線、機(jī)器人、電動(dòng)車、高性能家用電器、計(jì)算機(jī)等等。

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。

采用稀土永磁體可以明顯減輕電機(jī)重量，縮小體積。這在較大功率電機(jī)中尤為明顯。例如10kW發(fā)電機(jī)，常規(guī)發(fā)電機(jī)重量為220kg，而永磁發(fā)電機(jī)重量?jī)H為92kg，相當(dāng)于常規(guī)發(fā)電機(jī)重量的45.8%。又如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器，上個(gè)世紀(jì)60年代采用鐵氧體，尺寸為14in，而采用釹鐵硼后只有3.5in，現(xiàn)在己達(dá)到2.5in。再如，荷蘭菲利蒲公司以70W微電機(jī)作過比較，稀土永磁電機(jī)體積為電流勵(lì)磁電機(jī)的1/4，為鐵氧體勵(lì)磁電機(jī)的1/2。總之，稀土永磁電機(jī)輕型化是個(gè)非常明顯的特點(diǎn)。

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‰，在機(jī)械特性方面，稀土永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，可在負(fù)載轉(zhuǎn)矩下直接起動(dòng)。此外，稀土永磁電機(jī)還具有運(yùn)行精度高（如計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器的擺動(dòng)電機(jī)端面與磁盤之間的跳動(dòng)量要求達(dá)到0.1~0.3μ）、運(yùn)行噪聲小、平穩(wěn)性好、過載能力大等特點(diǎn)。

稀土永磁電機(jī)又是一種高效節(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)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，不僅重量由原來的6.21kg降低到4.2kg，體積減少了1／3，而且效率提高了45%。在水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)需要無級(jí)變頻調(diào)速的場(chǎng)合，異步變頻調(diào)速可節(jié)電25%左右，而永磁變頻調(diào)速節(jié)電率高達(dá)30%以上。

家用電器的節(jié)能潛力很大，現(xiàn)在普通的家用電器選用的均為單相小型電機(jī)，這類電動(dòng)機(jī)額定效率很低，如0.18kW單相電動(dòng)機(jī)額定效率只有55%。相同容量的稀土永磁無槽無刷直流電機(jī)，額定效率可達(dá)90%，相差24%。

變頻調(diào)速將在電機(jī)產(chǎn)業(yè)廣泛推廣應(yīng)用。就家電產(chǎn)品而言，異步電機(jī)變頻調(diào)速、傳統(tǒng)直流電機(jī)調(diào)速、稀土永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速中，以無刷直流電機(jī)節(jié)能效果最為顯著。除稀土永磁電機(jī)額定效率明顯高于交流電機(jī)外，在調(diào)速過程中，隨著轉(zhuǎn)速調(diào)低，交流電動(dòng)機(jī)效率明顯下降，而稀土永磁電機(jī)效率卻變化不大。

稀土永磁電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域包括：

電動(dòng)自行車電機(jī)。燃油摩托車和助力車是城市大氣污染的主要來源之一，因此積極發(fā)展電動(dòng)自行車是減少污染、滿足和方便廣大群眾措施之一。世界上許多國家或地區(qū)都很重視。我國2002年電動(dòng)自行車產(chǎn)量?jī)H35萬輛，產(chǎn)值7000萬元，到2009年全國電動(dòng)自行車產(chǎn)量逾2200萬輛，已經(jīng)形成一個(gè)較大的行業(yè)。

目前我國生產(chǎn)的電動(dòng)自行車電機(jī)有兩大類，一類是永磁有刷直流電機(jī)，有盤式結(jié)構(gòu)和圓柱結(jié)構(gòu)兩種，另一類永磁無刷直流電機(jī)。

視聽產(chǎn)品包括錄像機(jī)，錄放機(jī)、激光唱機(jī)、隨身聽、VCD、DVD等。我國已是生產(chǎn)視聽產(chǎn)品大國。視聽產(chǎn)品使用的電機(jī)量占整個(gè)微特電機(jī)總量的25%，其中大部分是稀土永磁微特電機(jī)。在信息化時(shí)代，視聽產(chǎn)品向數(shù)字化方向發(fā)展，因此數(shù)字化視聽產(chǎn)品發(fā)展很快。DVD市場(chǎng)銷售量看漲，每臺(tái)DVD需配套3臺(tái)電機(jī)，用于主軸、加載裝置、播音器上。該領(lǐng)域目前使用的微特電機(jī)大部分是有刷永磁直流電機(jī)，但主軸電機(jī)是無刷的。隨著視聽產(chǎn)品小型化和數(shù)字化，對(duì)微特電機(jī)有更高的要求。高性能，如主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)7000r／min，軸的垂直精度要求達(dá)到μ級(jí)。低噪聲，音響設(shè)備對(duì)噪聲要求很嚴(yán)格。高可靠性，要求產(chǎn)品質(zhì)量可靠，雖然產(chǎn)品處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但電機(jī)的壽命必須保證與主機(jī)壽命相同，沒有易損零件，一般地不進(jìn)行中修。

稀土永磁電機(jī)還大量應(yīng)用于宇航和軍事裝備等行業(yè)。這類電機(jī)的品種有控制微電機(jī)和機(jī)電一體化、光機(jī)電一體化和智能電機(jī)。隨著現(xiàn)代軍事裝備的發(fā)展，對(duì)軍用微特電機(jī)提出高性能、高精度、高可靠性和輕型化的嚴(yán)格要求，同時(shí)提出耐惡劣環(huán)境的要求，如高低溫、高空、振動(dòng)沖擊和三防等特殊要求。我國自主開發(fā)的軍用微特電機(jī)基本上滿足我國現(xiàn)代化武器裝備的配套需要，而且也帶動(dòng)了民用產(chǎn)品的發(fā)展。

隨著技術(shù)的發(fā)展和高性能永磁材料的不斷降價(jià)，稀土永磁電機(jī)在家電、汽車、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域今后也必將占有越來越大的份額。

4.目前制約永磁電機(jī)行業(yè)發(fā)展的因素

經(jīng)過近幾年的調(diào)研，我們總結(jié)了目前制約我國微電機(jī)行業(yè)中永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因如下：

1) 生產(chǎn)廠家眾多，但力量分散，技術(shù)力量薄弱，發(fā)展后勁不足。

2) 企業(yè)規(guī)模不大，無法同萬寶至、德昌、日本電產(chǎn)、日本伺服等知名企業(yè)相比。

3) 產(chǎn)品可靠性同工業(yè)發(fā)達(dá)國家差距較大。高性能伺服系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與國外差距更大。

4) 企業(yè)短期行為依然嚴(yán)重。

5) 國家對(duì)中小企業(yè)的支持力度仍不大，資金仍然是制約其發(fā)展的重要因素。

隨著微電機(jī)行業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)水平的不斷創(chuàng)新，我國的永磁電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)也會(huì)越來越多的出現(xiàn)高水平、高技術(shù)附加值的產(chǎn)品，更好的服務(wù)于國民生產(chǎn)生活的各個(gè)環(huán)節(jié)。