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稀土永磁電機開展總述

稀土永磁電機開展總述
1 引言

電機是以磁場為前言進行機械能和電能彼此變換的電磁設備。為在電機內樹立進行機電能量變換所必需的氣隙磁場,能夠有兩種方法。一種是在電機繞組磁瓦內通電流發生,既需求有專門的繞直流電機磁瓦組和相應的設備,又需求不斷供應能量以堅持電流流動,例如一般的直流電機和同步電機;另一種是由永磁體來發生磁場,既可簡化電機結構,又可節約能量,這就是永磁電機。

2 永磁電機的開展概略

永磁電機的開展同永磁資料的開展電機磁瓦密切相關。我國是國際上最早發現永磁資料的磁特性並把它運用於實踐的國家,兩千多年前,我國運用永磁資料的磁特性製成了指南針,在航海、軍事等範疇發揮了巨大的效果,成為我國古代四大創造之一。

19世紀20年代呈現的國際上第一台電機就是由永磁體發生勵磁磁場的永磁電機。但其時所用的永磁資料是天然磁鐵礦石(Fe3O4),磁能密度很低,用它製成的電機體積巨大,不久被電勵磁電機所代替。

跟著各種電機迅速開展的需求和電流充磁器的創造,人們對永磁資料的機理、構成和製作技能進行了深入研討,相繼發現了碳鋼、鎢鋼(最大磁能積約2.7kJ/m3)、鈷鋼(最大磁能積約7.2kJ/m3)等多種永磁資料。特別是20世紀30年代呈現的鋁鎳鈷永磁(最大磁能積可達85kJ/m3)和50年代呈現的鐵氧體永磁(最大磁能積現可達40kJ/m3),磁功用有了很大進步,各種微型和小型電機又紛繁運用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數毫瓦,大至幾十千瓦,在軍事、工農業生產和日常日子中得到廣泛運用,產值急劇添加。相應地,這段時期在永磁電機的規劃理論、核算方法、充磁和製作技能等方麵也都取得了打破性開展,形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套剖析研討方法。

可是,鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低(36~160kA/m),鐵氧體永磁的剩磁密度不高(0.2~0.44T),約束了它們在電機中的運用規模。一直到20世紀60年代和80年代,稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁(二者總稱稀土永磁)相繼問世,它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優異磁功用特別適合於製作電機,從而使永磁電機的開展進入一個新的曆史時期。

稀土永磁資料的開展大致分為三個階段。1967年美國K.J.Strnat教授發現的釤鈷永磁為第一代稀土永磁,其化學式可表示成RCo5,簡稱1:5型稀土永磁,產品的最大磁能積超越199kJ/m3(25MG·Oe)。1973年又呈現了磁功用更好的第二代稀土永磁,其化學式為R2Co17,,簡稱2:17型稀土永磁,產品的最大磁能積到達258.6kJ/m3(32.5MG·Oe)。1983年日本住友特種金屬公司和美國通用轎車公司各自研發成功釹鐵硼(NdFeB)永磁,稱為第三代稀土永磁。因為釹鐵硼永磁的磁功用高於其他永磁資料,價格又低於稀土鈷永磁資料,在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍,並且不含戰略物質——鈷,因此引起了國內外磁學界和電機界的極大關注,紛繁投入許多人力物力進行研討開發。現在正在研討新的更高功用的永磁資料,如釤鐵氮永磁、納米複合稀土永磁等,希望能有新的更大的打破。

與此相對應,稀土永磁電機的研討和開發大致能夠分紅三個階段。

第一階段:20世紀60年代後期和70年代,因為稀土鈷永磁價格昂貴,研討開發要點是航空、航天用電機和要求高功用而價格不是首要因素的高科技範疇。

第二階段:20世紀80年代,特別是1983年呈現價格相對較低的釹鐵硼永磁後,國內外的研討開發要點轉移到工業和民用電機上。稀土永磁的優異磁功用,加上電力電子器件和微機技能的迅猛開展,不隻使許多傳統的電勵磁電機紛繁用稀土永磁電機來代替,並且能夠完成傳統的電勵磁電機所難以到達的高功用。

第三階段:進入20世紀90年代,跟著永磁資料功用的不斷進步和完善,特別是釹鐵硼永磁的熱安穩性和耐腐蝕性的改善和價格的逐漸下降以及電力電子器件的進一步開展,加上永磁電機研討開發經曆的逐漸老練,除了大力推廣和運用已有研討成果,使永磁電機在國防、工農業生產和日常日子等各個方麵取得越來越廣泛的運用外,稀土永磁電機的研討開發進入一個新階段。一方麵,正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功用化和微型化方向開展。現在,稀土永磁電機的單台容量已超越1000kW,最高轉速已超越300000r/min,最低轉速低於0.01r/min,最小電機外徑隻要0.8mm,長1.2mm。另一方麵,促進永磁電機的規劃理論、核算方法、結構工藝和操控技能等方麵的研討工作呈現簇新的局勢,有關的學術論文和科研成果許多呈現,形成了以電磁場數值核算和等效磁路解析求解相結合的一整套剖析研討方法和核算機輔佐規劃軟件。

我國的稀土資源豐富,稀土不稀,聲稱“稀土王國”。稀土礦石和稀土永磁的產值都居國際前列。稀土永磁資料和稀土永磁電機的科研水平都到達了國際先進水平。因此,充分發揮我國稀土資源豐富的優勢,大力研討和推廣運用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機,對完成我國社會主義現代化具有重要的理論含義和實用價值。

3 永磁電機的首要特色和運用

與傳統的電勵磁電機比較,永磁電機,特別是稀土永磁電機具有結構簡略,運轉牢靠;體積小,質量輕;損耗小,功率高;電機的形狀和尺度能夠靈活多樣等顯著長處。因此運用規模極為廣泛,簡直廣泛航空航天、國防、工農業生產和日常日子的各個範疇。下麵介紹幾種典型永磁電機的首要特色及其首要運用場合。

3.1稀土永磁發電機

永磁同步發電機與傳統的發電機比較不需求集電環和電刷設備,結構簡略,削減了故障率。選用稀土永磁後還能夠增大氣隙磁密,並把電機轉速進步到最佳值,進步功率質量比。今世航空、航天用發電機簡直悉數選用稀土永磁發電機。其典型產品為美國通用電氣公司製作的150kVA14極12000r/min~21000r/min和100kVA60000r/min的稀土鈷永磁同步發電機。國內研發的第一台稀土永磁電機即為3kW20000r/min的永磁發電機。

永磁發電機也用作大型汽輪發電機的副勵磁機,80年代我國研發成功其時國際容量最大的40kVA~160kVA稀土永磁副勵磁機,裝備200MW~600MW汽輪發電機後大大進步電站運轉的牢靠性。

現在,獨立電源用的內燃機驅動小型發電機、車用永磁發電機、風輪直接驅動的小型永磁風力發電機正在逐漸推廣。

3.2高效永磁同步電動機

永磁同步電動機與感應電動機比較,不需求無功勵磁電流,能夠顯著進步功率因數(可到達1,乃至容性),削減了定子電流和定子電阻損耗,並且在安穩運轉時沒有轉子銅耗,進而能夠減小電扇(小容量電機乃至能夠去掉電扇)和相應的風摩損耗,功率比同標準感應電動機可進步2~8個百分點。並且,永磁同步電動機在25%~120%額定負載規模內均可堅持較高的功率和功率因數,使輕載運轉時節能效果更為顯著。這類電機一般都在轉子上設置起動繞組,具有在某一頻率和電壓下直接起動的才能。現在首要運用在油田、紡織化纖工業、陶瓷玻璃工業和年運轉時間長的風機水泵等範疇。

我國自主開發的高效高起動轉矩釹鐵硼永磁同步電動機在油田運用中能夠處理“大馬拉小車”問題,起動轉矩比感應電動機大50%~100%,能夠代替大一個機座號的感應電動機,節電率在20%左右。

紡織化纖職業中負載轉動慣量大,要求高牽入轉矩。合理規劃永磁同步電動機的空載漏磁係數、凸極比、轉子電阻、永磁體尺度和定子繞組匝數能夠進步永磁電機的牽入功用,促進它運用於新式的紡織和化纖工業。

大型電站、礦山、石油、化工等職業所用幾百千瓦和兆瓦級風機、泵類用電機是耗能大戶,而現在所用電機的功率和功率因數較低,改用釹鐵硼永磁後不隻進步了功率和功率因數,節約能源,且為無刷結構,進步了運轉的牢靠性。現在1120kW永磁同步電動機是國際上功率最大的異步起動高效稀土永磁電機,功率高於96.5%(同標準電機功率為95%),功率因數0.94,能夠代替比它大1~2個功率等級的一般電動機。

3.3溝通伺服永磁電動機和無刷直流永磁電動機

現在越來越多地用變頻電源和溝通電動機組成溝通調速體係來代替直流電動機調速體係。在溝通電動機中,永磁同步電機的轉速在安穩運轉時與電源頻率堅持恒定的聯係,使得它可直接用於開環的變頻調速體係。這類電機一般由變頻器頻率的逐漸升高來起動,在轉子上能夠不設置起動繞組,並且省去了電刷和換向器,維護便利。

變頻器供電的永磁同步電動機加上轉子方位閉環操控體係構成自同步永磁電動機,既具有電勵磁直流電動機的優異調速功用,又完成了無刷化,首要運用於高操控精度和高牢靠性的場合,如航空、航天、數控機床、加工中心、機器人、電動轎車、核算機外圍設備等。

現已研發成寬調速規模、高恒功率調速比的釹鐵硼永磁同步電動機和驅動體係,調速比高達1:22500,極限轉速到達9000r/min。永磁同步電動機高效、小振蕩、低噪聲、高轉矩密度的特色在電動車、機床等驅動設備中是最理想的電動機。

跟著人民日子水平的不斷進步,對家用電器的要求越來越高。例如家用空調器,既是耗電大件,又是噪聲的首要來曆,其開展趨勢是運用能無級調速的永磁無刷直流電動機。它既能依據室溫的改動,主動調整到適合的轉速下長期運轉,削減噪聲和振蕩,使人的感覺更為舒適,還比不調速的空調器節電1/3。其他如電冰箱、洗衣機、除塵器、電扇等也在逐漸改用無刷直流電動機。

3.4永磁直流電動機

直流電動機選用永磁勵磁後,既保留了電勵磁直流電動機傑出的調速特性和機械特性,還因省去了勵磁繞組和勵磁損耗而具有結構工藝簡略、體積小、用銅量少、功率高級特色。因此從家用電器、便攜式電子設備、電動工具到要求有傑出動態功用的精細速度和方位傳動體係都許多運用永磁直流電動機。500W以下的微型直流電動機中,永磁電機占92%,而10W以下的永磁電機占99%以上。

現在,我國轎車職業開展迅速,轎車工業是永磁電機的最大用戶,電機是轎車的關鍵部件,一輛超豪華轎車中,各種不同用處的電機達70餘台,其中絕大部分是低壓永磁直流微電機。轎車、摩托車用起動機電動機,選用釹鐵硼永磁並選用減速行星齒輪後,可使起動機電動機的質量減輕一半。

3.5幾種新式結構的永磁電機

3.5.1無鐵心釹鐵硼永磁電機

運用釹鐵硼永磁資料高矯頑力的優異特性不用或少用矽鋼片,製成無鐵心電機,質量大大減輕。無鐵心永磁電機選用聚磁型結構和正餘弦充磁,所發生的磁場呈正弦散布,因此能夠不斜槽,能夠選用集中繞組,便於AC操控。繞組端部短,損耗小,轉矩密度高,振蕩噪聲顯著下降。運用在轎車方向盤驅動、機器人、電梯及DVD的驅動等許多方麵。

3.5.2橫向磁通釹鐵硼永磁電機

為了處理安放線圈的槽的寬度與磁通流經的齒部的寬度之間的對立,進步電機的功率密度和轉矩密度,人們不斷探究新的磁路結構,呈現了橫向磁通電機(TransverseFluxMachine)結構思維。這種電機定子齒槽結構和電樞線圈在空間上彼此垂直,主磁通沿電機軸向流轉,電流和磁負荷在空間上不存在競賽,因此定子尺度和通電線圈的巨細彼此獨立,在必定規模內能夠恣意選取,進步了功率密度。現在國際上對這種結構電機的研發剛剛起步,有寬廣的開展遠景。

3.6永磁特種電機

操控電機和特種電機的種類許多,其共同的開展趨勢之一是永磁化,以高功用的永磁體勵磁逐漸代替電勵磁。

因為稀土永磁具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積的特色,能夠容許所製成的電機具有較大的氣隙長度和氣隙密度,因此在永磁體安放和磁路結構規劃上有很大靈活性,能夠依據運用場合,特別是轎車、核算機和航天工程的需求,製成與傳統電機不同的結構形狀和尺度,例如盤式電機、無槽電機等。這既能夠進一步削減電機的質量和轉動慣量,進步電機的反響靈敏度;又能夠削減電機轉矩的脈動,添加運轉的平穩性;還能夠簡化電機的結構和工藝。因此在核算機外圍設備、辦公設備和要求精度定位操控的場合得到廣泛運用。

核算機磁盤驅動器中用以驅動讀寫磁頭作往複運動的動圈式直線電動機——音圈電動機需求高功用磁體,以確保滿足的靈敏度,縮小體積和減輕質量。釹鐵硼永磁正好能滿足這一要求。20世紀60年代選用鐵氧體永磁研發的是14in磁盤驅動器用音圈電動機。自選用釹鐵硼永磁後,驅動器尺度不斷縮小,存取時間顯著削減,存儲容量添加。1984年磁盤驅動器縮小到以5.25in盤為主;進入20世紀90年代,3.5in磁盤驅動器迅速增長,成為主體。今後幾年內2.5in和1.8in磁盤驅動器將大為開展。因此,日、美等國釹鐵硼永磁銷售量的一半左右用於製作音圈電動機。

此外,在步進電動機、開關磁阻電動、低速同步電動機等特種電機中添加釹鐵硼永磁勵磁後,其技能經濟功用、動態呼應特性都有顯著進步與改善。

4 永磁電機的研討推動了電機學科的開展

在永磁電機規劃、製作和運用過程中,需求留意對以下幾個問題的研討剖析。

4.1磁路結構和規劃核算

為了充分發揮各種永磁資料的磁功用,特別是稀土永磁的優異磁功用,製作出性價比高的永磁電機,就不能簡略套用傳統的永磁電機或電勵磁電機的結構和規劃核算方法,必須樹立新的規劃概念,從頭剖析和改善磁路結構。跟著核算機硬件和軟件技能的迅猛開展,以及電磁場數值核算、優化規劃和仿真技能等現代化規劃方法的不斷完善,經過電機學術界和工程界的共同努力,現已在永磁電機的規劃理論、核算方法、結構工藝和操控技能等方麵取得了打破性開展,形成了以電磁場數值核算和等效磁路解析求解相結合的一整套剖析研討方法和核算機輔佐剖析、規劃軟件,並正在不斷完善中。

4.2操控問題

永磁電機製成後不需外界能量即可堅持其磁場,但也形成從外部調理、操控其磁場極為困難。永磁發電機難以從外部調理其輸出電壓和功率因數,永磁直流電動機不能再用改動勵磁的方法來調理其轉速。這些使永磁電機的運用規模受到了約束。可是,跟著MOSFET、IGBT等電力電子器件和操控技能的迅猛開展,大多數永磁電機在運用中,能夠不用進行磁場操控而隻進行電樞操控。規劃時需求把稀土永磁資料、電力電子器件和微機操控三項新技能結合起來,使永磁電機在簇新的工況下運轉。

4.3不可逆退磁問題

如果規劃或運用不當,永磁電機在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度時,在衝擊電流發生的電樞反響效果下,或在劇烈的機械轟動時有可能發生不可逆退磁,或叫失磁,使電機功用下降,乃至無法運用。因此,既要研討開發適於電機製作廠運用的查看永磁資料熱安穩性的方法和設備,又要剖析各種不同結構方式的抗去磁才能,以便在規劃和製作時,選用相應措施確保永磁電機不失磁。

4.4本錢問題

鐵氧體永磁電機,特別是微型永磁直流電動機,因為結構工藝簡略、質量減輕,總本錢一般比電勵磁電機低,因此得到了極為廣泛的運用。因為稀土永磁現在價格還比較貴,稀土永磁電機的本錢一般比電勵磁電機高,這需求用它的高功用和運轉費用的節省來補償。在某些場合,例如核算機磁盤驅動器的音圈電動機,選用釹鐵硼永磁後功用進步,體積質量顯著減小,總本錢反而下降。在規劃時既需依據詳細運用場合和要求,進行功用、價格的比較後決議取舍,又要進行結構工藝的立異和規劃優化以下降本錢。

5 稀土永磁電機的開展趨勢

我國稀土資源豐富,稀土礦的儲藏量居國際首位。稀土永磁資料和稀土永磁電機的科研水平都到達了國際先進水平,充分發揮我國稀土資源豐富的優勢,大力研討和推廣運用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機,對加速完成我國全麵進入小康社會具有重要的含義。

稀土永磁電機正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功用化和微型化方向開展,不斷擴展新的電機種類和運用範疇,運用遠景十分達觀。為了滿足需求,稀土永磁電機的規劃和製作工藝需求不斷地進行立異,電磁結構將更為雜亂,核算結構將更為準確,製作工藝更為先進適用。這些雜亂問題需求運用多學科理論和體係工程進行優化規劃,進步性價比,促進電機等學科和職業進一步開展。
 
 
 
 
作者:東陽市雙洋電機磁瓦有限公司
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