永磁電機研究現狀與發展。

一、引言

      電機系統用電量約占全國用電量的60%，其中風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。電機系統量大面廣，節電潛力巨大。據行業協會統計，全國現有各類電機系統總裝機容量約7億kW，運行效率普遍比國外先進水平低10~20個百分點，相當于每年浪費電能約1500億kWh。
      為此國家發改委在“十大重點節能工程實施意見”中提出：要推廣高效節能電動機、稀土永磁電動機；同時推廣變頻調速、永磁電動機調速等先進電機調速技術，改善風機、泵類電機系統調節方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節流調節方式。并建議在以下領域推廣應用稀土永磁電動機和調速系統：

      電力：用變頻、永磁電動機改造風機、水泵系統，重點是20萬kW以上火力發電機組。

      冶金：鼓風機、除塵風機、冷卻水泵；加熱爐風機、鑄造除鱗水泵等設備的變頻、永磁電動機調速。

      機電：研發制造節能型電機、電機系統及配套設備。

      輕工：注塑機、液壓油泵的變頻、永磁調速。

      其他：企業空調和通風、樓宇集中空調的永磁電機系統改造等。

二、稀土永磁電機技術發展和應用趨勢

      稀土永磁電機最顯著的性能特點是輕型化、高性能化、高效節能。高性能稀土永磁電機是許多新技術、高技術產業的基礎。

      1．稀土永磁電機的主要結構特點

      (1) 高效節能

      稀土永磁電機是一種高效節能產品，平均節電率高達10％以上，專用稀土永磁電機的節電率可高達15％ ～20％。美國GM公司研制的釹鐵硼永磁起動電機與老式串激直流起動電機相比，效率提高了45％。在水泵、風機、壓縮機采用永磁電機及變頻調速技術后可節電率30％以上。

      (2) 輕型化

      采用稀土永磁體可以明顯減輕電機重量，縮小體積。例如10 kW發電機，常規發電機重量為value="220" unitname="kg">220kg，而永磁發電機重量僅為value="92" unitname="kg">92 kg，相當于常規發電機重量的45.8％。

      (3) 高性能化

      高性能化也是稀土永磁電機的突出優點，有些性能是傳統標準電機所不能及的。例如，數控機床用稀土永磁伺服電機，調速比高達1：10000。稀土永磁電機可以實現精密控制驅動，轉速控制精度可達到0.1‰。

      (4) 結構簡單

      永磁電機與傳統的電機相比，結構簡單。采用稀土永磁鐵后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速調整到最佳值，提高功率質量比。現代航空、航天用發電機幾乎全部采用稀土永磁發電機。

      2.稀土永磁電機國內外應用現狀

      (1) 航天航空領域：美國已研制成驅動航天飛機升降副翼用的12.6kW，9 000r/min稀土永磁無刷直流電動機，效率為95%，僅重value="7.65" unitname="kg">7.65kg。

      (2) 船舶電力推進領域：高性能艦船一般均采用全電力推進系統。國外在電力推進系統中普遍采用永磁電機作為系統的推進電機。如西門子、 ABB和Alstom等都已形成產業。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

      同步電動機；俄羅斯最近也試制成功3 500kW的大型稀土永磁同步電機。

      (3) 風機水泵行業：主要有油田電力驅動系統、發電廠和鋼鐵生產企業中，水泵和通風機等機械負載的應用數量最大。這也是永磁稀土電機推廣應用主要場合。我國在油井抽油機推廣使用稀土永磁同步電機，已形成年產1萬臺以上的生產能力，在油田運行情況良好，取得了明顯的技術經濟效益。

      (4)電梯行業：國外主要電梯制造商大都采用了永磁同步電動機驅動無齒輪曳引機，其效率可高達0.9以上，比交流異步電機+減速箱結構系統節能30%以上，國內三菱電梯、日立電梯和迅達電梯等均采用了該技術。

      (5) 空調行業：永磁同步電機及直流變頻驅動技術是未來空調發展的主流，通過改變頻率來調節壓縮機功率，且電機在低頻運轉時的效率極高，是實現家電節能的最佳技術途徑之一。目前，日本已掌握較先進的180?正弦波控制及驅動技術，上海海立與中央研究院合作也已掌握此技術。

      (6)風電行業：國內湘潭電機廠，已研制成功2臺2MW直驅永磁同步風力發電機，已應用于內蒙古卓姿風電場。力德風電與國家稀土永磁電機工程技術研究中心已經設計完成2.0MW直驅永磁風力發電機。

      3.稀土永磁電機技術發展趨勢

      目前，永磁電機正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方向發展。稀土永磁電機的單臺容量已超過5 000kW，最高轉速已超過300 000r/min，最低轉速低于0.01r/min，最小電機外徑只有?value=".8" unitname="mm">0.8mm，長value="1.2" unitname="mm">1.2mm。

      (1) 向更高效節能和高性能方向發展

      現代化裝備向電機行業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電機，移動電站，自動化裝備用伺服系統及電機，航空航天用高性能、高可靠性永磁電機，數控機床、加工中心、機器人用高調速比稀土永磁伺服電機，計算機用高精度擺動電機及主軸電機等。

      (2) 向專用電機方向發展

      電機所驅動的負載千變萬化，如全部采用通用型電動機，在某些情況下，技術經濟很不合理。因此國外大力發展專用電機，專用電機約占總產量的80％，通用電機占20％。而我國恰恰相反，專用電機只占20％，通用型電機占80％。專用電機是根據不同負載特性專門設計的，如油田用抽油機專用稀土永磁電機，節電率高達20％。這方面的節能潛力很大。應該設計出性能先進、運行可靠、價格合理的稀土永磁電機產品。

      (3) 向輕型化方向發展

      航空航天產品、電動車輛、數控機床、計算機、視聽產品、醫療器械、便攜式光機電一體化產品等，都對電機提出體積小、重量輕的嚴格要求。永磁電動機具有體積小、節能、控制性能好、又容易做成低速直接驅動, 消除齒輪減速裝置, 可通過頻率變化進行調速等優點, 在許多場合都得以開發應用。

三、稀土永磁無鐵芯電機

      稀土永磁無鐵芯電機是代表電機行業未來發展方向的一種新型特種電機，采用無鐵芯、無刷、無磁阻尼、稀土永磁發電技術，改變了傳統電機運用硅鋼片與繞線定子結構，結合自主研發的電子智能變頻技術，使電機系統效率提高到95％以上。

      1.稀土永磁無鐵芯電機的結構特點

      稀土永磁電動機的基本結構是轉子為永磁結構，產生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱繞組，如下圖所示。稀土無鐵心無刷電機的出現是采用新材料、新工藝的結果。電樞采用耐熱性能優越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩定運行；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，消除了由齒槽效應帶來的轉矩波動，具有優異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結構，負載動行時，噪聲及振動都很低。安托山特種機電有限公司是專業生產高效節能稀土永磁無鐵芯電機產品系列的高科技企業。目前，已投入3億元建成3條無鐵芯電機自動化生產線，4條自主創新的新型變頻電機調速控制系統和高速貼片電子生產線。并規劃在3~5年內建成40條自動生產線，實現日產40萬臺不同功率電機的生產規模。稀土永磁無鐵芯電機是一個重大創新，技術上實現了“三大”突破，一是與傳統徑向磁場結構設計相比，采用了軸向磁場結構設計，大幅度提高功率密度和轉矩體積比。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、轉子鐵芯材料，消除了磁阻尼及鐵損，降低了驅動功率，減少了鐵損發熱源。

      2.稀土永磁無鐵芯電機應用領域和效果

      稀土永磁無鐵芯電機可應用于量大面廣的風機、水泵、壓縮機等通用設備，還可用在電動汽車、風力發電、數控機床、油田抽油機、移動電站等領域，具有得天獨厚的優勢，發展前景廣闊。初步測算，如果新增電機中有1/3被替代，每年可節電500億kW·h，節約硅鋼片50萬t、銅2萬t，可創造近百億元的產值，經濟效益和社會效益十分可觀。

      (1) 在節能減排方面的應用

      我國電機系統容量約7億kW，每年新增容量達到1.5億kW，但目前高效節能電機市場份額不到3％。隨著我國節能減排工作的深入開展，高效節能電機市場需求巨大，可應用于量大面廣的風機、水泵、壓縮機等通用設備，還可用在電動汽車、風力發電、數控機床、油田抽油機、移動電站等領域。

      (2) 在工業拖動設備方面

      我國重點耗能行業的風機、水泵、壓縮機等,通用設備耗電約占40%以上，年用電量超過5000億kW·h。這些設備單機容量大，系統能效水平低。據保守估計，采用稀土永磁無鐵芯電機拖動通用設備的系統運行效率平均可提高20%以上，節電潛力1000億kWh。

      (3)在風力發電方面

      稀土永磁無鐵芯風力發電機整機重量輕，發電效率高，可降低風電場造價和風電成本。2010年我國風力發電規模將達到2000萬kW，2020年有望達到1億kW。目前，我國風電設備市場規模近千億元，稀土永磁無鐵芯風力發電機市場需求巨大，如全面推廣應用，到2020年，年可多發電超過100億kWh。

      (4) 在電動汽車方面

      據預測，2015年我國純電動汽車產量將超過乘用車總產量的10％，年用電量超過200億kW·h。稀土永磁無鐵芯電機效率更高，體積更小，在電動汽車領域比目前的永磁無刷電機技術優勢更明顯。據保守測算，稀土永磁無鐵芯電機在電動汽車上大規模應用，到2015年，年節電超過12億kWh。

      3.稀土永磁無鐵芯電機控制技術

      由于稀土永磁無鐵芯電機的優越性，必將在各行各業應用，但必須有變頻調速控制器構成電機系統，才能更好地發揮其作用。永磁電機系統是以電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構的電氣傳動控制系統，根據位置、速度和轉矩等反饋信息來進行控制。一般由永磁電動機、傳感（傳感器）和驅動器三部分組成。目前從技術發展動向來看，具有強大數字信號處理功能的DSP迅速替代原單片機作為主控單元進入該領域，其特性不僅可以提高系統的性能，降低成本和功耗，還可簡化外圍電路。同時控制理論的應用方面也不僅僅限于基于穩態模型的標量控制，更多的是采用更先進的矢量控制和直接轉矩控制技術。

      4.推廣稀土永磁無鐵芯電機所面臨的問題

      稀土永磁無鐵芯電機是一種全新產品，市場正處于培育之中，推廣應用還面臨不少困難。一是社會認知度不高。大多數用戶對該技術不了解，對產品的工作原理、應用效果、可靠性還持懷疑態度。二是標準規范滯后。我國在永磁電機方面的標準十分匱乏，稀土永磁無鐵芯電機方面更是空白，嚴重影響了這類電機的產品選型、性能評估、質量檢測等，制約了產品的推廣應用。三是產業化程度還有待提高。目前，小功率稀土永磁無鐵芯電機已批量生產，在小型風力發電、柴油發電、電動工具方面得到了推廣使用。但在中、大功率電機上還處于示范階段。四是對相應的控制系統要求高，初投資較大。

四、結論與展望

      上海電氣集團是我國裝備制造業特大型企業集團，產品涉及電站及輸配電設備制造業、機電一體化設備產業、交通運輸設備產業、環保設備產業、家用電器以及電梯等領域，旗下電機生產企業十余家，其產品廣泛應用于電站、交通、電梯、風電等領域?？梢韵嘈牛S著集團對電機領域的重視和投入加大，高效節能電機必將成為未來電機產業的發展的主要方向之一，必將在電機系統節能領域發揮更大的作用。

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