一、稀土永磁電機(jī)的發(fā)展歷史

電機(jī)是一種機(jī)械能、電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程離不開電機(jī)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。電機(jī)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)有兩種：一種是電流勵(lì)磁，即依靠銅線圈繞組通過電流來勵(lì)磁，類似電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小取決于繞組的匝數(shù)和勵(lì)磁電流的大小。再一種就是永磁勵(lì)磁，即通過永磁體提供磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小取決于永磁體本身磁性能的高低和所用磁體的體積。

采用永磁勵(lì)磁的電機(jī)就是永磁電機(jī)。電流勵(lì)磁的很大局限性就是線圈發(fā)熱量大，電機(jī)溫升高，需要較大的繞組空間，同時(shí)還存在較大的銅損等，使得電機(jī)的效率和比功率低。而永磁勵(lì)磁，只要永磁體的磁性能高就不存在以上局限，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，特別對(duì)一些有特殊要求 (超高轉(zhuǎn)速、超高靈敏度)和特殊環(huán)境 (防爆等)使用的電機(jī)，永磁 勵(lì)磁 比電流勵(lì)磁有突出的優(yōu)點(diǎn)f2 。因此，在勵(lì)磁結(jié)構(gòu)方面，隨著永磁材料性能的不斷提高，新型永磁材料的不斷出現(xiàn)，永磁勵(lì)磁結(jié)構(gòu)將逐步取代傳統(tǒng)的電流線圈勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。永磁電機(jī)的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展息息相關(guān)，新型永磁材料的出現(xiàn)必將大力促進(jìn)永磁電機(jī)的快速發(fā)展。

世界上第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)，所以利用永磁體來制造電機(jī)已有很悠久的歷史。由于當(dāng)時(shí)永磁材料的磁性能低，制成的電機(jī)非常笨重，即被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。1940年代以后，具有較高剩磁的鋁鎳鈷和具有較高矯頑力的鐵氧體永磁材料相繼出現(xiàn)，永磁電機(jī)又獲得生機(jī)，在微特電機(jī)領(lǐng)城里占有重要位置。但鋁鎳鈷永磁矯頑力較低、易退磁，鐵氧體永磁的剩磁較低，使用范圍受到一定限制。

至六十年代后期第一代稀土永磁合金(SmCo5)和七十年代第二代稀土永磁合金(Sm2Co17)的出現(xiàn)，雖然原料釤與鈷價(jià)格昂貴，但磁體磁性能好，使永磁電機(jī)有了較大的發(fā)展。八十年代釹鐵硼稀土永磁問世，1983年被列為世界十大重要科技成果，舉世矚目。由于釹資源豐富，以廉價(jià)的鐵取代昂貴的鈷，價(jià)格相對(duì)低廉，釹鐵硼稀土永磁磁性能好，極大地推動(dòng)了永磁 電機(jī)的開發(fā)。稀土永磁磁性能優(yōu)異，兼有鋁鎳鈷和鐵氧體永磁的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的剩磁和矯頑力 ，以及很大的磁能積。稀土永磁的最大磁能積比鋁鎳鈷的大 5～8倍；比鐵氧體的大 1O～15倍；在同樣的有效體積條件下，比電勵(lì)磁的大 5～8倍，僅次于超導(dǎo)勵(lì)磁。且退磁曲線幾乎是一條直線，回復(fù)曲線與退磁曲線基本重合，抗退磁能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好 (釤鈷永磁)，用于電機(jī)，可使電機(jī)體積縮小，重量減輕，輸出功率大，效率顯著提高，與電勵(lì)磁電機(jī)相比，比功率 (單位重量電機(jī)輸出功率)大 40％以上。稀土永磁連同功率電子器件和微型計(jì)算機(jī)巳被公認(rèn)為促進(jìn)電機(jī)發(fā)展的三大支柱。稀土永磁電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用前景廣闊，大有可為。

在永磁電機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，在過去一段時(shí)間里，鋁鎳鈷和鐵氧體永磁幾乎各占一半市場(chǎng)。今后將遵循材料互代性和競(jìng)爭(zhēng)性原則，釹鐵硼則以優(yōu)異的磁性得到迅速發(fā)展。鐵氧體永磁則以廉價(jià)的優(yōu)勢(shì)占據(jù)低檔電機(jī)的市場(chǎng)。鋁鎳鈷應(yīng)用市場(chǎng)將相對(duì)減少，最后大部分將被釹鐵硼所取代。但由于鋁鎳鈷溫度穩(wěn)定性高，在高精度測(cè)速電機(jī)等信號(hào)類微電機(jī)中仍然會(huì) 占有一席之地 。

二、稀土永磁電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

我國稀土資源豐富，稀土礦的儲(chǔ)藏量居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平，充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢(shì)，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對(duì)加快實(shí)現(xiàn)我國全面進(jìn)入小康社會(huì)具有重要的意義。

稀土永磁電機(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，不斷擴(kuò)展新的電機(jī)品種和應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常樂觀。為了滿足需要，稀土永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造工藝尚需不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，電磁結(jié)構(gòu)將更為復(fù)雜，計(jì)算結(jié)構(gòu)將更為精確，制造工藝更為先進(jìn)適用。這些復(fù)雜問題需要應(yīng)用多學(xué)科理論和系統(tǒng)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高性價(jià)比，促進(jìn)電機(jī)等學(xué)科和行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

三、稀土永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

稀土永磁電機(jī)是在Y系列電機(jī)的基礎(chǔ)上，將電機(jī)轉(zhuǎn)子嵌人稀土永磁材料而成 ，與普通電機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn) ：

1、體積小，重量輕，耗材少。由于稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)磁路系統(tǒng)的小型化、輕量化； 表 1 為天津安全電機(jī)公司生產(chǎn)的兩種技術(shù)指標(biāo)相同但所用永磁材料不同的直流電機(jī)體積與重量參數(shù)的比較。可以看出釹鐵硼永磁電機(jī)與鋁鎳鈷永磁電機(jī)相比，電機(jī)的體積和重量大大減小和降低。

在相同功率下，ZYN40型稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)與鋁鎳鈷電機(jī)相比，縮小一個(gè)機(jī)座號(hào)，重量和體積分別為鋁鎳鈷電機(jī)的 70％和 68％；與鐵氧體電機(jī)相比，縮小兩個(gè)機(jī)座號(hào)，重量和體積分別為鐵氧體電機(jī)的 4O％和 36  ：與 SZ系列電勵(lì)磁電機(jī)相比，縮小兩個(gè)機(jī)座號(hào)，重量和體積為電勵(lì)磁電機(jī)的40％

2、效率高。一是由于磁路系統(tǒng)的小型化，繞組亦趨小，從而減少了電機(jī)的銅損和鐵損，效率提高；二是在轉(zhuǎn)子上嵌人稀土永磁材料后，在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子繞組無感生電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗；三是定子電流中無勵(lì)磁電流分量，功率因數(shù)高，定子電流小，定子側(cè)銅損下降，提高了電機(jī)效率。有人曾分析過 】，一臺(tái) 20000r／min以上的高速有刷電動(dòng)機(jī)，輸出功率 316W，效率 69％，即損耗為 31％。其中，勵(lì)磁銅損 6％，勵(lì)磁鐵損 3％，電樞銅損 3％，電刷損耗8％，電樞鐵損 8％，機(jī)械損耗 2％，雜散損耗 1％。

大量使用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，如冰箱壓縮機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、風(fēng)扇等用的電動(dòng)機(jī)，若輸出功率 l 18．4W，效率 83％，其損耗 17％，包括初級(jí)繞組銅損 6％，鐵損 7％，次級(jí)銅損和雜散損耗共占4％：當(dāng)輸出功率為 420W、效率 85％時(shí)，損耗 15％，它包括初級(jí)繞組銅損 6％，鐵損 4％，次級(jí)銅損和雜散損耗 5％。

如果使用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)(作轉(zhuǎn)子)，不使用電刷整流子，構(gòu)成永磁電動(dòng)機(jī)(無刷電動(dòng)機(jī))，損耗就只有 電樞繞組的銅損、電樞鐵心的鐵損和機(jī)械損耗。因此 ，有刷電動(dòng)機(jī)特有的電刷損耗、有刷電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中由初級(jí)電流勵(lì)磁引起的次級(jí)銅損都可以消除，從而會(huì)大大提高電動(dòng)機(jī)的效率。

3、功率因數(shù)高。在稀土永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵(lì)磁，定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載，電機(jī)的功率因數(shù)近于 1；減小了定子電流，進(jìn)一步提高了電機(jī)的效率。同時(shí)功率因數(shù)的提高，提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)，減少了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省電網(wǎng)投資。

4、起動(dòng)力矩大。在需要大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備(如油田抽油機(jī)電機(jī))中，可以用較小容量的稀土永磁電機(jī)替代較大容量的Y系列電機(jī)，如用 37kW 永磁電機(jī)代替 45～55kW 的Y系列電機(jī)，較好地解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)省了設(shè)備的投入費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效能。

5、力能指標(biāo)好。異步電動(dòng)機(jī)在低負(fù)載率 (即不在額定點(diǎn)運(yùn)行)的情況下，效率和功率因數(shù)下降嚴(yán)重。Y系列電機(jī)在 60％的負(fù)荷下工作時(shí)，效率下降15％，功率因數(shù)下降30％，力能指標(biāo)下降4o％。而永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微，當(dāng)電機(jī)只有20％負(fù)荷時(shí)，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的 80％以上。永磁電動(dòng)機(jī)的效率在較大的負(fù)載變化范圍平坦變化保持高效率，節(jié)能效果突出。尤其對(duì)油田抽油機(jī)類啟動(dòng)負(fù)載大、運(yùn)行負(fù)載小的電機(jī)，節(jié)能效果更好。

6、溫升低。轉(zhuǎn)子繞組中不存在銅損，定子繞組中幾乎不存在無功電流，這樣電機(jī)溫升低。電勵(lì)磁電機(jī)由繞組提供勵(lì)磁電流，因受到勵(lì)磁線圈溫升的限制，勵(lì)磁繞組占據(jù)空間較大，而高性能的稀土永磁體勵(lì)磁可以縮小勵(lì)磁空間和提供較高的氣隙平均磁密，因而在相同的體積情況下可以提高電機(jī)的出力 J。

7、可大氣隙化，便于構(gòu)成新型磁路。

8、電樞反應(yīng)小，抗過載能力強(qiáng)。

四、稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用

由于稀土永磁電機(jī)上述優(yōu)越性，其應(yīng)用越來越廣泛，主要應(yīng)用領(lǐng)域有如下方面：

1、稀土永磁高效節(jié)能電機(jī)

著眼于稀土永磁電機(jī)的高效節(jié)能。以耗電大戶為主要應(yīng)用對(duì)象，如紡織和化纖行業(yè)用的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，油田、煤礦用的各種采掘、運(yùn)輸機(jī)械用的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，各種水泵和風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)等。

2、車用各類稀土永磁電動(dòng)機(jī)

各類車用 (汽車、摩托車、火車)稀土永磁電動(dòng)機(jī)，是稀土永磁電機(jī)的最大市場(chǎng)。據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，大約有 70％的永磁體用在汽車上。一輛豪華的小轎車，各種不同用途的電機(jī)已達(dá) 70余臺(tái)之多。由于各種汽車電機(jī)要求不同，所選擇的永磁材料也不一樣?？照{(diào)器、風(fēng)扇、電動(dòng)窗等所用電機(jī)磁體，從價(jià)格角度考慮，將來仍將以鐵氧體占優(yōu)勢(shì)。點(diǎn)火線圈、傳動(dòng)裝置、傳感器等仍然采用 Sm-Co系燒結(jié)磁體，但從價(jià)格考慮將向釹鐵硼燒結(jié)永磁發(fā)展。

除上述汽車部件外，還不能忽略的是作為地球環(huán)境保護(hù)型的電動(dòng)汽車 (EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)。它們驅(qū)動(dòng)及發(fā)電用的無刷同步馬達(dá)多用高耐熱性、高磁性能燒結(jié)釹鐵硼永磁體。

3、稀土永磁電機(jī)交流伺服系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一種集電子、機(jī)械于一體的機(jī)電一體化高性能調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的主體是一臺(tái)自控式稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)。這種系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床，發(fā)展柔性制造技術(shù)；也用于電動(dòng)汽車，替代傳統(tǒng)的熱動(dòng)力汽車，車輛無排放 。這是一項(xiàng)極有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

4、新型家用電器用稀土永磁電動(dòng)機(jī)

這個(gè)領(lǐng)域主要 是為新型空調(diào)器和冰箱配套的小功率稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，用于各種小型無線電動(dòng)工具的稀土永磁微型直流電動(dòng)機(jī)，各種不同功率的儀器儀表用稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。這類電機(jī)的需求量也很大。

5、在航空航天中的應(yīng)用

稀土永磁體的優(yōu)越性使其十分適合在航空航天電機(jī)中應(yīng)用。盡管稀土永磁電機(jī)在航空中的某些應(yīng)用 尚有一些 問題有待解決 (如發(fā)電機(jī)調(diào)壓及短路保護(hù)等)，但是國內(nèi)外專家一致認(rèn)為，稀土永磁電機(jī)將是新一代航空電機(jī)的重要發(fā)展方向。

6、醫(yī)用精密稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

作為醫(yī)用器械的動(dòng)力，目前都是用單相交流整流子電動(dòng)機(jī)。這種高速旋轉(zhuǎn)的整流子電機(jī)不僅故障率高，且壽命短、噪聲大、無法作消毒處理。用電子換向無刷直流永磁電機(jī)取代勢(shì)在必行，這將有效地提高工作可靠性，降低噪聲，延長(zhǎng)壽命，是開發(fā)新一代醫(yī)用器械的關(guān)鍵。如高速微型醫(yī)科磨鉆機(jī)，用于口腔診療、五官科和骨科手術(shù)。

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