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稀土永磁电机

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稀土永磁电机发展及产业化设想

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稀土永磁电机发展及产业化设想

发布日期:2018-07-24 作者:承德盛乾特种电机制造有限公司 点击:

根据全面建设小康社会的要求,节约能源是一件大事,特别是石油、电力能源尤为重要。


1、发展稀土永磁电动机


工业生产离不开电动机。目前正在服役的中小型电动机总安装容量约为3亿kW,耗电量约占总发电量60%。我国2001年发电量为14780亿kW〃h,电动机用电量为8868亿kW〃h。在电动机中实现节能,将节约大量能源。


电动机节能有两个方面:一方面是减少电动机本身的损耗,提高效率,生产出高效节能电动机,另一方面是改善电动机的运行条件,从提高电动机负载率和通过电动机的调速使系统始终维持在较高的效率等方面着手提高整体系统运行效率。


在提高电动机本身效率方面,通过优化设计,合理的增加导体材料,选用并增加高性能硅钢片,提高异步电动机的效率,是国内外电机技术发展方向之一。美国等西方国家重点开发的高效电动机,我国也开发出YX高效电动机,皆属于此类产品。


稀土永磁同步电动机,是在异步电动机转子内部安装永磁体以代替异步电动


机定子绕组中励磁电流所提供的磁场,制成具有自起动能力的永磁同步电动机。永磁同步电动机在节能方面,有更多更优越的特点。我国自主开发的稀土永磁同步电动机,在稳定运行时转子上没有转子电阻损耗,可以减少总损耗的20%~30%,因而效率提高2到4个百分点。其次,由于永磁电机的磁场由永磁体产生,不需定子中的无功励磁电流,因此通过合理设计,可以使电机的功率因数很高(可达到0.95-1),这样便可使电机的定子绕圈中电流显著降低,绕组铜耗明显减小,从而提高了电机的效率。


通过以上分析可以看出,永磁同步电动机比异步电动机有明显的优势,美国所谓的超高效电机,宣称把电机的效率推向极限,不管采取何种措施,都不能做到没有转子电阻损耗及励磁电流的电阻损耗。因此在小型电机中,永磁电机总比异步电动机(包括高效电机)效率高2至3个百分点。


各种电动机的额定功率效率比较曲线见图1,其中包括传统标准电机、高效节能电机、超高效电机、稀土永磁同步电机、稀土永磁超高效电机、无刷直流电机。从图1可知,电机的功率等级越小,电机的效率越低,如0.18kW的传统标准电机,额定效率只有55%。反之,电机功率等级越大,效率越高,如Y系列200L-4 30kW传统标准电机,额定效率为92.2%,永磁同步电机为93.65%。采用高效电机,在节能效果方面,功率等级越小,节能效果越显著。


2.合理选择负载率,推广稀土永磁电机,可达到显著的节能效果


电动机在使用时很少在额定点运行,约有半数左右的电动机处于轻载运行。据有关部门对6242台电机使用情况调查,处于75%以上负载运行的电动机仅占18.1%,50%~75%负载的35.6%,49%以下的占46.3%。据沈阳水泵研究所提供的数据:一台额定功率为5kW的水泵,其选用的电机一般为7.5kW,而水泵通常运行于3kW,大马拉小车的现象严重,整机的运行效率只有38%。可见较低的负载率将导致电机的效率和功率因数的大幅度下降。异步电动机经济运行范围为60%~100%,平均68%,永磁同步电动机的经济运行范围却远比异步电动机宽广。


动机TYl60-4的效率和功率因数的对比曲线。由两个图中可以看出,永磁同步电动机不仅额定负载时效率较高,而且在25%~120%额定负载的范围内效率都维持较高的值。而异步电动机则在35%额定负载附近效率值开始显著下降。永磁同步电动机在1/4额定负载时功率因数仍可达0.92以上,而异步电动机则从额定负载时的0.85迅速下降到0.47。


力能指标(效率与功率因数的乘积)更直观地反映出电动机运行的经济效益。图4为前面例子中异步电动机与永磁同步电动机的力能指标的对比曲线。从图中可以看出,异步电动机从额定负载的60%即开始迅速地下降,到25%额定负载时力能指标已下降至30%。永磁同步电动机在22%的额定负载时力能指标仍高达80%,比异步电动机的最大力能指标还高。永磁同步电动机即使轻载甚至空载时的运行经济效益仍很高,是永磁同步电动机一个极为可贵的优点。


3.发展调速永磁同步电动机和无刷直流电动机,提高电动机的系统效率 随着电力电子技术的快速发展和器件价格的不断降低,人们越来越多地采用变频电源和交流电动机组成交流调速系统替代直流电动机调速系统。在交流电动机中,永磁同步电动机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系,这一固有的特性使得它直接用于开环的变频调速系统,尤其适用由同一变频电源供电的多台电机要求准确同步的传动系统中,如化纤设备,这可以简化控制系统,还可以实现无刷运行,而且有较高的效率和功率因数,可以减少价格昂贵配套变频电源的容量,因而在各种调速系统中的应用越来越广泛。这类电机通常可以由变频器的频率逐步升高来起动,在转子上可以不设起动绕组。德国制成5相变频电源供电的1095kW、230r/min稀土永磁同步电动机,最近俄罗斯试制成功3500kW大型稀土永磁同步电机,以上两种产品均用于舰船推进。


变频器供电的永磁同步电动机加上转子位臵闭钚控制系统构成自同步永磁电动机,既具有电励磁直流电动机的优异调速性能,又实现了无刷化,这在要求高控制精度和高可靠性的场合,如航空、航天、数控机床、印工中心、机器人、电动车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。其中反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电动机,称为无刷直流电动机;反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电动机,称为正弦波永磁同步电动机,简称永磁同步电动机。美国制成驱动航天飞机升降副翼用的12.6kW、9000r/min稀土永磁无刷直流电动机,效率为95%,仅重7.65kg。法国开发的100kW无刷直流电动机,在线圈端侧装入逆变器,总重只有28kg。我国也已批量生产数控机床用的稀土永磁无刷直流电动机,调速比高达1:10000。


电动车是当前车辆发展的新方向。电动车种类很多,其中有电动轿车,工矿电机车、清洁车、运动场所和公园交通用电动车等。其中电机和传动系统是电动车的心脏,稀土永磁电动体积小、重量轻、效率高,是电动车的首选方案。在一些生产领域,如油田电力驱动系统、发电厂和钢铁生产企业中,水泵和通风机等负载机械应用数量大。据统计、风机、水泵配套电机占电机总量的55%,年消耗电能占发电量的40%,风机、水泵各约占20%。而目前风机、水泵类产品电能利用率非常低,实际运行效率不到50%,系统运行效率不到30%,每年浪费电力大约200亿kW·h。在某些负载中需要调节风机、水泵的流量。过去常采用阀门、档板调节流量,这样作系统运行效率明显下降。


(1)水泵


世界上泵产品所消耗的电能约占总发电量20%。在农田排灌、油田、城市供水、水力与火力发电、化工、输油管线等领域都发挥重要作用。1999年全国工业泵产量为93万台,年产值60亿元。


泵是输送流体的机械,泵的功能是把电动机的机械传递给液体,使液体升高或移动。按作用原理可分为三大类,叶片式泵(或称动力式泵)、容积式泵、特殊泵。


降低系统能耗的一种有效方法是应用变频调速技术,其节能效果最显著。电动机驱动的泵长驱动一个注流孔可变的阀门而运行于一个恒定的转速,其流体的流量是通过阀门来调节的。由于电动机恒速运行于高压头,故关小阀门可减少流量,但减少能耗数值甚小。以油田注水泵工作特性为例。其流量Q与转速n的一次方成正比,扬程与转速二次方成正比,功率P与转速的三次方成正比。


即当注水量降到原来的80%时,功率仅降为原来的96%,只下降了4个百分点。若通过改变电机的转速来调节流量,如图5b所示,则工作点由A点变为C点,相应的功率为:


PC?HC?QC?(0.7HA)?(0.8QA)?0.56PA


与节流相比,节电率为40%。可见,通过改变电机的转速来调节注水量,具有十分显著的节电效果。


(2)风机


风机是排送气体的总称,根据排气压力的高低,分为通风机、鼓风机和透平压缩机。椐上个世纪90年代不完全统计,全国风机的拥有量400万台。椐统计2000年年产量为200万台,产值5.7亿元。这些风机绝大数采用电动机驱动,素有电老虎之称,因而风机的节能具有十分重要的意义。风机在运行时,根据工况要求,需要调节风量。过去调节风量时,常常加装出口档板和进口档板,通过档风板调节风量。采用这种方式,能量损失大。采用调速装臵,节能效果显著。调速装臵一般有高效型和低效型两种,变频调速属于高效型,变压调速、串电阻调速、电磁滑差离合器调速属于低效型。变频调速有异步电动机变频调速和永磁同步电动机变频调速,前者平均节电25%左右,后者平均节电 30%以上。所以永磁同步电机变频调速(包括无刷直流电机)效果要比异步电机效果好。


根据实用机电节能技术手册提供的资料分析,风机的节能措施有多种,其中调速方法最有效。在调速方法中变频调速较理想。


在保持管网阻力不变的条件下,通过改变风机转速使风机性能曲线变化的调节方式称为变速调节。由于变频调节方式无附加压力损失。所以是一种高效的调节方法。节能效益最佳。


变速前后风机参数按下式计算:


流量 Q?Q(n/n") (3-1)


压力 Ρ?Ρ"(n/n") (3-2)


"3功率 N?N(n/n") (3-3) 2"


(带“’”者为变速前的参数)。


注:1.低效型调速为:(1)转于串电阻:(2)电磁滑差离合器;(3)定子变压调速。


Nn—节流调节时输入功率 Nl1—低效型调节时的输入功率 NHI—高效型调节时输入功率 Ns—滑差功率损失 Nc—传动机构损失 N—理想无损失时输入功率 ?—效率,角标与


N的定义同


从表中可见,当风机流量调节范围在100%~30%时,不同调节装臵的节能和电耗差距很大。如以采取出口调节(档板)时的电耗为参考标准,令其为100%,则当流量减少到80%时,采取串电阻调速、电磁滑差离合器等低效调速的耗电为68.3%,节电为31.7%,在同样条件下,采取高效调速方式的耗电为55.2%,节电为44.8%。当流量为90%时,低效型调速方式仅节电16.9%,即使是高效型调速方式节电也不过23.7%;但当流量为50%时,低效型调速方式节电为65.4%,而高效型调速方式节电可达82%。由此可见调速深度越大,调速装臵节电越显著。


从该表分析得出,当流量比(实际流量/额定流量)大于90%时,高效型、低效型节电相差不大,是否采用调速装臵应作经济分析,如大于95%则不必考虑。当流量比大于85%时,低效型调速装臵节能与进口节流相比,其优越性不明显。当流量小于50%时,应采用高效型调速装臵。


采用稀土永磁电机变频调速,比异步电机变频调速。一般情况,节电高5%以上。


水泵、风机运行情况相似,变频调速的节能效果也相近。特别是稀土永磁电机变频调速效果更好。


变频调速装臵节能实例;对于一台3.5kW的风机年运行7000h,如采用调压调速,每年可节电4140kW〃h,而采用变频调速,每年可节电6480kW〃h,节电率高达50%。如采用变频调速稀土永磁电机,预计每年可节电6600kW〃h。1台500kW风机,一年工作7000h,若采用变频调速稀土永磁电机,则年节电将达40万kW〃h。节电效果十分显著。


(3)家用电器


近十几年来,我国家用电器得到了快速发展。1979年以前,我国居民家用电基本上是照明。1979年全国城市居民生活用电约为15亿kW〃h,占全国总用电量的0.65%。1980~1981年间,城市居民用生活用电量增至22亿kW〃h,占全国总用电量的0.9%。1985年城乡居民日用电器耗电量为115亿kW〃h,占全国总用电量的3.3%。1990年,全国日用电器耗电量激增到296亿kW〃h,占全国总用电量的6.1%。2001年,全国日用电器耗电量为1672亿kW〃h,占全国总用电量的12.4%。发展速度之快,实为少见。


4 全国主要日用电器产品


家用电器的节能潜力很大,现在普通的家用电器选用的均为单相小型电机,这类电动机额定效率很低,如0.18kW单相电动机额定效率只有55%。相同容量的稀土永磁无槽无刷直流电机,额定效率可达90%,相差24%。


我国家用电器的产量很大,但节能技术水平较低。从全国来说,还存在如下一些问题,首先是一些企业对家用电器节能问题还没有引起足够的重视,对节能技术和新产品的研究开发投入不够。在市场上搞价格大战,现在全国空调器厂有400余家是螺丝刀工厂。从外边购进零件进行组装,装后倾销市场,这样就谈不上节能问题。


世界家电产业技术发展有两大趋势:黑色家电数字化,白色家电绿色化。白色家电绿色化有两大课题:一是氟里昂的替代问题,二是节能问题。欧美各国重视节能要求,通过立法,对白色家电采取粘贴节能标签的做法。例如美国能源部提出2000年空调器能效比(COP值)要达到一个新标准,在产品上贴一个黄色标签作为标志。同样,在电冰箱方面,1989年11月美国能源部制定法规,要求1993年以后生产的电冰箱能耗要比当时的产品能耗降低25%。1998年又制定新法规,要求2001年7月1日后生产的电冰箱,节能指标再提高30%。今后进入美国空调器、冰箱等家电产品不仅要通过UL安全标准认证,还必须有节能标签。欧洲冰箱已实行能耗分级标志制度。如从德国口的180L西门子冰箱,在冰箱前面用不同颜色标出A、B、C、D、E、F、G七个等级标志。A级年耗电量为292kW〃h。以上表明,安全节能已成为发达国家对发展中国家设臵的技术壁垒。


在我国为正确引导企业采用新技术,降低电冰箱能耗值,促进节能、环保,提高产品在国际市场竞争能力,1999年8月份正式批准新的GB 12021.2《家用电冰箱电耗限定值及节能评价值》标准。目前国内市场上销售的大部分产品,是


按GB 12021国标对每类日用电器规定电耗限定值组织生产和销售的。


电冰箱电耗限定值是额定耗电量(kW〃h/24)对冷藏箱和冷藏冷冻箱,按容量规格给出不同的电耗额定值(见表5)。


目前在市场上出现一批节能冰箱。如西门子生产的180L节能冰箱,年耗电量为292kW〃h,折合日耗电量为0.8kW〃h。比表5中限定值1.3kW〃h低38%。还有几家国产冰箱180L容量,日耗能量为0.85~1kW〃h,比表5中的限定值低34%~23%,节能潜力很大。最近出现一种变频调速冰箱——伊来克斯,容量为180L,电机的容量只有90W,日耗电量为0.44kW〃h。但销售价较高,4168元。比普通冰箱价格高一倍。


在空调器方面,近年国际上出现了变频技术应用的强劲潮流,以日本为例,近年变频空调器已占年产量70%~80%。据不完全统计,我国2002年变频空调约占7.8%,其中有40%是海信生产的。采用变频调速压缩机,改变制冷量的控制方式。旧式压缩机转速是恒定的,其室温的控制是靠压缩机的开、停来控制制


冷量,这样就增加了压缩机开、停时的损耗,降低了压缩机的COP值。而房间空调器的运行工况实际上是随室温高低而变化的,为了保持空调器的能效比值,要求压缩机的制冷量随工况条件而变化,不致造成能量损失。因此,要求压缩机的旋转速度是可调的。这样压缩机的制冷量将随转速而变化,与运行工况(冷却负荷)相适应,可提高压缩机运行时的性能系数,提高空调器运行时的能效比。对于房间空调器电耗限定值,GB-12021规定见表6及表7。


空调器的能耗主要取决于压缩机的能效比和冰箱的运行机制。GB 12021性能系数,分体式为2.3~2.44;整体式为2.2~2.32。其性能较低。三菱电机空调器制冷时COP值已达3.11,电热制换时则达到3.54。海信公司采用稀土永磁无刷直流变频调速电机,COP值高达4,节能达25%以上。


稀土永磁电机


变频调速将在电机产业广泛推广应用。就家电产品而言,异步电机变频调速,传统直流电机调速、稀土永磁无刷直流电机调速,以无刷直流电机节能效果最为显著。除稀土永磁电机额定效率明显高于交流电机外,在调速过程中,随着转速调低,交流电动机效率明显下降,而稀土永磁电机效率却变化不大,见图7。


家用电器用电机市场很大,预计2005年家电产量为:房间空调器2 000万台,家用电冰箱1400万台,洗衣机1400万台。根据市场调查,1P变频空调器价格为2599元,比一般空调器高800元,用户可以接受。据有关单位预测变频空调器生产比重将达到总产量30%,即600万台。变频电冰箱虽然市场已见到产品,节能效果达50%以上,但价格偏高,比相同一般冰箱高出1000元以上,根据永磁电机和变频器的成本有可能降低到只高出500元。这样有可能推广10%,即140万台。变频洗衣机虽然在性能方面有所提高,但价格增加幅度大,又加上洗衣机运行时间短,节能效果不突出,将来可以根据国外市场需要,考虑发展,按推广比例5%计算,2005年可达70万台。电吸尘器过去主要采用串激电机噪声大,寿命低,如果采取无刷直流电机,性能有明显提高,但价格提高太多,用户难以接受。目前可以进行研制,先把成本降下来。


综上所述,积极发展无刷直流电机,特别是无槽稀土永磁无刷电机,2005年预期可推广740万台。开发研究家用电器电机应当开展技术经济分析,做到技术先进,经济合理,这一点将进行技术经济全面分析。


4.微特电机


微特电机随着经济、文化的发展,广泛应用于各个领域,2000年全世界微特电机的需求量已达65亿台。


从表8分析,2003年预测全世界58.069亿台微特电机中,有异步电机,属于电励磁结构。其余大部分属于永磁电机。在永磁电机中,高档产品多是稀土永磁电机,中档产品有稀土永磁结构,也有铁氧体永磁结构,低档产品大部分是铁氧体结构。


在表8中,无铁心电机、无刷电机、步进电机多数为稀土永磁电机,2003年预测的产量为22.88亿台,占总产量39.4%。另外,电子稳速电机、轴流风扇直流电机、小容量同步电机等,稀土永磁电机都有发展的广泛空间。所以稀土永


总产量17.7%,而且每年以10%以上的速度增长,不仅在小容量的微特电机中发展很快,而且在数百kW的中型电机中也有应用前景。它的应用领域也非常广泛,有家用电器、电动车辆、数控机床、加工中心、机器人、医疗器械、轻工机械、化纤纺织设备、航空航天、舰船设备等。如果说异步电动机是二十世纪电力拖动的主流产品,,,而变频调速稀土永磁同步电动机和稀土永磁无刷直流电动机则是二十一世纪电动机主流产品。当然随着异步电动机性能的提高,由于其技术成熟,运行可靠,价格低廉,仍会长期存在。


(1)信息产业领域的需求


信息产业产品的范围很广泛,我们重点分析与微特电机发展密切的两类产品。一是计算机及其外围设备;二是移动通讯产品。计算机信息产业是我国目前发展最为迅速的产业之一。2000年我国计算机


销售量为717万台,比1999年增长了45.1%,约占亚太地区计算机市场的36%。预计2002年计算机产量将达1000万台,比2000年增长39%。随着计算机的快速发展,微特电机在信息电子产品中应用也得以发展,成为新的经济增长点。其主要集中在计算机外围设备中,如硬盘驱动器(HDD)、软盘驱动器(FDD)、光盘驱动器(CD-ROM、CD-RW)等。


计算机用主轴电机是无刷直流电机,是集精密机械和电子为一体的机电一体化产品,属高技术、高精密元器件,其作用是驱动磁盘片、光盘、软盘,做高速旋转运行,供磁、光头快速读写数据。国内尚无此种电机生产厂,国外集中在美国、日本少数工业发达国家,且对该主轴电机的技术资料和生产工艺技术严格保密。我国台湾地区也只是在近些年开始生产DVD、VCD、CD-ROM和CD-RW用主轴电机,前一段时间台湾将有刷直流电机(低、中档产品)生产线移植大陆内地后,由台湾工业研究院以开发为主,将研究成果及时转入批量生产。目前已有自主产权的CD-ROM和DVD的主轴电机,并已进入批量生产,极大提高了台湾地区微特电机产品档次。


计算机用摆动电机是一种直流伺服直线电机,它不需要任何机械传动,就可将电能直接转换成直线运动。由于运动本身是质量很轻的线圈,因此它具有响应频率高、速度快、推力大、结构简单、无噪声、无机械磨损和控制方便、定位精度高等特点。计算机用摆动电机已广泛应用于计算机外围硬磁盘存储器中驱动磁头作直线运动,实现磁盘快速存储和提取信息功能。因而是硬磁盘驱动器中一个关键元件。


近期,由于日美两国劳动力工资较高,已经把某些型软盘、光盘和硬盘驱动


器转向海外,主要在东南亚的新加坡、台湾和韩国等地,建立不少小型磁盘机组装工厂,需要大量的主轴电机和摆动电机。而硬盘用主轴电机和摆动电机大部分仍然由美国和日本供应。例如生产钕铁硼永磁材料的日本住友公司,每月生产摆动电机20万台,美国北方磁体公司生产各种类型摆动电机,在北美、日本、欧洲都有代理商,负责销售摆动电机。我国深圳和长城公司也在组装硬盘驱动器,元件由国外进口。2000年据海关统计、硬盘驱动器出口1599.93万只;软盘驱动器5341.15万只;光盘驱动器出口5912.4万只。以上三种出口产品共需主轴电机12813.48万只和摆动电机1559.93万只。


通过对计算机用主轴电机、摆动电机头推组合件(HSA)的研究再开发,掌握设计和工艺生产技术,同时对DVD、VCD、CD-ROM和CD-RW和CD-RW用主轴电机产业提供技术支持,是非常紧迫的。


据美国市场分析公司、国际数据公司(1DC)统计,2000年亚太地区(除日本外)的PC机销售达1990万台,按国家和地区统计,2000年中国销售量717万台,2002年计算机生产量已达到1000万台。


按每台PC机至少有一台硬盘驱动器,作储存信息用,1000万台PC机,至少配备1000~1200万台硬盘驱动器,各需要1000~1200万只摆动电机和主轴电机。


湾在广东东莞建有一家拥有3000名职工的独资企业,投资5亿元人民币,年产DVD、VCD、CD-ROM、CD-RW3000万台,主轴电机全部依靠进口。我们要开发以上两种,不能仿制,必须有自己的知识产权。


摆动电机和主轴电机采用高性能钕铁硼。摆动电机用烧结钕铁硼,占总产量的40%~60%。主轴电机采用粉末粘结磁体,其用量约占磁体粉末50%。


随着我国经济快速发展和人民生活水平的大幅度提高,信息产业的发展势头锐不可当。2000年我国手机产量(包括出口量)已达到5000万台,全年累计用户7650万户,我国手机市场(包括新购手机数量和更换手机数量)1999年为2006


万台,2000年为3742台,2001年预计4690万台,2002年预计5520万台。呼机配套电机,主要是空心杯转子微型直流电机,要求小型化、轻型化,以振动电机为例,外型尺寸从中6mm×10mm减到Φ4mm× 8mm。其次要求产品质量可靠,寿命长,过去曾发生过磁体表面防护层脱落质量事故、产品寿命低等质量问题,正在着手解决,主要是提高产品的可靠性。空心转子电动机不仅用于手机用户,还广泛用于仪表、相机、音响、视听产品等,数量巨大,国内多家企业已形成批量生产条件,除满足国内市场需求外,还大批出口。出口产品集中在万宝至等独资企业。


(2)高精度伺服电机


伺服电机应用领域非常广泛。产品的品种也很多。在国外钕铁硼产量有70%用于电机,其中有50%用于主轴电机和摆动电机。其次,占第二位的是伺服电机,特别是机床用伺服电机。


2001年全国金属切削机产量为25.58万台,其中大型机床2033台,高精度机床943台,数控机床18593台。1999年加工中心年产量303台。根据现有数控机床、加工中心的产量预测,每年需要高精度伺服电机4万台左右。


长期以来,基于有刷直流电动机的直流伺服系统在高性能电气伺服系统占主导地位。这是因为该系统具有良好的线性机械特性、起动力矩大、调速范围宽和控制结构简单等优点。但直流电动机由于使用电刷和换向器,其可靠性和维护性差。80年代中期,随着稀土永磁材料、大功率开关元件和微电子技术的迅速发展,稀土永磁交流伺服系统的研究、开发和应用也得到快速发展,显示出明显的优点。稀土永磁交流伺服电机既具有直流电动机良好的调速特性,又无电刷和换向器,提高了系统的可靠性。稀土永磁交流伺服电机与其他伺服电机相比,还具有高性能、轻型化、节能的优点。因此,稀土永磁交流伺服电机系统正在取代直流等其他伺服系统,成为现代伺服技术发展的主流方向。由于稀土永磁交流伺服电机系统的优点突出,使其在航空航天、雷达火炮等军事装备、机器人、数控机床等领域具备广阔的应用前景。


稀土永磁交流伺服系统采用稀土永磁交流伺服电动机作为执行元件。按照工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同,稀土永磁交流伺服电动机可分为两种基本的运行模式:一种是方波电流驱动的稀土永磁交流伺服电动机,另一种是正弦波驱动的稀土永磁电动机。前者又称为稀土永磁无刷直流伺服电动机,简称为方波电动机;后者又称为稀土永磁无刷交流伺服电动机。


从电机结构上分析,方波电动机与正弦波电动机没有多大差别,但由于它的运行原理不同,使得其在转矩产生方式、控制方法、出力等方面均有很大差异。所以研究交流伺服电机,必须研究其驱动装臵,两者不能分割,过去那种机械分工的方法是不可取的。因此要强调发展交流伺服系统,需要解决机电一体化问题。交流伺服装臵的发展方向是数字化。


伺服电机应用领域广泛。由于应用场合的不同,对伺服电机的控制性能要求也不尽相同。在实际应用中,伺服电动机有各种不同控制方式。例如转矩/电流控制、速度控制、位臵控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统,直至近年来的永磁电机交流伺服系统发展迅速,各类自动化设备、自动加工装臵大部分都采用了永磁电机的交流伺服系统。


永磁电机交流伺服系统是当前伺服系统的发展方向,但在具体应用对象中,应根据应用对象的技术要求,进行选择。例如,印制绕组和线绕电枢盘式电动机、杯形转子电动机、步进电动机、直线电动机、直接驱动伺服力矩电动机,应用也很广泛。在某些场合也是不可替代的。因此我们根据不同使用要求,积极发展多品种,可以满足不同使用对象的要求。


从机械工业发展趋势分析,不仅机床产品广泛采用数据系统,而且重大成套设备、冶金矿山设备、石化设备、轻工设备、纺织设备、各种试验机械、仪器仪表,均向自动化、机电一体化方向发展。高性能伺服电机是机电一体化、自动化的基础。


目前国内开发力量很弱,科技投入少,明显落后于工业发达国家技术水平。在产业化方面也很落后。目前生产的单位有兰州电机厂和华中理工大学新型电机厂等,年产量6200台。建议加快研发进度,实现产业化。


推广应用稀土永磁电机,特别是变频调速电机,变频器是瓶颈,其中电力电子元器件性能价格是关键。长期以来,并未引起我国有关部门的重视,高性能变频器和电力电子元器件一直卡在日本等外国人手里。我国工业基础薄弱,基础机械,如精密机械、数控机床水平低;基础零部件落后,如液压件、气动元件、电力电子元件等,共性基础工艺落后,所有这些结果,都和过去实行的计划经济有关。因为计划经济只注意产量产值,不重视企业的基础建设,忽视提高企业核心竞争力。


(3)纺织及化纤设备配套电机


纺织机械和化纤设备对配套电机除节能的要求外,还要求高性能,如高调速精度,高速运转。化纤设备的应用前景看好。2001年化纤总产量为841.38万吨,另外每年还要进口300万吨左右。年增长率约20%。随着人民生活水平的提高,人们对服装面料的各种要求也越来越高,大部分化纤设备只有不断进行技术创新,才能满足市场需要。在化纤设备上,大量并普遍使用交流永磁同步电机,如计量泵电机、摩擦辊电机、导丝盘电机、热辊电机等,这类产品传动系统均采用同步电机变频调速系统控制,调速精度一般可以达到小于0.5%。特别适用于纺织、化纤行业、控制精度高、多电机同步传动系统。在化纤机械中各种纺丝机配套电动机性能要求高,技术难度大。例如涤纶长丝高速纺丝机、涤伦细丝高速纺丝机、丙纶中速纺丝机、丙纶一步纺丝机、粘胶长丝连续纺丝机、丙轮中速纺丝机等。其中热辊及配套电机是机电一体化产品,热辊表面温度根据化纤材料不同,分别为140?±1.5℃;220±1.5℃。电机转速为4500转/分;6000转/分。变频调速永磁电机,调速精度达到≤0.5%,要求自动控温,热辊、轴承等关键零部件寿命达3年以上。


(4)汽车、电动车


1)汽车


2000年全世界汽车产量5400万辆,我国产业规划2000年已达300万辆,其中轿车150万辆。2005年预计汽车产量450万辆,其中轿车为220万辆。汽车产量的提高,为车用微电机发展提供了广阔空间。据有关资料介绍1998年汽车电机产量约2100万台,占微电机产量的6.82%。


根据2005年汽车发展规划,年产汽车450万辆计算,其中轿车按220万辆考虑,以轿车的80%为普通型,每台配微电机15台,以轿车产量的20%为高级型,每台车配45台微电机,其余车辆按每台车配6台微电机,预计2005年汽车用微电机为6000万台。


汽车配套电机的发展方向是轻型化、节能。是产业政策优先发展、重点支持的产业。


汽车配套的主要产品有汽车起动电机、汽车发电机、刮水器用驱动电机、油泵电机等,随着汽车电子化、自动化水平的提高,越来越多地采用了微电机。如速度控制器、空调器、车窗电动控制、后视镜电动控制、车用音响电机、座位自动调整用电机等。汽车配套电机大部分是永磁电机,在永磁电机中,由于铁氧体价格便宜,铁氧体永磁电机占多数,稀土永磁电机由于体积小、重量轻、效率高,是今后的发展方向,特别稀土永磁无刷直流电机越来越引起汽车行业的重视。世界各国都把汽车100公里耗油量做为重要标准。如美国规定汽车(轿车)100公里耗油标准为8.5升,1995年7.2升,到2000年降低到6.2升。降低油耗的主要措施之一是采用钕铁硼永磁电机。汽车用微电机究竟能占多大例,取决诸多因素,如价格、性能等。预计5年内可达10%,即600万台,10年内达到20%,即1200万台。


2)电动自行车


燃油摩托车和助力车是城市大气污染的主要原因之一。因此积极发展电动自行车是减少污染、满足和方便广大群众措施之一。世界上许多国家或地区都很重视。我国2002年电动自行车产量35万辆,产值7000万元,钕铁硼用量5.25吨。预计2005年产量可达50万辆,年产值1亿元。在国外、日本1998年年产约25万辆,有2万辆出口到欧洲;1998年欧美等国销售量为5万辆。德国奔驰


公司也在积极开发和生产外转子直接驱动的电动自行车。


目前我国生产的有两大类,一类是减速齿轮的有刷电机,有盘式结构和圆柱结构两种,另一类不带减速齿轮的直接驱动的无刷直流电机。目前各地区对发展电动自行车的态度也不一样。上海市前几年把发展电动自行车作为重点攻关项目,组织有关单位联合开发,并正在资产重组成立电动自行车生产公司。


但有的地区政策摇摆不定。一时听到下属单位汇报电动自行车有发展前景,就下指示要年产100万辆,没过几年就又决定电动车以后不准上路,一上一下,造成几十家电动自行车经营单位损失惨重。


3)电动车辆


21世纪开始,汽车工业将成为我国经济发展新的增长点。增长速度之快,出人意料。在今后数十年内,汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力,是新型工业化的支柱产业。然而,汽车工业的发展也带来了严重污染和燃油能源消耗过多的两大问题。而对于我国汽车拥有量的增加,这些矛盾就更加突出。据有关资料介绍,2000年我国进口燃油7000万吨,预计2010年后超过1亿吨,相当世界上第一大产油国科威特一年总产量。国家环保中心预测2010年尾气排放占空气污染源的64%。显然,加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业,将会给我国的能源安全和环境保护造成巨大影响。


据有关资料介绍,世界石油产量从2001年至2025年保持缓慢增长,从2025年至2050年产量逐步下降,到2050年石油资源将近枯竭。又据实用机电节能技术手册资料刊载,世界铀2000年耗掉现有储量的87%;天然气耗掉73%;石油储量寿命还有25年至40年。我国资源能源现状,石油预测储量787.5亿吨,探明储量69.7亿吨,可采储量为23.6亿吨,已采及损失储量8.1亿吨,剩余可采用保有储量15.5亿吨。以上资料表明我国石油资源严重不足。解决这一问题方法之一,就是发展电动车,用电力能源替代一部分石油。电力能源虽然也很紧缺,但从我国国情出发,我国煤炭保有储量尚有0.97万亿吨,是我国火电机组较为充足的一次能源。更为重要的是我国可开发水电资源多,我国现有3.8亿kW资源,比我国2001年总装机容量3.36亿kw还高出0.44亿kW,水电是无污染的可再生能源,所以发展电动车,基本上不受电力能源的制约。


汽车的心脏是汽油机,电动车的心脏是电动机。国内重点开发的电机驱动系统,要求效率高、宽调速。现在有两种方案:


异步电动机驱动系统


异步电动机结构简单、价格便宜、运行可靠。其矢量控制调速技术比较成熟,所以较早应用于电动车的驱动系统,目前在美国仍是主流产品。异步电动机驱动系统,驱动电路较复杂,额定效率较稀土永磁电机低3%左右;运行效率低5%。


无刷稀土永磁直流电机驱动系统


变频供电的永磁同步电动机加上转子位臵闭环控制系统构成自同步永磁电动机,具有电励磁直流电动机调速性能,又实现了无刷化,这在要求高控制精度和高可靠性场合的电动车应用,其中反电动势波形和供电电流都是矩形波的电动机,通常又称为无刷直流电动机,电机效率可达95%。在电动车用电机中还有一种直接安装在车用轮箍上的直接驱动的外转子稀土永磁同步电动机。无刷稀土永磁电机驱动系统和异步电动机驱动系统,在造价上基本相近。因此,无刷直流电机系统是电动车的首选方案。


发展电动车,首先应重视电机驱动系统共性关键技术的攻关。不能跟在外国人后面亦步亦趋,要有自己的创新点,形成自己的知识产权。在攻关中要充分发挥国家研发中心的作用。避免各自为政,自行其事的作法。


在推广应用中,要大力协同,互相支持。要根据应用对象的需要,积极进行推广,使永磁电机成果尽快实现商品化、产业化。例如电动自行车,深受低中收入人群的喜爱,价格也比较便宜。地方政府要像上海市那样予以积极支持。对于推广应用中出现的问题,如交通安全和废旧电池污染问题,只要认真对待,就一定能妥善解决。对于有些应用场合,运行车速较低,特别适合应用电动车,如城市环保用清扫车、旅游景点的交通用车、工厂车间之间的厂内运输车、高尔夫球场交通车等,这些场合希望减少燃油污染。现有的科研成果,是可以解决上述问题的。各有关部门和用户应通力合作,“十五”期间形成2~3万台市场是完全可能的。


市内出租车汽车尾气排放是市内主要污染源之一。目前世界空气污染最严重城市中有7个在中国。市内出租车时速比较低,适合电动车。可以通过市场推动、行政干预的办法加以解决。比如可以规定出租汽车公司电动车所占比例,例如2005年占10%,2010年占20%,达不到比例的,不准经营。也可以像美国那样,规定汽车厂商必须生产销售10%的电动车。


(5)视听产品用电机


(1)信息产业领域的需求中,已对主轴电机的需求进行了分析,这里不再重述。我国已是生产视听产品大国。视听产品使用的电机量占整个微特电机总量的25%,估计2亿台左右,其中大部分是稀土永磁微特电机。在信息化时代,视听产品向数字化方向发展,因此数字化视听产品发展很快。DVD市场销售量看涨,每台DVD需配套3台电机,用于主轴、加载装臵、播音器上。


该领域目前使用的微特电机大部分是有刷永磁直流电机,但主轴电机是无刷的。随着视听产品小型化和数字化,对微特电机有更高的要求。


高性能,如主轴电机转速高达7000r/min,轴的垂直精度要求达到μ级。 低噪声,音响设备对噪声要求很严格。如果电机噪声高,就必定影响设备的声音质量,这是众所周知的事。


高效节能,视听产品虽然消耗能量不高,但也影响使用方便。如随身听一次充电,日本生产的高档产品,可听60小时,而一般低档产品只能听十几个小时。


高可靠性,要求产品质量可靠,虽然产品处于高速旋转状态,但电机的寿命必须保证与主机寿命相同,没有易损零件,一般地不进行中修。


该领域的电机大部分为“万宝至”为首的日本厂商在独资企业生产,除为中国国内产品配套外,大部分出口。我国广东地区生产的视听产品配套电机由我国台湾地区配套。国内国营八八O厂、浙江海山集团、常州微特电机总厂、青岛微电机厂、深圳双环全新机电公司等,也实现了批量生产。


(6)宇航和军事装备用微特电机


宇航和军事装备等行业大部分属于高科技产业,技术含量高。产品的特点是品种多、数量少、性能要求高。这类电机的品种有控制微电机和机电一体化、光机电一体化和智能电机。如交直流伺服电机、步进电机、无刷直流电机、无铁心电机、自整角机、测速发电机等。一枚导弹和一枚卫星制导炸弹,配套就有十几台微电机。军用电机的性能和质量,直接影响军事装备的命中率、快速性、小型化和可靠性。随着现代军事装备的发展,对军用微特电机提出高性能、高精度、高可靠性和轻型化的严格要求。同时提出耐恶劣环境的要求,如高低温、高空、振动冲击和三防等特殊要求。至于对军工产品数量需求,由于涉及到国防机密,难以预测具体数量。但可以通过几个行业进行综合分析,可以得出估算结果。据有关单位分析计算:武器系统、宇航飞行、农业机械、轻工纺织机械、医疗机械、


包装机械等六个产业,合计用微特电机总量,占微特电机总产量的23%。据此推算,军用微特电机约占微特电机总产量的5%左右。美国是超级军事大国,也是军用微特电机的研制、生产和出口大国,它已开发5000多个品种,年产量约300万台套。我国自主开发的军用微特电机基本上满足我国现代化武器装备的配套需要,而且也带动了民用产品的发展。



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