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稀土永磁电机

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稀土永磁电机发展概述

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稀土永磁电机发展概述

发布日期:2019-07-04 作者:承德盛乾特种电机制造有限公司 点击:

稀土永磁电机.png稀土永磁电机


      1 导言 
  电机是以磁场为媒介进行机械能和电能彼此转化的电磁设备。为在电机内树立进行机电能量转化所必需的气隙磁场,有两种办法。一种是在电机绕组内通电流产生,既需求有专门的绕组和相应的设备,又需求不断供给能量以维持电流活动,例如一般的直流电机和同步电机;另一种是由永磁体来产生磁场,既可简化电机结构,又可节约能量,这便是永磁电机。 
     2 永磁电机的开展概况 
  永磁电机的开展同永磁资料的开展密切相关。我国是世界上最早发现永磁资料的磁特性并把它运用于实践的国家,两千多年前,我国运用永磁资料的磁特性制成了指南针,在航海、军事等范畴发挥了巨大的效果,成为我国古代四大发明之一。 
  19世纪20年代呈现的世界上第一台电机便是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但其时所用的永磁资料是天然磁铁矿石(Fe3O4),磁能密度很低,用它制成的电机体积庞大,不久被电励磁电机所取代。 
  跟着各种电机迅速开展的需求和电流充磁器的发明,人们对永磁资料的机理、构成和制作技能进行了深入研讨,相继发现了碳钢、钨钢(最大磁能积约2.7 kJ/m3)、钴钢(最大磁能积约7.2 kJ/m3)等多种永磁资料。特别是20世纪30年代呈现的铝镍钴永磁(最大磁能积可达85 kJ/m3)和50年代呈现的铁氧体永磁(最大磁能积现可达40 kJ/m3),磁功能有了很大进步,各种微型和小型电机又纷繁运用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦,大至几十千瓦,在军事、工农业生产和日常日子中得到广泛运用,产值急剧添加。相应地,这段时期在永磁电机的规划理论、核算办法、充磁和制作技能等方面也都取得了打破性开展,形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套剖析研讨办法。 
  可是,铝镍钴永磁的矫顽力偏低(36~160 kA/m),铁氧体永磁的剩磁密度不高(0.2~0.44 T),约束了它们在电机中的运用范围。一直到20世纪60年代和80年代,稀土钴永磁和钕铁硼永磁(二者统称稀土永磁)相继问世,它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁功能特别适合于制作电机,从而使永磁电机的开展进入一个新的历史时期。 
  稀土永磁资料的开展大致分为三个阶段。1967年美国K.J.Strnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁,其化学式可表示成RCo5,简称1:5型稀土永磁,产品的最大磁能积超越199 kJ/m3(25MG?Oe)。1973年又呈现了磁功能更好的第二代稀土永磁,其化学式为R2Co17,,简称2:17型稀土永磁,产品的最大磁能积达到258.6 kJ/m3(32. 5MG?Oe)。1983年日本住友特种金属公司和美国通用轿车公司各自研发成功钕铁硼(NdFeB)永磁,称为第三代稀土永磁。因为钕铁硼永磁的磁功能高于其他永磁资料,价格又低于稀土钴永磁资料,在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍,而且不含战略物质――钴,因此引起了国内外磁学界和电机界的极大关注,纷繁投入许多人力物力进行研讨开发。现在正在研讨新的更高功能的永磁资料,如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等,希望能有新的更大的打破。 
  与此相对应,稀土永磁电机的研讨和开发大致能够分成三个阶段。 
  第一阶段:20世纪60年代后期和70年代,因为稀土钴永磁价格昂贵,研讨开发要点是航空、航天用电机和要求高功能而价格不是首要因素的高科技范畴。 
  第二阶段:20世纪80年代,特别是1983年呈现价格相对较低的钕铁硼永磁后,国内外的研讨开发要点转移到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁功能,加上电力电子器件和微机技能的迅猛开展,不只使许多传统的电励磁电机纷繁用稀土永磁电机来代替,而且能够完成传统的电励磁电机所难以达到的高功能。 
  第三阶段:进入20世纪90年代,跟着永磁资料功能的不断进步和完善,特别是钕铁硼永磁的热安稳性和耐腐蚀性的改善和价格的逐渐下降以及电力电子器件的进一步开展,加上永磁电机研讨开发经历的逐渐老练,除了大力推广和运用已有研讨成果,使永磁电机在国防、工农业生产和日常日子等各个方面获得越来越广泛的运用外,稀土永磁电机的研讨开发进入一个新阶段。一方面,正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向开展。现在,稀土永磁电机的单台容量已超越1 000 kW,最高转速已超越300 000 r/min,最低转速低于0.01 r/min,最小电机外径只有0.8 mm,长1.2 mm。另一方面,促进永磁电机的规划理论、核算办法、结构工艺和操控技能等方面的研讨工作呈现崭新的局势,有关的学术论文和科研成果许多涌现,形成了以电磁场数值核算和等效磁路解析求解相结合的一整套剖析研讨 办法和核算机辅佐规划软件。 
  我国的稀土资源丰富,稀土不稀,声称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产值都居世界前列。稀土永磁资料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此,充分发挥我国稀土资源丰富的优势,大力研讨和推广运用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机,对完成我国社会主义现代化具有重要的理论含义和实用价值。 
3 永磁电机的首要特色和运用 
  与传统的电励磁电机比较,永磁电机,特别是稀土永磁电机具有结构简略,运转牢靠;体积小,质量轻;损耗小,功率高;电机的形状和尺度能够灵活多样等显着长处。因此运用范围极为广泛,几乎广泛航空航天、国防、工农业生产和日常日子的各个范畴。下面介绍几种典型永磁电机的首要特色及其首要运用场合。 
3.1 稀土永磁发电机 
  永磁同步发电机与传统的发电机比较不需求集电环和电刷设备,结构简略,削减了故障率。选用稀土永磁后还能够增大气隙磁密,并把电机转速进步到最佳值,进步功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部选用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制作的150 kVA 14 极 12 000 r/min~21 000 r/min和100 kVA 60 000 r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3 kW 20 000 r/min的永磁发电机。 
  永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机,80年代我国研发成功其时世界容量最大的40 kVA~160 kVA稀土永磁副励磁机,配备200 MW~600 MW汽轮发电机后大大进步电站运转的牢靠性。 
  现在,独立电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐渐推广。 
3.2 高效永磁同步电动机 
  永磁同步电动机与感应电动机比较,不需求无功励磁电流,能够显着进步功率因数(可达到1,乃至容性),削减了定子电流和定子电阻损耗,而且在安稳运转时没有转子铜耗,进而能够减小电扇(小容量电机乃至能够去掉电扇)和相应的风摩损耗,功率比同标准感应电动机可进步2~8个百分点。而且,永磁同步电动机在25%~120%额定负载范围内均可保持较高的功率和功率因数,使轻载运转时节能效果更为显着。这类电机一般都在转子上设置起动绕组,具有在某一频率和电压下直接起动的才能。现在首要运用在油田、纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运转时间长的风机水泵等范畴。 
  我国自主开发的高效高起动转矩钕铁硼永磁同步电动机在油田运用中能够处理“大马拉小车”问题,起动转矩比感应电动机大50%~100%,能够代替大一个机座号的感应电动机,节电率在20%左右。 
  纺织化纤职业中负载转动惯量大,要求高牵入转矩。合理规划永磁同步电动机的空载漏磁系数、凸极比、转子电阻、永磁体尺度和定子绕组匝数能够进步永磁电机的牵入功能,促进它运用于新型的纺织和化纤工业。 
  大型电站、矿山、石油、化工等职业所用几百千瓦和兆瓦级风机、泵类用电机是耗能大户,而现在所用电机的功率和功率因数较低,改用钕铁硼永磁后不只进步了功率和功率因数,节约能源,且为无刷结构,进步了运转的牢靠性。现在1 120kW永磁同步电动机是世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机,功率高于96.5%(同标准电机功率为95%),功率因数0.94,能够代替比它大1~2个功率等级的一般电动机。 
3.3 沟通伺服永磁电动机和无刷直流永磁电动机 
  现在越来越多地用变频电源和沟通电动机组成沟通调速系统来代替直流电动机调速系统。在沟通电动机中,永磁同步电机的转速在安稳运转时与电源频率保持稳定的关系,使得它可直接用于开环的变频调速系统。这类电机一般由变频器频率的逐渐升高来起动,在转子上能够不设置起动绕组,而且省去了电刷和换向器,维护方便。 
  变频器供电的永磁同步电动机加上转子方位闭环操控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功能,又完成了无刷化,首要运用于高操控精度和高牢靠性的场合,如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动轿车、核算机外围设备等。 
  现已研发成宽调速范围、高恒功率调速比的钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统,调速比高达1:22 500,极限转速达到9 000 r/min。永磁同步电动机高效、小振动、低噪声、高转矩密度的特色在电动车、机床等驱动设备中是最理想的电动机。 
  跟着人民日子水平的不断进步,对家用电器的要求越来越高。例如家用空调器,既是耗电大件,又是噪声的首要来源,其开展趋势是运用能无级调速的永磁无刷直流电动机。它既能依据室温的变化,主动调整到适合的转速下长时间运转,削减噪声和振动,使人的感觉更为舒适,还比不调速的空调器节电1/3。其他如电冰箱、洗衣机、除尘器、电扇等也在逐渐改用无刷直流电动机。 
3.4 永磁直流电动机 
  直流电动机选用永磁励磁后,既保留了电励磁直流电动机杰出的调速特性和机械特性,还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简略、体积小、用铜量少、功率高等特色。因此从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求有杰出动态功能的精细速度和方位传动系统都许多运用永磁直流电动机。500 W以下的微型直流电动机中,永磁电机占92%,而10 W以下的永磁电机占99%以上。 
  现在,我国轿车职业开展迅速,轿车工业是永磁电机的最大用户,电机是轿车的要害部件,一辆超豪华轿车中,各种不同用处的电机达70余台,其间绝大部分是低压永磁直流微电机。轿车、摩托车用起动机电动机,选用钕铁硼永磁并选用减速行星齿轮后,可使起动机电动机的质量减轻一半。 
3.5 几种新型结构的永磁电机 
3.5.1 无铁心钕铁硼永磁电机 
  运用钕铁硼永磁资料高矫顽力的优异特性不必或少用硅钢片,制成无铁心电机,质量大大减轻。无铁心永磁电机选用聚磁型结构和正余弦充磁,所产生的磁场呈正弦散布,因此能够不斜槽,能够选用集中绕组,便于AC操控。绕组端部短,损耗小,转矩密度高,振动噪声显着下降。运用在轿车方向盘驱动、机器人、电梯及DVD的驱动等许多方面。 
3.5.2 横向磁通钕铁硼永磁电机 
  为了处理安放线圈的槽的宽度与磁通流经的齿部的宽度之间的对立,进步电机的功率密度和转矩密度,人们不断探索新的磁路结构,呈现了横向磁通电机(Transverse Flux Machine)结构思维。这种电机定子齿槽结构和电枢线圈在空间上彼此垂直,主磁通沿电机轴向流转,电流和磁负荷在空间上不存在竞争,因此定子尺度和通电线圈的巨细彼此独立,在一定范围内能够恣意选取,进步了功率密度。现在国际上对这种结构电机的研发刚刚起步,有广阔的开展前景。 
3.6 永磁特种电机 
  操控电机和特种电机的种类许多,其共同的开展趋势之一是永磁化,以高功能的永磁体励磁逐渐取代电励磁。 
  因为稀土永磁具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特色,能够容许所制成的电机具有较大的气隙长度和气隙密度,因此在永磁体安放和磁路结构规划上有很大灵活性,能够依据运用场合,特别是轿车、核算机和航天工程的需求,制成与传统电机不同的结构形状和尺度,例如盘式电机、无槽电机等。这既能够进一步削减电机的质量和转动惯量,进步电机的反响灵敏度;又能够削减电机转矩的脉动,添加运转的平稳性;还能够简化电机的结构和工艺。因此在核算机外围设备、办公设备和要求精度定位操控的场合得到广泛运用。 
  核算机磁盘驱动器中用以驱动读写磁头作往复运动的动圈式直线电动机――音圈电动机需求高功能磁体,以确保满足的灵敏度,缩小体积和减轻质量。钕铁硼永磁正好能满足这一要求。20世纪60年代选用铁氧体永磁研发的是14 in磁盘驱动器用音圈电动机。自选用钕铁硼永磁后,驱动器尺度不断缩小,存取时间显着削减,存储容量添加。1984年磁盘驱动器缩小到以5.25 in盘为主;进入20世纪90年代,3.5 in磁盘驱动器迅速增长,成为主体。今后几年内2.5 in和1.8 in磁盘驱动器将大为开展。因此,日、美等国钕铁硼永磁销售量的一半左右用于制作音圈电动机。 
  此外,在步进电动机、开关磁阻电动、低速同步电动机等特种电机中添加钕铁硼永磁励磁后,其技能经济功能、动态呼应特性都有显着进步与改善。 
4 永磁电机的研讨推动了电机学科的开展 
  在永磁电机规划、制作和运用过程中,需求注意对以下几个问题的研讨剖析。 
4.1 磁路结构和规划核算 
  为了充分发挥各种永磁资料的磁功能,特别是稀土永磁的优异磁功能,制作出性价比高的永磁电机,就不能简略套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和规划核算办法,有必要树立新的规划概念,从头剖析和改善磁路结构。跟着核算机硬件和软件技能的迅猛开展,以及电磁场数值核算、优化规划和仿真技能等现代化规划办法的不断完善,通过电机学术界和工程界的共同努力,现已在永磁电机的规划理论、核算办法、结构工艺和操控技能等方面取得了打破性开展,形成了以电磁场数值核算和等效磁路解析求解相结合的一整套剖析研讨办法和核算机辅佐剖析、规划软件,并正在不断完善中。 
4.2 操控问题 
  永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场,但也形成从外部调理、操控其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调理其输出电压和功率因数,永磁直流电动机不能再用改动励磁的办法来调理其转速。这些使永磁电机的运用范围受到了约束。可是,跟着MOSFET、IGBT等电力电子器件和操控技能的迅猛开展,大多数永磁电机在运用中,能够不必进行磁场操控而只进行电枢操控。规划时需求把稀土永磁资料、电力电子器件和微机操控三项新技能结合起来,使永磁电机在崭新的工况下运转。 
4.3 不可逆退磁问题 
  如果规划或运用不当,永磁电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时,在冲击电流产生的电枢反响效果下,或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁,或叫失磁,使电机功能下降,乃至无法运用。因此,既要研讨开发适于电机制作厂运用的检查永磁资料热安稳性的办法和设备,又要剖析各种不同结构形式的抗去磁才能,以便在规划和制作时,选用相应措施确保永磁电机不失磁。 
4.4 本钱问题 
  铁氧体永磁电机,特别是微型永磁直流电动机,因为结构工艺简略、质量减轻,总本钱一般比电励磁电机低,因此得到了极为广泛的运用。因为稀土永磁现在价格还比较贵,稀土永磁电机的本钱一般比电励磁电机高,这需求用它的高功能和运转费用的节省来补偿。在某些场合,例如核算机磁盘驱动器的音圈电动机,选用钕铁硼永磁后功能进步,体积质量显着减小,总本钱反而下降。在规划时既需依据详细运用场合和要求,进行功能、价格的比较后决定取舍,又要进行结构工艺的创新和规划优化以下降本钱。 
5 稀土永磁电机的开展趋势 
  我国稀土资源丰富,稀土矿的储藏量居世界首位。稀土永磁资料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平,充分发挥我国稀土资源丰富的优势,大力研讨和推广运用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机,对加速完成我国全面进入小康社会具有重要的含义。 
  稀土永磁电机正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向开展,不断扩展新的电机种类和运用范畴,运用前景十分达观。为了满足需求,稀土永磁电机的规划和制作工艺需求不断地进行创新,电磁结构将更为复杂,核算结构将更为准确,制作工艺更为先进适用。这些复杂问题需求运用多学科理论和系统工程进行优化规划,进步性价比,促进电机等学科和职业进一步开展。


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