首页 稀土永磁电机发展综述

稀土永磁电机发展综述

举报
开通vip

稀土永磁电机发展综述 学 科 壕 述 ” 永 磁 电 机 发 展 综 述 永磁电机专委会 唐任远 , 引 言 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转 换的电磁装置 。 为在电机内建立进行机电能量转换 所必需的气隙磁场 , 可以有两种方法 。 一种是在电 机绕组内通电流产生 , 既需要有专门的绕组和相应 的装置 , 又需要不断供给能量以维持电流流动 , 例 如普通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 就是永磁电机 。 永磁电机的发展概况 永磁电机的...

稀土永磁电机发展综述
学 科 壕 述 ” 永 磁 电 机 发 展 综 述 永磁电机专委会 唐任远 , 引 言 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转 换的电磁装置 。 为在电机内建立进行机电能量转换 所必需的气隙磁场 , 可以有两种方法 。 一种是在电 机绕组内通电流产生 , 既需要有专门的绕组和相应 的装置 , 又需要不断供给能量以维持电流流动 , 例 如普通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 就是永磁电机 。 永磁电机的发展概况 永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关 。 我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应 用于实践的国家 , 多年前 , 我国利用永磁材料 的磁特性制成了指南针 , 在航海 、 军事等领域发挥 了巨大的作用 , 成为我国古代四大发明之一 。 世纪 年代出现的世界上第一台电机就是 由永磁体产生励磁磁场的永磁电机 。 但当时所用的 永磁材料是天然磁铁矿石 , 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 。 随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的 发明 , 人们对永磁材料的机理 、 构成和制造技术进 行了深入研究 , 相继发现了碳钢 、 钨钢 最大磁能 积约 、 钻钢 最大磁能积约 等多种永磁材料 。 特别是 世纪 年代出现的铝 镍钻永磁 最大磁能积可达 和 年代出 现的铁氧体永磁 最大磁能积现可达 , , 磁 性能有了很大提高 , 各种微型和小型电机纷纷使用 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 日常生活中得到广 泛应用 , 产量急剧增加 。 相应地 , 这段时期在永磁 电机的设计理论 、 计算方法 、 充磁和制造技术等方 面也都取得了突破性进展 , 形成了以永磁体工作图 图解法为代 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的一套分析研究方法 。 但是铝镍钻永磁的矫顽力偏低 一 , 铁氧体永磁的剩磁密度不高 一 , 限制了 它们在电机中的应用范围 。 一直到 世纪 年代 和 年代 , 稀土钻永磁和钱铁硼永磁 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性能特别适合于 年 月 电气技 习 学 ’ 科 壕 述 制造电机 , 从而使永磁电机的发展进人一个新的历 史时期 。 稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段 。 年美国 教授发现的衫钻永磁为第一代稀 土永磁 , 其化学式可表示成 , 简称 型稀 土永磁 , 产品的最大磁能积超过 · 。 年又出现了磁性能更好的第二代稀土永 磁 , 其化学式为 , 简称 型稀土永磁 , 产 品的最大磁能积达到 , · 。 年 日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司 各自研制成功钱铁硼 永磁 , 称为第三代 稀土永磁 。 由于钱铁硼永磁的磁性能高于其他永磁 材料 , 价格又低于稀土钻永磁材料 , 在稀土矿中钱 的含量是衫的十几倍 , 而且不含战略物质 —钻 , 因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注 , 纷 纷投入大量人力物力进行研究开发 。 目前正在研究 新的更高性能的永磁材料 , 如衫铁氮永磁 、 纳米复 合稀土永磁等 , 希望能有新的更大的突破 。 与此相对应 , 稀土永磁电机的研究和开发大致 可以分成三个阶段 。 第一阶段 世纪 年代后期和 年代 , 由 于稀土钻永磁价格昂贵 , 研究开发重点是航空 、 航 天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科 技领域 。 第二阶段 世纪 年代 , 特别是 年出 现价格相对较低的钱铁硼永磁后 , 国内外的研究开 发重点转移到工业和民用电机上 。 稀土永磁的优异 磁性能 , 加上电力电子器件和微机技术的迅猛发展 , 不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机 来替代 , 而且可以实现传统的电励磁电机所难以达 到的高性能 。 第三阶段 进人 世纪 年代 , 随着永磁材 料性能的不断提高和完善 , 特别是钱铁硼永磁的热 稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电 力电子器件的进一步发展 , 加上永磁电机研究开发 经验的逐步成熟 , 除了大力推广和应用已有研究成 果 , 使永磁电机在国防 、 工农业生产和 日常生活等 各个方面获得越来越广泛的应用外 , 稀土永磁电机 的研究开发进入一个新阶段 。 一方面 , 向大功率化 高转速 、 高转矩 、 高功能化和微型化方向发展 。 目前 , 稀土永磁电机的单台容量已超过 , 最高转速已超过 , 最低转速低于 , 最小电机外径只有 , 长 。 另一方面 , 促使永磁电机的设计理论 、 计算方法 、 结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现崭新的 局面 , 有关的学术论文和科研成果大量涌现 , 形成 了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的 一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件 。 我国的稀土资源丰富 , 稀土不稀 , 号称 “ 稀土 王国 ” 。 稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列 。 稀土永磁材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 , 大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代 表的各种永磁电机 , 对实现我国社会主义现代化具 有重要的理论意义和实用价值 。 崛熊架当跨韶洪聪资瀚梭凑阴姗洲瑞骼熬组玲饼兴撇沁嘿国抓邸姗麟娜漏麟绷漪洲瞰黔操 淡敏陇绷赓共狱阴呀兴箫考翻石价拟李斌帐锄爷翻锵鳃邵 胡赚汽 永磁电机的主要特点和应用 与传统的电励磁电机相比 , 永磁电机 , 特别是 稀土永磁电机具有结构简单 , 运行可靠 体积小 , 质 量轻 损耗小 , 效率高 电机的形状和尺寸可以灵 活多样等显著优点 。 因而应用范围极为广泛 , 几乎 皿口厂电气技木 ’ , 年 ” 学 科 编 述 遍及航空航天 、 国防 、 工农业生产和 日常生活的各 个领域 。 下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及 其主要应用场合 。 二 稀土永磁发电机 永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集 电环和电刷装置 , 结构简单 , 减少了故障率 。 采用稀 土永磁后还可以增大气隙磁密 , 并把电机转速提高 到最佳值 , 提高功率质量比 。 当代航空 、 航天用发电 机几乎全部采用稀土永磁发电机 。 其典型产品为美 国通用电气公司制造的巧 极 一 五和 、 卫 的稀土钻永磁同 步发电机 。 国内研发的第一台稀土永磁电机即为 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 , 年代我国研制成功当时世界容量最大的 一 稀土永磁副励磁机 , 配备 一 汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性 。 目前 , 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 电机正在逐步推广 。 高效永磁同步电动机 永磁同步电动机与感应电动机相比 , 不需要无 功励磁电流 , 可以显著提高功率因数 可达到 , 甚 至容性 , 减少了定子电流和定子电阻损耗 , 而且在 稳定运行时没有转子铜耗 , 进而可以减小风扇 小 容量电机甚至可以去掉风扇 和相应的风摩损耗 , 效率比同规格感应电动机可提高 一 个百分点 。 而 且 , 永磁同步电动机在 一 额定负载范围内 均可保持较高的效率和功率因数 , 使轻载运行时节 能效果更为显著 。 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能力 。 目前主要应用在油田 、 纺织化纤工业 、 陶瓷玻璃工 业和年运行时间长的风机水泵等领域 。 我国自主开发的高效高起动转矩钱铁硼永磁同 步电动机在油田应用中可以解决 “ 大马拉小车 ” 问 题 , 起动转矩比感应电动机大 一 , 可以替 代大一个机座号的感应电动机 , 节电率在 左右 。 纺织化纤行业中负载转动惯量大 , 要求高牵入 转矩 。 合理设计永磁同步电动机的空载漏磁系数 、 凸极比 、 转子电阻 、 永磁体尺寸和定子绕组匝数可 以提高永磁电机的牵人性能 , 促使它应用于新型的 纺织和化纤工业 。 大型电站 、 矿山 、 石油 、 化工等行业所用几百 千瓦和兆瓦级风机 、 泵类用电机是耗能大户 , 而 目 前所用电机的效率和功率因数较低 , 改用钱铁硼永 磁后不仅提高了效率和功率因数 , 节约能源 , 且为 无刷结构 , 提高了运行的可靠性 。 目前 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 , 效率高于 同规格电机效率为 , 功率因数 , 可以替代比它大 一 个功 率等级的普通电动机 。 交流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交流电动机组成 年 月 电气技木刁 学 科 综 述 交流调速系统来替代直流电动机调速系统 。 在交流 电动机中 , 永磁同步电机的转速在稳定运行时与电 源频率保持恒定的关系 , 使得它可直接用于开环的 变频调速系统 。 这类电机通常由变频器频率的逐步 升高来起动 , 在转子上可以不设置起动绕组 , 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位置闭 环控制系统构成 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 , 主 要应用于高控制精度和高可靠性的场合 , 如航空 、 航天 、 数控机床 、 加工中心 、 机器人 、 电动汽车 、 计 算机外围设备等 。 现已研制成宽调速范围 、 高恒功率调速比的钱 铁硼永磁同步电动机和驱动系统 , 调速比高达 , 极限转速达到 。 永磁同步电动机 高效 、 小振动 、 低噪声 、 高转矩密度的特点在电动 车 、 机床等驱动装置中是最理想的电动机 。 随着人民生活水平的不断提高 , 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 是噪声的主要来源 , 其发展趋势是使用能无级调速 的永磁无刷直流电动机 。 它既能根据室温的变化 , 自动调整到适宜的转速下长时间运转 , 减少噪声和 振动 , 使人的感觉更为舒适 , 还比不调速的空调器 节电 。 其他如电冰箱 、 洗衣机 、 除尘器 、 风扇 等也在逐步改用无刷直流电动机 。 永磁直流电动机 直流电动机采用永磁励磁后 , 既保留了电励磁 直流电动机良好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单 、 体积 小 、 用铜量少 、 效率高等特点 。 因而从家用电器 、 便 携式电子设备 、 电动工具到要求有良好动态性能的 精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动 机 。 以下的微型直流电动机中 , 永磁电机占 , 而 以下的永磁电机占 以上 。 目前 , 我国汽车行业发展迅速 , 汽车工业是永 磁电机的最大用户 , 电机是汽车的关键部件 , 一辆 超豪华轿车中 , 各种不同用途的电机达 余台 , 其 中绝大部分是低压永磁直流微电机 。 汽车 、 摩托车 用起动机电动机 , 采用钱铁硼永磁并采用减速行星 齿轮后 , 可使起动机电动机的质量减轻一半 。 几种新型结构的永磁电机 无铁心钱铁硼永磁电机 利用钱铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性不用 或少用硅钢片 , 制成无铁心电机 , 质量大大减轻 。 无 铁心永磁电机采用聚磁型结构和正余弦充磁 , 所产 生的磁场呈正弦分布 , 因此可以不斜槽 , 可以采用 集中绕组 , 便于 控制 。 绕组端部短 , 损耗小 , 转 矩密度高 , 振动噪声显著降低 。 应用在汽车方向盘 驱动 、 机器人 、 电梯及 的驱动等许多方面 。 横向磁通钱铁硼永磁电机 为了解决安放线圈的槽的宽度与磁通流经的齿 部的宽度之间的矛盾 , 提高电机的功率密度和转矩 密度 , 人们不断探索新的磁路结构 , 出现了横向磁 通电机 结构思想 。 这 种电机定子齿槽结构和电枢线圈在空间上相互垂直 , 主磁通沿电机轴向流通 , 电流和磁负荷在空间上不 存在竞争 , 因而定子尺寸和通电线圈的大小相互独 立 , 在一定范围内可以任意选取 , 提高了功率密度 。 目前国际上对这种结构电机的研发刚刚起步 , 有广 阔的发展前景 。 永磁特种电机 控制电机和特种电机的种类很多 , 其共同的发 厂电气技 , 年 ” 学 科 壕 述 展趋势之一是永磁化 , 以高性能的永磁体励磁逐步 取代电励磁 。 由于稀土永磁具有高剩磁密度 、 高矫顽力和高 磁能积的特点 , 可以容许所制成的电机具有较大的 气隙长度和气隙密度 , 因而在永磁体安放和磁路结 构设计上有很大灵活性 , 可以根据使用场合 , 特别 是汽车 、 计算机和航天工程的需要 , 制成与传统电 机不同的结构形状和尺寸 , 例如盘式电机 、 无槽电 机等 。这既可以进一步减少电机的质量和转动惯量 , 提高电机的反应灵敏度 又可以减少电机转矩的脉 动 , 增加运行的平稳性 还可以简化电机的结构和 工艺 。 因而在计算机外围设备 、 办公设备和要求精 度定位控制的场合得到广泛应用 。 此 , 日 、 美等国钱铁硼永磁销售量的一半左右用于 制造音圈电动机 。 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增加钱铁硼永磁励磁后 , 其 技术经济性能 、 动态响应特性都有明显提高与改 进 。 永磁电机的研究推动了电机学科的发展 计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 —音圈电动机需要高性 能磁体 , 以保证足够的灵敏度 , 缩小体积和减轻质 量 。 钱铁硼永磁正好能满足这一要求 。 世纪 年 代采用铁氧体永磁研制的是 磁盘驱动器用音圈 电动机 。 自采用钱铁硼永磁后 , 驱动器尺寸不断缩 小 , 存取时间明显减少 , 存储容量增加 。 年磁 盘驱动器缩小到以 盘为主 进入 世纪 年代 , 磁盘驱动器迅速增长 , 成为主体 。 今后 几年内 和 磁盘驱动器将大为发展 。 因 在永磁电机设计 、 制造和应用过程中 , 需要注 意对以下几个问题的研究分析 。 磁路结构和设计计算 为了充分发挥各种永磁材料的磁性能 , 特别 是稀土永磁的优异磁性能 , 制造出性价比高的永 磁电机 , 就不能简单套用传统的永磁电机或电励 磁电机的结构和设计计算方法 , 必须建立新的设 计概念 , 重新分析和改进磁路结构 。 随着计算机硬 件和软件技术的迅猛发展 , 以及电磁场数值计算 、 优化设计和仿真技术等现代化设计方法的不断完 善 , 经过电机学术界和工程界的共同努力 , 现 已在 永磁电机的设计理论 、 计算方法 、 结构工艺和控制 技术等方面取得了突破性进展 , 形成了以电磁场 数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分 析研究方法和计算机辅助分析 、 设计软件 , 并正在 不断完善中 。 , 控制问题 永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁 场 , 但也造成从外部调节 、 控制其磁场极为困难 。 永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因 数 , 永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调 节其转速 。 这些使永磁电机的应用范围受到了限 年 月 电气技木习 学 科 燎 建 制 。 但是 , 随着 、 等电力电子器件 和控制技术的迅猛发展 , 大多数永磁电机在应用 中 , 可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制 。 设 计时需要把稀土永磁材料 、 电力电子器件和微机控 制三项新技术结合起来 , 使永磁电机在崭新的工况 下运行 。 不可逆退磁问题 如果设计或使用不当 , 永磁电机在过高 钱铁 硼永磁 或过低 铁氧体永磁 温度时 , 在冲击电 流产生的电枢反应作用下 , 或在剧烈的机械震动时 有可能产生不可逆退磁 , 或叫失磁 , 使电机性能降 低 , 甚至无法使用 。 因而 , 既要研究开发适于电机 制造厂使用的检查永磁材料热稳定胜的方法和装置 , 又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力 , 以便在 设计和制造时 , 采用相应措施保证永磁电机不失磁 。 成本问题 铁氧体永磁电机 , 特别是微型永磁直流电动 机 , 由于结构工艺简单 、 质量减轻 , 总成本一般比 电励磁电机低 , 因而得到了极为广泛的应用 。 由于 稀土永磁 目前价格还比较贵 , 稀土永磁电机的成本 一般比电励磁电机高 , 这需要用它的高性能和运行 费用的节省来补偿 。 在某些场合 , 例如计算机磁盘 驱动器的音圈电动机 , 采用钱铁硼永磁后性能提高 , 体积质量显著减小 , 总成本反而降低 。 在设计时既 需根据具体使用场合和要求 , 进行性能 、 价格的比 较后决定取舍 , 又要进行结构工艺的创新和设计优 化以降低成本 。 位 。 稀土永磁材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 , 大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表 的各种永磁电机 , 对加快实现我国全面进入小康社 会具有重要的意义 。 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发展 , 不断扩展新的电 机品种和应用领域 , 应用前景非常乐观 。 为了满足 需要 , 稀土永磁电机的设计和制造工艺尚需不断地 进行创新 , 电磁结构将更为复杂 , 计算结构将更为 精确 , 制造工艺更为先进适用 。 这些复杂问题需要 应用多学科理论和系统工程进行优化设计 , 提高性 价比 , 促进电机等学科和行业进一步发展 。 参考文献 胡淑华 、 郑宝才 、 唐任远 稀土永磁 电机的发展趋 势 —大功率化 、 高功 能化 、 微型化 电工技术杂 志 一 唐任远等著 现代永磁 电机理论与设计 北京 机 械工业 出版社 , 唐任远 稀土永磁 电机的研究与发展 电气技术 一 稀土永磁电机的发展趋势 澳理乡合, 伶巴能味沂翩洞袋服瑞呆砚兔翻翎鲜淞 沁从诬涨卜勺藻幼瀚淞添哗去卿锵始娜断 £编姆嫩撇邸艇渐洲翩知黔瞬徽黝诀为踢 我国稀土资源丰富 , 稀土矿的储藏量居世界首 日厂电气技 年 ”
本文档为【稀土永磁电机发展综述】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
该文档来自用户分享,如有侵权行为请发邮件ishare@vip.sina.com联系网站客服,我们会及时删除。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。
本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。
网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
下载需要: 免费 已有0 人下载
最新资料
资料动态
专题动态
is_588696
暂无简介~
格式:pdf
大小:751KB
软件:PDF阅读器
页数:6
分类:生产制造
上传时间:2011-10-18
浏览量:81