永磁电机正进入大发展 - 图文

稀土永磁电机正进入大发展的新时期

2011-1-24

引言

低碳经济的到来为永磁电机带来增长契机。永磁风力发电机是可再生能源的主要发展方向之一。超高效永磁电动机和调速高效永磁电动机在节能减排方面发挥重大作用。电动车用永磁电机和轨道交通用永磁电动机在替代能源方面成为行业发展的另一焦点。交流永磁伺服电动机和特种永磁电机在信息化的进程中发挥重要作用。随着需求结构的调整，用于节能环保领域的永磁电机将会出现大幅增长。

随着永磁材料性能的提高、加工工艺的完善以及现代控制技术的发展，永磁电机在工农业生产、家用电器、医疗设备、航空航天、航海、军工等各个领域均显示出了强大的生命力。永磁电机正逐渐向更高水平发展。最小外径仅为0.8mm，长1.2mm，大的外径可做到12m，几十MW（风电、舰艇等），单台重量百余吨，转速低的仅为0.2r/h，高的几十万r/min。结构也不再局限于传统结构，横向磁通的、轴向磁通的、直线的、双定子的、双转子的等等，产量也将出现大的跨越。

2 永磁风力发电机

2.1 风力发电机经历了三代：

第一代为定速定桨失速发电机组，鼠笼异步发电机，如图1所示。其优点是结构简单、可靠；部件标准化程度高，便于采购；单位kW成本造价低。缺点是风能利用率低；机组载荷冲击大；对电网冲击大，且无支持作用。

图1 异步风力发电机

第二代为变速变桨双馈发电机组，双馈异步发电机，如图2所示。优点是部件标准化程度高，便于采购；无需全功率逆变器；单位kW成本造价较低。缺点是电机集电环系统需要定期维护，故障率高；负载变化对电网冲击大；低电压穿越性能差。

图2 双馈风力发电机

第三代为变速变桨直驱/半直驱发电机组，永磁同步发电机，如图3所示。优点是多极、低速，很容易实现直驱，取消了中间的齿轮传动环节，增加了系统的可靠性和传动效率；无需励磁电源，效率高，损耗小，特别是在低负荷区效率高，适合风电特点；电能品质好，对电网无冲击；全功率变流器，低电压穿越性能好；高可靠性，免维护或少维护，适合大功率机组；效率高，机组年产能高；电机可自然冷却。缺点是质量重，体积大；需全功率逆变器；设计制造较复杂，成本较高。

图3 永磁直驱风力发电机

2.2 永磁直驱风力发电机

当前，兆瓦级风力发电机在风电场中占主导地位，而直驱永磁风力发电机组的应用越来越广泛，它省去了增速齿轮箱，大大提高了可靠性和效率，提高了单位kW的发电量。国内已成功开发出1~3MW的直驱/半直驱永磁风力发电机，正在研发5MW的风力发电机组。由于同样功率时，电机的重量与其转速成反比，MW级的直驱永磁风力发电机（每分钟只有十几转），重几十吨，运输和吊装都比较困难，如图4所示。

图4 发电机的吊装图

2.3 混合励磁发电机

在发电机运行中为了保持电压不变，需要进行电压调节。对于永磁发电机来说，转速变化、温度变化或负载电流变化都会造成输出电压的变动。但由于永磁电机的气隙磁场是由永磁体和磁路磁导决定的，调节气隙磁场困难而导致电压调节困难。

综合电励磁及永磁体励磁两种电机优点的混合励磁同步发电机可解决调压困难的问题，它的优点是：实现了无刷化，免维护；辅助电励磁部分的损耗小，具有永磁发电机的高效率特点；可以进行电压调节，解决了永磁发电机电压调节难的问题。

某混合励磁发电机定、转子实物如图5所示，转子典型结构如图6所示。

图5 样机的定子和转子

图6转子的典型结构

3 超高效永磁同步电动机

3.1 国际新标准

据国际电工委员会（IEC）统计，工业用电动机消耗全世界发电量的30％～40％，改善整个驱动系统和应用技术的效率对节能关系重大，系统优化总的节能潜力可达到30％～60％。据国际能源机构（IEA）2006年7月的工作报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约大约7％的电能，其中大致有1/4～1/3是靠提高电动机效率来获得的。目前，美、欧、日、澳大利亚、巴西等国都纷纷制订电动机效率限值，并强制执行。

为协调各国能效分级标准，2006年IEC制定一项新的能效标准IEC60034-30。该标准将一般用途电动机效率水平分为IE1（International Efficiency,简称IE）、IE2、IE3和IE4四级，其中IE1为标准效率，相当于我国目前生产的普通系列感应电动机的效率水平；IE2为高效率，比普通电机的效率平均提高2.75个百分点，损耗平均下降20％左右；IE3为超高效率，即效率再提高1.5～2个百分点，损耗平均再降低15％左右，目前只有美国计划2010年达到IE3能耗水平，强制执行；IE4为超超高效率，损耗预计再下降20％左右，需要进行全新的电机设计，建立新的体系结构（新的电机极数、速度范围），采用更高性能的材料。由于IE4的技术目前尚不成熟，该标准仅在附录中给出供参考的指标。 3.2永磁电动机的优势

总结我国研发生产高效永磁电动机的经验可以得出：永磁电动机容易做到高效率，即达到IE2级的效率值；进一步优化设计，采用高性能硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可以达到超高效，即IE3级的效率值。在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格可能达到超超高效，即IE4级的效率值。下面举几个实例： 1、油田抽油机用高效高起动转矩永磁同步电机动机

目前，油田抽油机用感应电动机普遍存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。国内针对油田抽油机负载特性，在减小1～2个机座号的情况下开发出高效高起动转矩永磁同步电动机系列（如图7所示），该系列电机不仅在额定负载时效率和功率因数高，而且在轻载（1/4额定负载）时仍具有用较高的效率和功率因数，在不同油田运行时节电率达20％以上，表1为其中两种典型规格电机效率与感应电动机和IE3标准对比。

图7 超高效永磁电动机应用于油田抽油机 表1 超高效永磁电动机与感应电动机和IE3标准对比

电机

电机类型

规格

超高效永磁

37kW6极

电动机 感应电动机

IE3

93.5 90.8 93.5

200/220mm 250/225mm

（％）

长

效率

机座号/铁心

高效永磁电

55kW6极

动机 感应电动机

IE3

93.8 92.0 94.2

250/225mm 280/215mm

2、化纤纺织用高效高牵入转矩永磁同步电动机

在相同负载情况下，化纤纺织用电机尺寸一般比普通电机大1～2个功率等级，使得电机在运行时存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。国内经过多年研究，所开发的7.5kW4极、11kW4极、15kW4极（如图8所示）和18.5kW4极在体积不增大的情况下能够达到超高效甚至超超高效性能指标（见表2），节电效果非常明显。

图8 15kW高效高牵入转矩永磁同步电动机在现场运行

表2 超超高效高牵入同步能力永磁同步电动机与IE4标准对比

电机规格

电机类型 超超高效永磁

15kW4极

电动机 感应电动机

IE4 超超高效永磁

7.5kW4极

IE4

93.0

电动机 感应电动机

93.5 87.0

132/180mm 132/160mm

效率（％） 94.48 88.5 94.1

机座号/铁心

长 160/180mm 160/195mm

3、高效高过载能力永磁同步电动机

高效高过载能力永磁同步电动机主要是应用于风机、泵类负载。国内通过对该类电机的共性关键技术研究，解决了制约该类电机的技术难题，开发出的11kW2极电机和18.5kW4极电机（见图9）都达到了IE4标准规定的效率值（见表3）。

图9 超超高效永磁同步电动机（11kW2极） 表3超超高效高过载能力永磁同步电动机与IE4指标对比

电机规格

电机类型 超超高效永磁电

动机

18.5kW4极

感应电动机 高效永磁电动机

IE4 超超高效永磁电

11kW2极

动机 感应电动机

IE4

94.7 91.0 93.0 94.4 94.2 87.2 93.8

160/165mm 180/190mm 160/165mm

132/145mm 160/125mm

效率（％）

机座号/铁心

长

4、中型异步起动高效稀土永磁同步电动机

中型异步起动高效永磁同步电动机主要用作驱动“三机一泵”（风机、压缩机、冷冻机和水泵），这类负载要求高效率、高功率因数和高过载能力，同时要求运行稳定可靠。制约中型高效稀土永磁同步电动机研发的主要因素是工艺结构问题（如图10所示）。目前该类电机主要是在原有电机上进行改造，通过技术攻关，研发出1150kW4极、1120kW4极、300kW4极、260kW4极和310kW6极几种典型规格样机，图11为1150kW4极样机照片。两种电机性能指标与原感应电动机的对比如表4所示。

图10 中型永磁电动机转子冲片图

图11 1150kW4极样机照片

功率因

表4 中型永磁同步电动机与感应电动机性能比较

电机类型 感应电动机 永磁电动机 感应电动机 永磁电动机

功率/kW 1120 1120 300 300

效率/% 94.4 96.4 91.5 94.81

数 0.88 0.94 0.89 0.966

3.3 变频调速高效稀土永磁电动机 1、变频调速永磁电动机

风机、泵类负载还可以通过变频调速永磁电机来提高节电率和降低起动电流。国内已开发出135kW、200kW和300kW等多种规格变频调速高效永磁同步电动机。图12为300kW电机照片。变频调速电机与异步电机的性能比较如表5所示。

表5 变频调速永磁电机（ TYVF系列 ）、异步电机（JS系列）性能比较

性能指标 额定功率 (kW) 额定电压 (V) 额定效率(%) 额定功率因数 堵转转矩(倍) 牵入转矩(倍) 失步转矩(倍) 冷却方式

TYVF200-4

200 380 94.9 0.98 1.54 1.60 1.58 独立风冷

JS117-4 180 380 92.5 0.89 0.90 -- -- 自扇冷却

TYVF300-4

300 380 95.5 0.96 1.69 1.90 1.52 独立风冷

JS128-4 300 380 91.5 0.89 0.90 -- -- 自扇冷却

图12 300kW4极电机照片

2、船用永磁电动机

通过对高效高功率密度船用永磁电机一系列关键技术问题的研究分析，如多相电机设计的关键技术；大功率电机的永磁体和整机装配工艺；高功率密度的永磁电机，最终研制出了250kW高效高功率密度船用永磁电机样机（如图13所示），电压为690V，采用六相双Y移30°绕组，效率为94.7%。

图13 250kW船用永磁电机

4 交流永磁伺服电动机

随着永磁材料性能的提高、加工工艺的完善以及电机材料的发展，永磁伺服电机在各个领域均显示出了强大的生命力。 高性能的交流永磁伺服电动机具有效率高、功率因数高、转动惯量小、动态响应速度快、低速平稳性好等许多优点，广泛用于装备制造业（机床、机器人等）、家用电器、医疗设备等场合。 4.1 数控机床用交流永磁伺服电动机

现已开发出满足高精度机床要求的交流永磁伺服电机，主要规格为TYJS 900-2000、 TYJS 1500-1500，该电机主要优点在于：（1）该系列电机转速无级可调，运行稳定，振动噪声低；（2）动态性能好，低速运行平稳，转矩脉动和转速脉动小，转矩脉动小于2.5％，

转速脉动小于1％；（3）过载能力高，有的高于5倍，能完全满足机床上的需要；（4）效率、功率因数高，节能效果明显；（5）该系列电机采用新颖的结构设计，使电机的有效材料重量显著降低，体积小、功率密度高。

从价格上来看，生产的电机价格为进口电机的1/2~2/3。因此不论从性价比上，还是从力能指标上，都占有绝对优势，在国际市场上具有很强的竞争优势，替代了进口，提升装备制造业在国际市场上的竞争力，增加出口创汇。 4.2 曳引机用交流永磁伺服电动机

原有齿轮传动的电梯曳引机，因齿轮箱的存在综合效率仅为65％左右，且振动噪声很大，维护也较困难。现采用无齿轮曳引永磁电机后，效率可提高近25个百分点，且动态性能较好，特别是低速时运行平稳。每台每年节约电费3000多元，有功节电率可达28.9％。图14为曳引机用交流伺服电机结构图，图15为电机的实物图。

图14 曳引机用交流伺服电机结构图

图15 电机的实物图

4.3 超低速永磁力矩电机

图16为超低速永磁电机的典型结构，图17为该样机的实物图。该样机的额定功率为2.8kW；额定转速为 为

，最低转速

(约为5小时1转)；额定转矩为4586N?m；电机外径达到2m。该电机解决了制约薄环超低速大转矩永磁电机的加工工艺

及工装等关键技术问题。

图16 超低速永磁电机典型结构图

图17 超低速永磁电机实物图

5 特种永磁电机

5.1 盘式永磁电机

盘式永磁电机的气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，可以使电机制成扁平型，可获得很高的转矩密度。如制成多气隙组合式结构，可以进一步提高转矩，特别适合于大力矩直接驱动装置。图18为盘式永磁电机的典型结构。

图18 盘式永磁电机结构

电机的温度场分布取决于冷却介质和电磁损耗的分布，为了能够获得电机温度的准确分布，建立永磁电机磁场－电路－流场－温度场的耦合计算模型，在产品开发阶段即可完成热性能分析，从而降低试验成本，缩短设计周期。电机的温度场分布如图19所示。

图19 电机整机和转子的温度场分布

5.2 无铁心永磁电动机

传统电机的磁场是由电流产生的，为了减少磁路的磁阻，都选用高磁导率的硅钢片叠压而成定、转子铁心，这样会导致电机的体积大、质量重（铁心占总重的60%左右）、损耗大（铁心损耗占总损耗的20%~30%）、振动噪声大。无铁心永磁电机充分利用钕铁硼永磁材料的优异磁性能，少用或不用硅钢片，并在磁路结构上采用聚磁型永磁体结构形式（如图20所示），开发出具有高效率、高功率因数、高功率密度、低噪声的kW级无铁心钕铁硼永磁电动机，在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等要求较高的控制

场合具有广阔的应用前景。图21为无铁心永磁电机定转子实物图。表6列举了2.2kW无铁心电机与同规格的Y2系列异步电动机的对比分析。

图20 Halbach型永磁体阵列

图21 无铁心永磁电机定转子实物图

表6 无铁心电机与同规格Y2系列感应电动机的对比分析

TYB2200-75

电机型号 Y2-132S-8 比较结果

0

中心高 132 112 额定功率/W 效 率/％ 功率因数 功率密度/W·kg－1 噪声/dB(A)

2200 78.0 0.71 33.85 71

2200 89.8 0.95 68.75 57

提高11.8％ 提高0.24 提高103％ 降低14dB（A）

但是，无铁心电机需要增大永磁体的磁化方向长度，需要多用永磁材料，制造工艺也较复杂，增大了成本。在同样定子直径时，极数越多，轭部磁路越长，需要耗用的永磁材料越多。

盘式无铁心永磁电机的轭部磁路很短、耗用永磁材料增加有限。所开发的5kW 8极盘式无铁心永磁电机如图22所示，效率91%，功率因数0.96。

图22 盘式无铁心永磁电机

5.3 横向磁通永磁电机

横向磁通永磁电机是一种近年引起广泛关注的新型电机。传统电机的齿和槽在同一平面内，齿宽和槽宽互相制约。改成横向磁通电机后可以大大提高转矩密度。图23所示为其与传统电机的磁路对比。传统电机的磁力线所在平面平行于电机的旋转方向，如图23a所示。而横向磁通电机磁力线所在平面垂直于电机的旋转方向，如图23b所示，在转子和定子铁心的齿部, 磁通沿径向平面流通, 而定子铁心轭部的磁通沿轴向流通, 流通方向相互垂直。

(a)传统径向磁通电机 (b)横向磁通电机 图23 传统径向电机与横向电机的磁路对比图

但是，横向磁通永磁电机的结构工艺复杂。图24为横向磁通电机的一种典型结构。

图24横向磁通电机的一种典型结构图

6 结论

由于用户要求稀土永磁电机达到高功率密度、高效率、高动态响应和低速平稳性、低振动噪声，促使电机的电磁负荷高，结构新颖而又多样，增加了设计分析、仿真计算和研究开发的复杂性。电机内存在着多种不同类型的多场耦合系统，涉及到电磁、机械、电子、

流体、热学等多个学科，并且相互影响，需要在研究开发过程中更好地运用和发展多场耦合系统，弄清各种场的分布规律及其控制技术。在此基础上对各种参数进行综合分析比较和优化

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