1、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
2、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
3、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
4、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 13MW 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
5、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 3040，改善整个驱动系统和应用技术的效率对节能
6、关系重大，系统优化总的节能潜力可达到 3060。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；IE
7、2 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1.52 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
8、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 12 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
9、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 标准对比电机规格电机类型效率（）机座号/铁心长超高效永磁电动机93.5 200/220mm感应电动机 90.8 250/225mm37kW6 极IE3 93.5高效永磁电动机93.8 250/225mm感应电动机 92.0 280/215mm55kW6 极IE3 94.22、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 12 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、11
10、kW4 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 电机类型效率（）机座号/铁心长超超高效永磁电动机 94.48 160/180mm感应电动机 88.5 160/195mm15kW4 极IE4 94.1超超高效永磁电动机 93.5 132/180mm7.5kW4极 感应电动机 87.0 132/160mmIE4 93.03、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 电机类型效率（）机座号/铁心长
