永磁电机简介

稀土永磁电机简介

沈阳工业大学

国家稀土永磁电机工程技术研究中心

一、稀土永磁材料在电机中的应用的意义

旋转电机在实现机电能量转换的过程中必须有磁场，传统电机靠电流通过线圈来产生。对于直流电机和电励磁的永磁同步电机来说，这种励磁功率全部以损耗的形式消耗在电机中，因此直接影响电机的总体效率；而且需要有专门的装置，如磁极、线圈、划环和电刷以及专门的电源等，容易损坏，可靠性低。异步电机靠定子中通以无功电流产生磁场，功率因数低，当在一个工业场合大量使用异步电机时，需要加电容来补偿电网的功率因数。

稀土永磁材料的磁性能优异,它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来替代传统电机的电励磁场所制成的稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠，还可做到体积小、重量轻。既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能（如特高效、特高速、特高响应速度），又可以制成能满足特定运行要求的特种电机，如电梯曳引电机、汽车专用电机等。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合，更使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平。从而提高所配套的技术装备的性能和水平，是电机行业调整产业结构的重要发展方向。

稀土永磁电机的应用范围极为广泛，几乎遍及航空、航天、国防、装备制造、工农业生产和日常生活的各个领域。它包括永磁同步电动机、永磁发电机、直流电动机、无刷直流电动机、交流永磁伺服电动机、永磁直线电机、特种永磁电机及相关的控制系统，几乎覆盖了整个电机行业。

中国稀土资源非常丰富，居世界前列，主要分布在包头，江西，四川和山东。世界已探明的稀土储量为6200万吨（以稀土氧化物REO计），其中中国稀土资源工业储量为4800万吨，远景储量达1.2亿吨，占世界已探明资源的80%，而且品种全，质量高，为大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。目前，高档钕铁硼永磁产品N48，45M,44H,39SH,35UH和28EH等都已批量生产。

稀土永磁材料的广泛应用，已深入国民经济的方方面面，其产量与用量已成为衡量一个国家综合国力与国民经济发展水平的重要标志。如果说半导体集成电路的发明及应用给现代信息产业安上了大脑，那么高性能稀土永磁材料的应用则赋予了它活动行走的四肢和飞翔的翅膀。因此大力应用新型稀土永磁材料，将我国资源优势转化为产业优势，能带动高新技术产业及相关行业的迅猛发展, 给国民经济带来新的增长点。因此，稀土永磁电机是一项市场前景好、应用潜力大的朝阳产业。近10多年来，全球烧结钕铁硼产量年平均增长率为25%左右。

二、国家稀土永磁电机工程技术研究中心情况概述

鉴于稀土永磁材料应用的必要性和稀土永磁电机工程化、产业化的可行性，2002年12月，经国家科技部考核批准，以沈阳工业大学为依托单位，组建“国家稀土永磁电机工程技术研究中心”（以下简称“国家永磁中心”）。早在1980年，沈阳工业大学就成立了特种电机研究，是国内最早从事稀土永磁电机研究和开发的单位，也是国内唯一以稀土永磁电机研究为特色的博士学位授予点和博士后流动站，中国电工技术学会永磁电机专业委员会的挂靠单位，全国稀土永磁电机协作网的副网长单位。所在的沈阳工业大学电机与电器学科经国家教育部批准为国家级高等学校重点学科。2003年又被授予电气工程一级学科博士点，涵盖5个二级学科博士授予权：电机与电气、电力电子与电力传动、高电压与绝缘、电力系统自动化、电工理论新技术。

“国家永磁中心”现有职工60人，其中大专以上学历科技人员40人，占职工总数的71.4%，高级职称19人，博士9人。占用场地面积共6140平方米，其中校内6000平方米，北京办事处70平方米，在沈阳国家高新技术产业开发区创业中心（21世纪大厦）内70平方米。现设有计算机CAD/CAM中心、技术开发部、工程设计部、机加工车间、冲压车间、油漆车间、装备车间和中试基地等部门。各种检测仪器基本齐全。同时公司采取“两头在内，中间在外”的协作方式组织生产，即产品的研究、设计、中试与关键技术在内，其余部分在外，以充分利用国家存量资产，大大减少一般机加设备和场地的投资，最大限度减少新增投资，提高经济效益。

20多年来，既在稀土永磁电机分析理论、电磁场计算方法、优化设计和性能仿真等基础理论研究上取得重大突破，发表了一大批高水平的学术论文和专著；又特别注重与生产实践相结合，解决了磁路结构、测试技术和制造工艺等一系列有关关键技术。开发出国内第一台稀土永磁电机（3kW、20000r/min高速稀土永磁电机），开发出世界容量最大的60~160kV A稀土永磁副励磁机，超额完成了八六三计划“九五”重大攻关项目并开发出五种二十三个规格永磁电机，其中五个实现了工程化，在石油化工领域得到实际应用。

通过省部级鉴定的科研成果29项，获国家和省部级以上科技进步奖11项、获国家授权专利7项。曾两次由国家经委和全国稀土推广应用领导小组命名为“全国稀土推广应用先进单位”。经沈阳市、辽宁省科委、国家教育部和科学技术部批准，分别于1999年成立了“沈阳市稀土永磁应用工程技术中心”，2000年成立了“辽宁省稀土永磁电机工程技术中心”，2001年成立了“教育部稀土永磁应用工程研究中心”，2002年获准组建“国家稀土永磁电机工程技术研究中心”。

为推进科研成果的产业化，又创办了一个产、学、研一体化的新兴企业-----沈阳博远特种电机有限责任公司，现已被辽宁省科技厅认定为高新技术企业，由科学技术部认定为“国家八六三计划成果产业化基地”。

“国家永磁中心”主任、公司董事长、学科带头人唐任远教授，是我国电工界知名专家、博士生导师、中国工程院院士，长期从事稀土永磁电机的研究工作，经验丰富、硕果累累。曾连续10年被评为辽宁省和沈阳市劳动模范，荣获全国“五一”劳动奖章、全国优秀科技工作者、全国模范教师和辽宁省优秀专家等多项荣誉称号。

一、最新科研成果

近五年来，在完成国家高技术研究发展（863）计划、“九五”重大项目、国家自然科学基金项目的过程中，通过科技人员的不断努力、创新，取得了以下显著的科研成果：

1、高效高起动转矩钕铁硼永磁三相同步电动机TYQ系列产品

该系列电机是传统的Y型电机的替代产品，广泛应用于石油化工，抽油机系统和风机泵类等行业。现已开发出9个功率等级的产品。

经辽河、胜利大港等油田使用，可替代比它大2~3个功率等级的异步电动机（37kW永磁电机替代55或75kW 异步电动机）起动和运行情况良好，运行电流只有原来的1/6，综合节电率达30%。表1是各油田节能监测站提供的检测报告统计表。

表1各油田节能监测站提供的检测报告统计表

本成果的产业化被列为国家八六三计划重大产业化项目、国家级火炬计划项目、国家计委高新技术产业化推进项目、科技型中小企业创新项目和沈阳市高新技术超常发展“特别快车”项目。本项目成果获2000年度辽宁省科技进步一等奖和2001年国家科技进步二等奖。

市场预测：据中国石油天然集团公司统计，我国各大油田现有抽油机6万台，年生产5000台。如原有抽油机的1/10和新生产的一半换用永磁电机，则年需8500台，产值1.02亿元；我国年生产风机和泵类用电机2000万kW，如年产永磁电机100万kW，产值3.5亿元。可见此类永磁电机具有广阔的国内市场。

2、高牵入同步能力钕铁硼永磁同步电动机及其关键技术

该系列电机为化纤机械用高科技、高附加值的产品。表2为现已开发6种规格样机及其主要性能。

表

转矩倍数最小提高了81％。

市场预测：目前，我国化纤电机主要从国外进口，且正处于更新换代时期，对高性能的化纤电机的需求量逐年增加。

另外，本项目有关电机牵入同步能力的研究和所得成果也可应用于开发以高效高牵入同步能力为特点的其他应用领域的电机，如应用于矿山的球磨机电机。

3、超高效钕铁硼永磁同步电动机

风机、泵类负载用电量占全国发电量的40％以上，大都是2极和4极电机。在完成国家重点科技攻关计划中，开发出7.5kW2极和11kW4极两种规格样机。鉴定评为“达到国际领先水平”。主要性能及对比资料如表3、表4、表5所示。

4、中型高效稀土永磁三相同步电动机

中型电机大都是高压电机，据统计，我国高压电机所消耗电能是低压电机耗能总和的8倍左右。根据企业需要，在原有高压异步电动机基础上，只对其转子进行改造，开发出中型高效稀土永磁三相同步电动机。300 kW4极6kV样机的性能与原异步电动机对比如表6所示。

表6 永磁同步电动机、异步电动机性能

7.2%，效果较为显著。”“运行情况表现，在相同情况下，按年运行8000小时，电费0.4元/度计算，该永磁电机年节电费达66650元，电机永磁改造增加的费用可在短时间内收回。”

5、大型高效稀土永磁三相同步电动机

本项目所开发的1120kW4极电机，经查新，是目前世界容量最大的异步起动高效永磁电机。样机选用了目前国内所能提供的最高档的钕铁硼永磁N38SH。用钕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，提高了运行可靠性。鉴定评为：“达到国际领先水平”。表7是主要性能指标

台的速度增加，若将每年新生产的和现有10%的1120kW异步电动机用本产品替代，仅每年节电为1.2亿kWh,加上以小替大，每年节约电费上亿元。

6、电动汽车用永磁同步电动机和驱动系统及其关键技术

开发了7.5kW和18.5kW电动客车用永磁同步电动机系统，额定转速为3000r/min，最高转速5500r/min；在电机设计上采用不均匀气隙电机结构并进行优化设计以保证电机永磁磁密波形的正弦性，使样机系统整体额定效率达89.1%，其他广泛负载范围整体效率达85%以上；一小时持续转矩密度为0.74Nm/kg,15分钟峰值转矩密度为1.123Nm/kg。

由于采用电机绕组换接技术，在逆变器容量不变的前提下，使系统的低速（小于1200r/min）输出转矩增加一倍。

市场预测：电动车的驱动系统是电动汽车的心脏，直接关系着电动汽车的性能，本成果符合世界电动汽车驱动系统的发展方向，并具有理想的驱动性能，必将促进我国电动汽车实用化和产业化的发展，具有广阔的应用前景。

7、高恒功率调速比钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统及其关键技术

本项目所开发的机床主轴永高恒功率比钕铁硼用永磁步电动机传动系统具有调速范围宽，调速比高达1:22500；极限转速高，达到9000r/min；最低转速低，只有0.4r/min；恒功率调速比高，达到1：6等优点，可提高机床的加工精度、生产率和效率，尤其是其高恒功率调速比的优点，可满足高性能数控机床的需求。

市场预测：我国是世界上最大的机床市场，每年进口额超过20亿美元，开发永磁同步电动机主轴驱动系统，替代或减少进口，乃至出口创汇。可为国家创造可观的经济效益，对国民经济的建设具有重大意义。

8、高起动能力钕铁硼永磁起动机电机及其关键技术

磁串励电机的特性，从而提高了电机低速转速时的转矩输出能力，增加了起动机的起动发动机能力。

市场预测：我国目前每年生产汽车起动机电机300万台，如其中10%用本产品替换，则年产值可达1.8亿元。摩托车、汽车和拖拉机，尤其是汽车行业的高速发展，为永磁起动机提供了广阔的发展空间，钕铁硼永磁起动机电机具有非常美好的发展前景。

9、高效高功率密度无齿轮永磁同步电梯曳引机

利用稀土永磁材料研制成功低速大转矩永磁同步电机，与电梯曳引轮、制动装置等制成高度一体化无齿轮电梯曳引机，取代了传统电梯的异步电机-曳引减速机-曳引轮驱动结构，使相同吨位的电梯曳引机整体体积减小1/3，电机的驱动功率降低1/3，而且可以实现无机房。目前已经开发出，内转子、外转子、盘式等各系列产品。总体性能指标达到或超过国外相同产品。在相同载客量和电梯运行速度下，PMSM的驱动功率为11千瓦，而传统驱动方式为18.5千瓦；二者的长宽高空间尺寸比为［0.7×0.6×0.7（m3）］/［1.95×0.6×0.6（m3）］=0.42市场预测：低速大转矩变速电力拖动系统的覆盖领域很广，除已获得成功应用的电梯和数控机床外，重型矿山机械、大型化工机械、建筑机械、电力机械等需要减速机的传动系统。这些机械装备的性能、效率、可靠性等如何，将直接影响使用单位的经济效益。目前，此类机械装备普遍采用传统的异步电动机-机械减速机传动模式，实现负载所需的低速大转矩。减速机的存在，不仅使系统的电力拖动效率低下，而且增加了机械设备的吨位，使振动和噪声加剧，同时也给运行和维护增加了负担。采用低速大转矩稀土永磁同步电动机直接拖动机械负载，并且根据负载的情况，将稀土永磁电机与机械负载直接制成一体化产品，不仅可以克服上述弱点，改造和提升该传统产业，而且可以充分利用我国稀土永磁材料资源丰富的特点，带动相关的行业改造和提升，形成良性产业链。因此，本项研究具有广阔的应用前景，是可持续发展的项目。

二、创新技术

我们完成的国家八六三计划重大项目“钕铁硼永磁材料在高性能电机中的应用”，国家高技术新材料领域专家委员会于2000年11月组织专家组进行验收，给予高度评价，认为我们“出色地超额完成了计划任务”，专家验收意见为：“1、该项目在稀土永磁电机的基础理论方面取得了高水平的创新成果，完善和发展了稀土永磁电机的理论和设计方法、出版的学术专著和论文，有很高的学术水平。2、成功地解决了制约稀土永磁电机发展的四项共性关键技术，特别是“电机用钕铁硼永磁热稳定性检测方法及装置”具有很高的创新性。3、开发出了五种类型二十二个规格的高性能永磁电机，超额完成了任务书要求。其中部分样机达到国际领先水平，如“高效高牵入同步能力化纤用永磁电动机”为国内外首创。4、开发的电机中5个规格实现了工程化，并在石油、化工领域得到应用，取得良好效益。”

1、关键技术

在开发上述高性能稀土永磁电机的同时，对制约稀土永磁电机发展和产业化的六项共性关键技术进行攻关，持续不断地将科研成果进行系统化、配套化和工程化研究开发，为企业规模生产提供成熟配套的技术工艺和技术装备：

钕铁硼永磁局部失磁的机理研究和防止失磁的技术措施

由于钕铁硼永磁的热稳定性差，加之设计经验不足，电机失磁事故时有发生，影响钕铁硼永磁电机的推广应用。沈阳工业大学特种电机研究所对此进行研究，查清其局部失磁机理，并针对常用结构提出防止失磁的技术措施。

永磁电机CAD软件的完善

在永磁电机设计理论、计算方法、CAD软件上做了大量工作，其成果已在部分成员单位中应用。并随着新产品的开发不断加以充实和完善，提高工程化、熟化程度，在全国大面积推广，提高整个行业的科技开发水平。

转子磁路结构的创新和设计优化

为使稀土永磁电机既要达到高性能和不失磁，又要减少永磁体用量，降低成本，原有转子磁路结构不能满足要求。为充分发挥稀土永磁的优异性能，运用所开发的专用CAD软件进行研究分析，在此基础上对转子磁路结构进行创新，提出新的结构和进行优化设计。

先进制造工艺的研究

现有永磁电机价格高，制造工艺复杂和废品率高是一个重要因素。因此，研究和采用经济适用的先进制造工艺和信息技术改造传统工艺，提高制造信息化水平，提高质量和降低成本。

永磁电机试验方法的研究

传统的电机试验方法中有一部分需要在去磁状态下进行，而永磁电机装配后无法去磁，故利用现代信息技术研究开发了新的测试方法和相应的试验装置。

2、专利技术

共有七项专利获国家授权，见下表：