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稀土永磁电机的研究现状与发展趋势

  1 引言 
  进入二十一世纪以来,随着全球经济社会的快速发展,石油、煤等非可再生资源的日益枯竭,能源紧张也成为全球共同关心的话题,所以建设资源节约型,环境友好型社会也成为迫切要实现的目标。在这种大背景下,高性能电机及其驱动技术日益蓬勃发展,并且国家发改委在十大重点节能工程实施意见中提出了要推广高效节能电机,稀土永磁电机,同时推广变频调速永磁电机等先进电机调速技术的要求,并且随着该电机技术的日益成熟,已经渗透到了国防、工、农业生产中,影响着我们的日常生活。 
  2 永磁电机的结构与工作原理 
  在结构方面:电机基于磁场作为媒介为机械能和电能转换的电磁装置。在运动机制中首先气隙磁场的电能量转换需要永久磁铁产生的气隙磁场,其次就是在集团内部进入电机绕组电流,但这需要两个特殊的绕组和相应的装置,并提供能量以维持电流的流动,总体电机由两部分组成,定子和转子。电机在运行时固定部分称为定子,定子主要由硅钢冲压、绕组的三相对称分布,固定核心底盘和阀盖零件,如转子永磁磁轭和轴。永磁磁轭,考虑磁轭是圆柱形的,在转轴上设置形成了永磁电机。 
  在原理方面:定子和转子的磁场相互作用在平面内产生两种相互垂直作用的电磁力,从而实现了电机的运动,并且电磁推力是永磁阵列产生的磁场与线圈阵列中的电流相互作用的结果。当电磁转矩克服转子本身的惯性,以及永磁体的永磁电动机转子磁钢产生的阻尼转矩,电动机开始运动。 
  3 永磁电机的应用发展趋势 
  3.1 永磁电机的优点 
  目前,随着国家工业化的发展,永磁电机已经成为市场新贵,它具有以下优点: 
  (1)效率高,环保节能。永磁电机是一种高效节能产品,与感应电动机相比,永磁电机不需要无功励磁电流,故能够大大的提高功率因数。经大量统计计算,永磁电机比同规格热机的效率提高了2%8%,并且还可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的感应电机,较好的解决了能源浪费的问题。长期使用这种产品,可以达到环保节能的目的。 
  (2)高效能。高效能化也是永磁电机的明显优势,一些性能指标是传统的标准电机所不及的,在某些机构,调速比可高达110000,转速控制精度可达0.1% 
  (3)结构类型多样,有极大的应用范围。由于转子结构是多样的,因此永磁电机的许多品种都有不同的特点和性能,从日常生活到航空航天,从简单电动工具到高科技产品,几乎无所不包。 
  3.2 永磁电机在国内外的应用现状 
  在经济社会的发展过程中,随着对环保节能要求的日益提高,使得永磁同步电机在国内外的应用范围更加广泛。例如,在航空航天领域。船舶电力推进领域,风机水泵行业,电梯行业,空调行业风电行业等都有极大的应用。 
  (1)目前,在稀土永磁无刷直流电动机作为第二代变速的制冷技术,在国外已经使用了空调和冰箱,普及率达到33%,并且稀土永磁无刷直流电动机系统在电风扇和洗衣机中也被广泛应用。直流变频空调压缩机电机是交流电动机,具有较高的控制精度,因此转子的永磁交流变频空调更有效率。在变频空调,采用直流变频技术,正弦波永磁同步电动机驱动技术是发展的主流。 
  (2)在船舶行业中,高性能的船舶推进系统一般是全动力推动,永磁电机作为推进电机在国外得到广泛应用,技术日益成熟。已经形成了6相变频电源供电的230r/min1095KW的稀土永磁同步电机。 
  3.3 永磁电机的发展趋势 
  作为众多高新技术和高新技术产业的基础,永磁电机与微电子控制技术和电力电子技术的结合能够制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品。永磁电机作为基础,是21世纪电机发展方向的典型代表。 
  (1)电机的方向发展。电机驱动负载,如全部采用通用电机,在某些情况下,技术和经济不是很合理。如特殊电机特别设计的根据不同的负载特性,如油田抽油机专用节电率高达20%的稀土永磁电机等。在专门化的基础上,专用电机的节电潜能很大。这对电机工作者也提出较高的要求:他们不仅要研究电机本身,更应当研究所驱动负载的特性,设计出价格合理,运行可靠,性能先进的稀土永磁产品。 
  (2)向轻型化方向发展。便携式光机电一体化产品。永磁电机控制性能好,节能且体积小,可通过频率的变化调速,又容易做成低速直接驱动等优点,故在医疗器械,视听产品,计算机,数控机床,电动车辆,航空航天产品等领域得到广泛应用。未来随着控制技术和电子技术的发展,永磁电机技术会发展的日趋完善。 
  (3)向高性能的发展。现代化设备的电动机有多种高性能、移动电站等自动化设备使用和电机伺服系统,化纤设备变频调速同步电动机转速精度高,机器人与稀土永磁伺服电动机比例高,等等。 
  (4)向机电一体化。实现机电一体化的基础,是开发各种机电一体化的各种高性能永磁电机,如数控机床伺服电机,使用电脑VCM的音圈电机,变频调速的稀土永磁电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。 
  3.4 永磁电机发展所面临的问题 
  因为市场仍处于培育之中,永磁电机作为一种新产品,它的推广还面临不少困难。一是标准规范、标准的永磁电机在中国非常微弱,稀土永磁无铁芯电机是空白,严重影响电机的质量、性能评估、产品选择等,限制了产品的推广应用。第二,工业化水平需要改进,虽然小功率稀土永磁无铁芯电机批量生产,但大功率的生产仍处在示范阶段。三是对相应的控制系统要求高,初投资大。 
  4 结语 
  永磁电机作为21世纪具有广泛应用前景的产品,它的产业化程度还有待提高。由于它所具备各种优良性能和特点,可以相信,在不久的未来,它会在各个领域得到广泛应用,会渗透到日常生活和工业生产地方方面面。随着国家对电机领域的重视和投资,永磁电机必将蓬勃发展。
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