永永磁电机综述及退磁分析Word下载.docx

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1.1.1全球可再生能源研究现状及趋势

进入21世纪，世界各国都加大对风能、光伏等可再生能源的研究利用。

发展可再生能源己经成为许多国家对能源进行研究和开发的主要内容。

2006年3月，欧盟首脑会议确定到2020年风能、光伏等新型能源消费总量要占到传统能源消费总量的20%；

2011年美国提出到2030年全美20%的电力供应由风力发电提供，生物燃料消费量要占汽车燃料消耗量的30%以上；

印度在2009年风电装机容量已达到1100万千瓦时，装机总容量排在世界第5位；

巴西通过利用甘蔗等本地资源大力发展生物能，到2008年底生物燃料总产量已达两千多万吨，并且计划到2030年底生物能年产能达到750亿升，从而将生物能的生产作为巴西经贸的主要资源。

目前，全球己有60多个国家制定了相关的法律、法规或行动计划，通过立法的强制性手段保障可再生能源战略目标的实现。

到2009年底，全球风能和太阳能等可再生能源总共约贡献了1.7%的发电量，占全球能源消费总量的0.7%。

风力发电总装机容量增长了31%，生物燃料发电量增长了8%，太阳能发电总装机容量也已达到10000兆瓦以上。

总之，目前可再生能源的发展正朝着生产技术逐渐成熟、项目规模逐渐增大、建设快速逐渐加快、投资渠道逐渐增多、生产设备效率逐渐提高、设备维护逐渐便利的方向发展。

永磁电动机改造风机、水泵系统，重点是20万kW以上火力发电机组。

冶金：

鼓风机、除尘风机、冷却水泵；

加热炉风机、铸造除鳞水泵等设备的变频、永磁电动机调速。

机电：

研发制造节能型电机、电机系统及配套设备。

轻工：

注塑机、液压油泵的变频、永磁调速。

其他：

企业空调和通风、楼宇集中空调的永磁电机系统改造等。

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，其余部分则来自系统的改进。

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IEl（InternationalEfficiency，简称IE）、IE2、IE3和IE4四级，其中IEl为标准效率，相当于我国目前生产的普通系列感应电动枫的效率水平；

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1.5一2个百分点，损耗平均再降低15％左右；

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，建也新的体系结构（新的电机极数、速度范围），采用更高性能的材料。

众所周知，永磁电动机采用永磁体励磁，不需要无功励磁电流，所以显著提高功率因数，减小了定子电流和定子电阻损耗；

而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩耗，从而使其效率和功率因数比同规格感应电动机高。

而且在轻载时仍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。

因此，永磁电动机较容易做到高效率，既达到lE2级的效率值。

如果进一步优化设计，采用高性硅钢片和先进工艺，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，既IE3级的效率值；

在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格有可能达到超超高效，既IE4级的效率值[2]。

我国稀土资源丰富，钕铁硼永磁材料的年产量已居世界第一，国内高品质的钕铁硼永磁体已能批量生产，世界磁性材料的中心已转移到中国，这为发展我国稀土永磁电机产业打下了良好的基础大力发展稀土永磁电机和稀土永磁材料，将资源优势变为经济优势，将极大地推动我国稀土产业的发展。

同时为节能降耗、保护环境、实现国民经济持续发展做出重大贡献。

2.永磁电机的特点

与传统的电励磁电机相比，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、电机的形状和尺寸灵活多样等显著优点。

因此稀土永磁电机的应用范围极为广泛，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。

种类几乎覆盖了整个电机行业。

（1）稀土永磁电机结构简单

体积小，重量轻，耗材少，同容量的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小30%左右。

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，降低了故障率。

采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速调整到最佳值，提高功率质量比。

现代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。

永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机。

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。

随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善、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，在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的同时，稀土永磁电机的研究开发也进入了一个新阶段，正向大功率化（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1000kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机外径只有0.8mm，长1.2mm。

（2）稀土永磁电机轻型化

采用稀土永磁体可以明显减轻电机重量，缩小体积。

例如10kW发电机，常规发电机重量为220kg，而永磁发电机重量仅为92kg，相当于常规发电机重量的45.8%。

计算机磁盘驱动器在20世纪60年代采用铁氧体尺寸为14英寸，而采用钕铁硼后只有3.5英寸，现在己达到2.5英寸。

德国制成的六相变频电源供电的1095kW、230r/min稀土永磁电动机，用于舰船的推进，与过去使用的直流电动机相比，体积减少60%左右，总损耗降低20%左右，并省去了电刷和换向器，维护方便。

荷兰飞利浦公司用70W微电机作比较，稀土永磁电机体积是电流励磁电机的1/4，是铁氧体励磁电机的1/2。

（3）稀土永磁电机高性能化

高性能化也是稀土永磁电机的突出优点，有例如，数控机床用稀土永磁伺服电机，调速比高达1：

10000。

稀土永磁电机可以实现精密控制驱动，转速控制精度可达到0.1‰。

在机械特性方面，稀土永磁电机可以实现低速大转矩运行，可在负载转矩下直接起动。

此外，稀土永磁电机还具有运行精度高（如计算机硬盘驱动器的摆动电机端面与磁盘之间的跳动量要求达到0.1μ~0.3μ）、运行噪声小、平稳性好、过载能力大等特点。

（4）稀土永磁电机高效节能

稀土永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上，专用稀土永磁电机的节电率可高达15%~20%。

美国GM公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，不仅重量由原来的6.21kg降低到4.2kg，体积减少了1/3，而且效率提高了45%。

在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，异步变频调速可节电25%左右，而永磁变频调速节电率高达30%以上。

电机节能是一项系统工程，应该从多个方面寻求降低电能消耗的方法。

系统输入功率包括配电电源、电动机的控制、电动机自身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。

国际电机节能的先进水平是风机、水泵自身运行效率一般在85%以上，系统运行效率在80%左右。

而目前我国国产设备的本体设计效率为75%，系统运行效率不到30%，电源浪费十分严重。

这种状况目前尚未改变。

电动机的节能有两个方法。

一个是改进异步电动机的结构，提高其效率和其他性能。

另一个是发展永磁同步电动机，可以取得更高的节电效果【3】。

2.永磁同步电动机的分类及特点

2.1永磁同步电动机的基本性能特点

（1）效率高一是由于磁路系统的小型化，绕组亦趋小，从而减少了电机的铜损和铁损，效率提高；

二是在转子上嵌入稀土永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗；

三是定子电流中无励磁电流分量，功率因数高，定子电流小，定子侧铜损下降，提高了电机效率。

有人曾分析过，一台20000r/min以上的高速有刷电动机，输出功率316W，效率69%，即损耗为31%。

其中，励磁铜损6%，励磁铁损3%，电枢铜损3%，电刷损耗8%，电枢铁损8%，机械损耗2%，杂散损耗1%。

大量使用的感应电动机，如冰箱压缩机、空调、洗衣机、风扇等用的电动机，若输出功率118.4W，效率83%，其损耗17%，包括初级绕组铜损6%，铁损7%，次级铜损和杂散损耗共占4%；

当输出功率为420W、效率85%时，损耗15%，它包括初级绕组铜损6%，铁损4%，次级铜损和杂散损耗5%。

如果使用永磁体产生磁场（作转子），不使用电刷整流子，构成永磁电动机（无刷电动机），损耗就只有24J电枢绕组的铜损、电枢铁心的铁损和机械损耗。

因此，有刷电动机特有的电刷损耗、有刷电动机和感应电动机中由初级电流励磁引起的次级铜损都可以消除，从而会大大提高电动机的效率。

（2）功率因数高在稀土永磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于1；

减小了定子电流，进一步提高了电机的效率。

同时功率因数的提高，提高了电网的品质因数，减少了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省电网投资。

（3）起动力矩大在需要大启动转矩的设备（如油田抽油机电机）中，可以用较小容量的稀土永磁电机替代较大容量的Y系列电机，如用37kW永磁电机代替45~55kW的Y系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节省了设备的投入费用，提高了系统的运行效能。

（4）力能指标好异步电动机在低负载率（即不在额定点运行）的情况下，效率和功率因数下降严重。

Y系列电机在60％的负荷下工作时，效率下降15％，功率因数下降30％，力能指标下降40％。

而永磁电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20％负荷时，其力能指标仍为满负荷的80％以上。

永磁电动机的效率在较大的负载变化范围平坦变化，保持高效率，节能效果突出。

尤其对油田抽油机类启动负载大、运行负载小的电机，节能效果更好。

（5）温升低转子绕组中不存在铜损，定子绕组中几乎不存在无功电流，这样电机温升低。

电励磁电机由绕组提供励磁电流，因受到励磁线圈温升的限制，励磁绕组占据空间较大，而高性能的稀土永磁体励磁可以缩小励磁空间和提供较高的气隙平均磁密，因而在相同的体积情况下可以提高电机的出力。

（6）可大气隙化，便于构成新型磁路。

（7）电枢反应小，抗过载能力强【4】。

2.2永磁同步电动机的分类

永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间