稀土永磁材料是一種高性能功能材料,這種材料是許多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎。在電機中用永磁體可使電機產(chǎn)品輕型化、高性能化,與電力電子技術(shù)結合,制成速度、轉矩可調的機一體化產(chǎn)品。
稀土永磁電機是釹鐵硼磁體最大的應用領(lǐng)域,約占磁體總量的70%,計算機硬盤(pán)配套的圈電機(VCM)占40%~50%,所以計算機產(chǎn)業(yè)是永磁電機的最大用戶(hù)。
采用稀土永磁電機可以明顯減輕電機的重量,如10kW普通發(fā)電機,重量為220kg,而稀永磁發(fā)電機為92k8。德國西門(mén)子研制的1095kW、230rpm六級永磁同步電動(dòng)機,用于艦船的進(jìn),與過(guò)去使用的直流電動(dòng)機相比,體積減少60%左右,總損耗降低20%。
稀土永磁電機高效節能,平均節電率高達10%,某些專(zhuān)用電機節電率高達15%~20%,且價(jià)格合理。我國開(kāi)發(fā)的高效節能稀土永磁電動(dòng)機,在力能指標及價(jià)格方面,國外高效電機不能與之相比,在國際市場(chǎng)有極強的競爭力。世界各國都把提高電動(dòng)機的效率、節約電能作一件大事來(lái)抓,特別是美國,1992年美國前總統布什簽署批準了能源政策法,按該法令自199710月24日之后,美國大部分一般效率電動(dòng)機將不再生產(chǎn),只允許生產(chǎn)高效率電動(dòng)機,2002年10月后將生產(chǎn)更高效率電動(dòng)機,2007年10月后將生產(chǎn)技術(shù)上達到極限、經(jīng)濟上可行最高效率電動(dòng)機。
從節能方面考慮稀土永磁電動(dòng)機是一種較為理想的電動(dòng)機,市場(chǎng)前景看好。我國每年生各種電動(dòng)機3600萬(wàn)kW,其中18.5kW以下小型電動(dòng)機約占50%,而稀土永磁高效節能電機在型電機中節電效果最為顯著(zhù)。稀土永磁電機在信息產(chǎn)業(yè)、機電一體化、汽車(chē)、摩托車(chē)、冶金山設備、風(fēng)機、水泵、油田設備、紡織機械、家用電器等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用,其中自起動(dòng)稀永磁高效節能電動(dòng)機正在油田抽油機、風(fēng)機、水泵方面逐步推廣應用,并已形成系列化產(chǎn)品。
我國電動(dòng)機保有量約4億kW以上,年廣3600萬(wàn)kW,年消耗電能占總電量的60%。中風(fēng)機、水泵配套電動(dòng)機占總量的55%,年消耗電能占總發(fā)電量的40%,而目前風(fēng)機、水泵產(chǎn)品電能利用率非常低。據國家統計局1989年統計,我國有各種泵類(lèi)、風(fēng)機3700多萬(wàn)臺,配套裝機容量1.1×105MW,實(shí)際運行效率不到50%,系統運行效率不到30%,每年浪費電大約200億kW·h。據電力部門(mén)估算,煤炭行業(yè)的風(fēng)機、水泵,50、60年代的老。設備約占1/3,其本身運行效率只有30%~40%,系統運行效率大約為20%,如,用量大的5kW水泵,常要配7.5kW電機,但經(jīng)常在3kW負載下運行,實(shí)測效率只有38%,造成巨大的能源浪費,種電機若采用稀土永磁專(zhuān)用電機,電機成本只增加30%~50%,運行效率可提高到50%~55%,從根本上改變能源浪費狀況,如果每年生產(chǎn)300萬(wàn)kW稀土永磁電機,每年可為國家節省電力投資6億元,節省電費3億元。
發(fā)展稀土永磁電機,在減少進(jìn)口、增加出口創(chuàng )匯方面,也有著(zhù)很重要的意義,如,我國每年生產(chǎn)1000萬(wàn)臺計算機,為其配套的磁盤(pán)驅動(dòng)器全部依賴(lài)進(jìn)口,或購進(jìn)零部件在國內組裝,旦以美國為首的西方國家對我國進(jìn)口磁盤(pán)驅動(dòng)器加以限制,我國計算機生產(chǎn)將受到嚴重影響。如,數控機床,因電機和傳動(dòng)控制系統不合要求而每年進(jìn)口花費22億美元以上。
在出口貿易方面意義更為突出。眾所周知,每種機械產(chǎn)品都要配備電動(dòng)機。美國1997就以立法的方式,停止生產(chǎn)一般效率的電動(dòng)機(與我國大量生產(chǎn)的Y系列電機性能相當),相加拿大、英國、日本也都效法美國停止生產(chǎn)一般效率的電動(dòng)機,如果不采取措施,加快發(fā)展效節能電動(dòng)機,我們將很快失去機械產(chǎn)品的國際市場(chǎng)。我國研制的稀土永磁電機價(jià)格、性能?chē)H市場(chǎng)上很有競爭力,目前已有一些產(chǎn)品出口。
縱觀(guān)稀土永磁電機的發(fā)展,1821年出現的世界上第一臺電機就是永磁電機,但當時(shí)所用永磁體的磁能積很低,制成的電機體積龐大而容量很小,不久被電勵電機所取代。一直到本紀60年代以后,相繼出現了衫鉆和釹鐵硼稀土永磁材料,具有高剩磁、高矯頑力和高磁能積優(yōu)異性能,制成電機后具有高效節能的優(yōu)越性能。早在1978年法國CEM公司制成了18.5kW以下的高效節能電機,但因當時(shí)采用釤鈷永磁體成本太高,未能推廣。
1983年以前,由于稀土永磁體價(jià)格昂貴,研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是航空、航天用電機和要求高性能而價(jià)格不是主要因素的高科技領(lǐng)域。國外的典型產(chǎn)品是美國通用電氣公司制造的150kVAl2000~21000rpm稀土鈷永磁起動(dòng)/發(fā)電機,國內是沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的3kW2000rpm土永磁電機和該校與東方電機廠(chǎng)、哈爾濱電機廠(chǎng)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的60~75kVA(后擴展至160kVA)稀鈷永磁副勵磁機與釹鐵硼副勵磁機。
1983年,磁性能更高而價(jià)格相對較低的釹鐵硼永磁體問(wèn)世后,國內外研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)轉移到工業(yè)和民用電機上。國外主要是計算機硬盤(pán)驅動(dòng)器電機,即驅動(dòng)讀寫(xiě)磁頭往復運動(dòng)的卷式直線(xiàn)電動(dòng)機一音圈電動(dòng)機(VCM)、數控機床和機器人用的無(wú)刷直流電動(dòng)機以及豪華轎車(chē)用起動(dòng)電機。國內主要是各種高效永磁同步電動(dòng)機,特別是西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的0.8kW紡織專(zhuān)永磁同步電動(dòng)機。
近年來(lái),隨著(zhù)稀土永磁材料性能的不斷提高,特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩定性、耐腐性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,稀土永磁電機的開(kāi)發(fā)和應進(jìn)入了一個(gè)新階段,一方面,原有開(kāi)發(fā)的成果在國防、工農業(yè)和日常生活等方面得到廣泛的用;另一方面,正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方向發(fā)展,擴展新的電品種和應用領(lǐng)域。目前,稀土永磁電機的單臺容量已超過(guò)1000kW,最高轉速已超過(guò)300000rpm,低轉速低于0.01rplh,最小電機外徑只有0.8mm,長(cháng)1.2mm。在步進(jìn)電動(dòng)機、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)、速同步電動(dòng)機等特種電機中增加釹鐵硼永磁勵磁后,其技術(shù)經(jīng)濟性能、動(dòng)態(tài)響應特性都有明顯改進(jìn)與提高。
各國的國情不同,稀土永磁材料在電機中的應用情況不盡相同。日本在VCM中的應用量占稀土永磁總用量的50%左右,美國在航空、航天、軍工、汽車(chē)和機床等領(lǐng)域電機中的用量大,歐洲在數控機床中的應用最多。但稀土磁鋼在各種電機中的總用量占稀土永磁總產(chǎn)量的例相差不大,一般為60%~80%。
我國稀土資源豐富,稀土永磁產(chǎn)量居世界首位。但稀土永磁材料產(chǎn)量的2/3用于出口,國內銷(xiāo)售的1/3中用于電機的比例很低。今后應以高效高性能永磁電動(dòng)機作為開(kāi)發(fā)重點(diǎn),并快實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。