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稀土永磁电机发展趋势

来源：－－ 作者：－－ 浏览：741

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摘要： 进入90年代以来，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以及电力电子元件的进一步发展，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果外，稀土永磁电机的应用和开发进入新阶段，目前正向大功率化（超高速、高转矩），高功能化和微型化方向发展。现将近年来国外文献介绍的各种应用及发展趋势综合介绍如下。 一、大功率化 1．超高速电机 　　我们知道，要想

进入90年代以来，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以及电力电子元件的进一步发展，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果外，稀土永磁电机的应用和开发进入新阶段，目前正向大功率化（超高速、高转矩），高功能化和微型化方向发展。现将近年来国外文献介绍的各种应用及发展趋势综合介绍如下。
一、大功率化
1．超高速电机
　　我们知道，要想在一定的电机体积下提高电机的额定功率就必须大幅度提高电机的转速。稀土永磁电机不需要励磁绕组，结构比较简单，磁场部分没有发热源，不需要冷却装置，材料的矫顽力高，气隙长度可以取较大值，从而使大幅度提高转速成为可能。目前已制成每分钟二三万转的电机，正在研制每分钟几十万转的电机。与此相应的转子结构有三种类型：
（1）径向气隙电机――这方面的典型产品有美国通用电气公司早期研制的150kw23000r/min的航空用起动/发电机和日本的1000kw15000r/min钐钴永磁同步发电机。超高速电机在旋转时有很大离心力，为使永磁体和其他材料不致于飞散，需要采取机械加固措施，一般在转子外径处套一非磁性钢的护环。由于径向气隙电机的磁通方向与离心力方向相同，转子外圈的非磁性护环和粘结剂成为实际气隙长度的一部分，从而降低了气隙磁密，或者需要增加稀土永磁用量。
（2）轴向气隙电机――这种电机的磁通方向与径向的离心力正交，转子外围的护环和粘结剂并不影响轴向的磁路，因而不降低气隙磁通。但是这种结构的轴向磁拉力大，转子惯量也大，采取无铁心转子等措施可以解决上述问题。另外为增加额定功率，可以将转子圆盘在轴向分成几段。目前正在研制几百千瓦的电机。
（3）外转子电机――这种结构的永磁体粘结在外转子的内周表面，可以防止永磁体的飞散，因而不会增大气隙长度也就不会降低低气隙磁密。但在轭的根部附近应力集中，需要加厚。
2．高转矩电动机
　　德国西门子公司研制的1095kw 230r/min的六相永磁同步电动机用于舰船的推进。与过去使用的直流电动机相比，体积可减小60%左右，损耗可降低20%左右，而且不要电刷和换向器，维护方便。转子内周的空间可装入变频器电路，使结构紧凑，空间利用充分。23.9kw的直线电动机电枢绕组用玻璃钢（FRP）成形，该机使用1050kg钕铁硼永磁，装在电车的底盘上，位于电枢绕组的两侧，与过去电励磁的直线电机相比，磁场部分重量只有60%，整体底盘重量只有77%。
二、高功能化
　　在高温、高真空度或空隙狭小等特殊使用场合，难以使用传统电机，而稀土永磁电机可以耐高温（指钐钴永磁），且体积小，正好能满足这些特殊要求。
1．高温电动机和高真空电动机
　　宇航设备、宇宙空间的机械手，原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需要使用高温电动机和高真空电动机。
　　已开发的有150W 3000r/min，工作在200-300-C高温和133 3X10-6Pa真空环境下的三相4极永磁电动机，直径105mm，长145mm。采用高温特性好的钐钴Sm2Co17永磁体以及以金属和陶瓷系的无机材料为主的结构材料。
2．电动汽车用电动机
　　为解决大气污染问题，国内外都十分重视开发实用的电动汽车。对于电动汽车用电动机，既要求体积小、重量轻、效率高，又要求在高温和严酷条件下的运行可靠性。目前发展趋势之一是在车轮轮箍中装入外转子稀土永磁电动机，又直接驱动电动汽车或电车。
3. 内装逆变器电动机
　　无刷直流电动机的应用越来越广泛，目前的趋势是：将逆变器装入电动机内，使之成为一体，做到系统整体小型化。由于稀土永磁电机可以做到体积小，转子内部又没有热源，温升值不大，有可能装入逆变器，法国Alsthom开发的100kw无刷直流电动机，在线圈端侧装入逆变器，总重量只有28kg。
三、微型化
　　由于钕铁硼永磁的最大磁能积很高，特别是能制成超薄型的永磁体，从而使过去难以做到的超微型和低惯量电动机得以实现。目前已开发出直径几毫米以下的超小型电动机用作医疗用微型机器，眼球手术用机器人手臂或管道检查用机器人等场合的驱动源。日本东芝公司开发的起动转矩2X10-5Nm100000r/min的微型永磁电动机外径为3mm，长为5mm，径向气隙，在兼作定子磁轭的电动机外壳的内部安装了三个薄型绕组，在其内部有由轴承支撑的稀土装转子。进一步改造成气隙的永磁电动机，已制成外径0.8mm、长1.2mm的世界上最小的永磁电动机。
　　纵观电机发展历史，每当出现一种新的永磁材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促进电机的设计理论、计算方法和结构工艺的研究提高到一个新的阶段。今后，随着新的永磁材料的继续出现、永磁材料性能的进一步提高和电力电子元件性能的不断完善，永磁电机的理论研究和产品开发将会得到进一步发展，性能更好，功能更全，与电子回路结构得更紧密，产品的附加值更高，在工业和民用产品中的应用领域将会更广泛。

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