稀土永磁电机简介

稀土永磁电机简介

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60~160kVA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”。

沈阳工业大学

国家稀土永磁电机工程技术研究中心

“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2 FTY2 系列化纤机械永磁同步电动机规格及主要性能 电机型号 FTY2-750-4 FTY2-180-4 FTY2-120-6 FTY2-180-6 FTY2-250-6 FTY2-370-6 堵转转矩倍数 1.57 4.657 2.41 2.58 3.07 1.87 失步转矩倍数 2.88 5.026 3.76 2.82 2.08 2.56 牵入转矩倍数 1.0293 0.9049 1.06 1.1 1.07 0.616 效率（%） 中心高 87.7 77.6 76.8 82.9 83.5 80.2 90 80 80 80 80 80

所开发的FTY2系列化纤机械钕铁硼永磁同步电动机比FTY电机小1～2个机座号，牵入同步能力高，牵入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。

表3 两种规格电动机的性能指标 电机型号 TYX132S-2 TYX160M-4 项目名称 设计值 试验值 设计值 试验值 额定功率 转速 效率（%） 功率因数 堵转电流倍数 堵转转矩倍数 失步转矩倍数 7.5 3000 93.86 0.975 6.21 3.03 2.06 7.5 3000 94.2 0.974 7.94 4.23 2.11 11 1500 95.03 0.989 9.72 2.76 2.5 11 1500 94.7 0.950 9.23 4.05 2.6

表4 超高效永磁电机的温升（K） TYX132S-2 7.5kW 11kW 11kW 25.4 45.8 45.9 TYX160M-4 15kW 53.1 18.5kW 59.6 表5 超高效永磁同步电动机的性能及与同规格异步电动机性能对比 电机规格 电机类型 超高效样机 TYQ系列电动机 7.5kW 2极 美国最高效电动机 YX系列电动机 美国高效电动机 Y系列电动机 超高效样机 TYQ系列电动机 11kW 4极 美国最高效电动机 YX系列电动机 美国高效电机 Y系列电动机 效率（％） 满载 94.2 92.5 91.0 89.7 88.5 86.2 94.7 93.2 92.4 91.8 91.0 88.0 1/3满载 91.7 89.2 — — — — 91.0 89.1 — — — — 功率因数 满载 0.974 0.965 — — — — 0.95 0.925 — — — — 1/3满载 0.973 0.98 — — — — 0.931 0.85 — — — —

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

额定功率(kW) 额定电压（kV） 额定效率(96) 额定功率因数 堵转转矩(倍) 牵入转矩(倍) 失步转矩(倍) 冷却方式 TYX300—4 300 6 94.81 0.966 1.687 1.90 1.518 风冷 JS138—4 300 6 91.5 0.89 0.9 —— 1.6 风冷 经北京首钢新钢有限责任公司动力厂实测表明，“在现有电机负载率75%-80%情况下，有功节电率为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

表7主要性能指标 TYX1120-4 YKK500-4 YKK560-4 T1250-4 1120 1120 1250 1250 额定功率（kW） 96.5 94.4 94.4 95.0 效率（％） 0.94 0.88 0.90 0.90 功率因数 2.1 0.7 0.7 1.0 起动转矩（倍） 2.1 1.6 1.6 1.7 失步转矩（倍） 市场预测：目前我国石化、冶金、矿山、农业灌溉等领域千千瓦电动机超过5000台，并以每年200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

该系列电机用于汽车、拖拉机和摩托车。表8是四种规格样机的技术性能指标： 标称功率空载电流空载转速堵转转矩堵转电流最大输出电机型号 （kW） （A） （r/min） （N.m） （A） 功率（W） QDY110E 0.18 12.8 4700 3.9 100 364 QDY124 1.4 125.7 3400 27 701 1865