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產業(yè)的基礎。在電機中用永磁體可使電機產品輕型化、高性能化,與電力電子技術結合,制成速度、轉矩可調的機一體化產品。
稀土永磁電機是釹鐵硼磁體最大的應用領域,約占磁體總量的70%,計算機硬盤配套的圈電機(VCM)占40%~50%,所以計算機產業(yè)是永磁電機的最大用戶。
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。德國西門子研制的1095kW、230rpm六級永磁同步電動機,用于艦船的進,與過去使用的直流電動機相比,體積減少60%左右,總損耗降低20%。
稀土永磁電機高效節(jié)能,平均節(jié)電率高達10%,某些專用電機節(jié)電率高達15%~20%,且價格合理。我國開發(fā)的高效節(jié)能稀土永磁電動機,在力能指標及價格方面,國外高效電機不能與之相比,在國際市場有極強的競爭力。世界各國都把提高電動機的效率、節(jié)約電能作一件大事來抓,特別是美國,1992年美國前總統(tǒng)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機將不再生產,只允許生產高效率電動機,2002年10月后將生產更高效率電動機,2007年10月后將生產技術上達到極限、經濟上可行最高效率電動機。
從節(jié)能方面考慮稀土永磁電動機是一種較為理想的電動機,市場前景看好。我國每年生各種電動機3600萬kW,其中18.5kW以下小型電動機約占50%,而稀土永磁高效節(jié)能電機在型電機中節(jié)電效果最為顯著。稀土永磁電機在信息產業(yè)、機電一體化、汽車、摩托車、冶金山設備、風機、水泵、油田設備、紡織機械、家用電器等領域有著廣泛應用,其中自起動稀永磁高效節(jié)能電動機正在油田抽油機、風機、水泵方面逐步推廣應用,并已形成系列化產品。
我國電動機保有量約4億kW以上,年廣3600萬kW,年消耗電能占總電量的60%。中風機、水泵配套電動機占總量的55%,年消耗電能占總發(fā)電量的40%,而目前風機、水泵產品電能利用率非常低。據國家統(tǒng)計局1989年統(tǒng)計,我國有各種泵類、風機3700多萬臺,配套裝機容量1.1×105MW,實際運行效率不到50%,系統(tǒng)運行效率不到30%,每年浪費電大約200億kW·h。據電力部門估算,煤炭行業(yè)的風機、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(tǒng)運行效率大約為20%,如,用量大的5kW水泵,常要配7.5kW電機,但經常在3kW負載下運行,實測效率只有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300萬kW稀土永磁電機,每年可為國家節(jié)省電力投資6億元,節(jié)省電費3億元。
發(fā)展稀土永磁電機,在減少進口、增加出口創(chuàng)匯方面,也有著很重要的意義,如,我國每年生產1000萬臺計算機,為其配套的磁盤驅動器全部依賴進口,或購進零部件在國內組裝,旦以美國為首的西方國家對我國進口磁盤驅動器加以限制,我國計算機生產將受到嚴重影響。如,數(shù)控機床,因電機和傳動控制系統(tǒng)不合要求而每年進口花費22億美元以上。
在出口貿易方面意義更為突出。眾所周知,每種機械產品都要配備電動機。美國1997就以立法的方式,停止生產一般效率的電動機(與我國大量生產的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一般效率的電動機,如果不采取措施,加快發(fā)展效節(jié)能電動機,我們將很快失去機械產品的國際市場。我國研制的稀土永磁電機價格、性能國際市場上很有競爭力,目前已有一些產品出口。
縱觀稀土永磁電機的發(fā)展,1821年出現(xiàn)的世界上第一臺電機就是永磁電機,但當時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(xiàn)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(jié)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(jié)能電機,但因當時采用釤鈷永磁體成本太高,未能推廣。
1983年以前,由于稀土永磁體價格昂貴,研究開發(fā)重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。國外的典型產品是美國通用電氣公司制造的150kVAl2000~21000rpm稀土鈷永磁起動/發(fā)電機,國內是沈陽工業(yè)大學開發(fā)的3kW2000rpm土永磁電機和該校與東方電機廠、哈爾濱電機廠聯(lián)合開發(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,磁性能更高而價格相對較低的釹鐵硼永磁體問世后,國內外研究開發(fā)重點轉移到工業(yè)和民用電機上。國外主要是計算機硬盤驅動器電機,即驅動讀寫磁頭往復運動的卷式直線電動機一音圈電動機(VCM)、數(shù)控機床和機器人用的無刷直流電動機以及豪華轎車用起動電機。國內主要是各種高效永磁同步電動機,特別是西北工業(yè)大學開發(fā)的0.8kW紡織專永磁同步電動機。
近年來,隨著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(wěn)定性、耐腐性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件技術的進一步發(fā)展,稀土永磁電機的開發(fā)和應進入了一個新階段,一方面,原有開發(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域。目前,稀土永磁電機的單臺容量已超過1000kW,最高轉速已超過300000rpm,低轉速低于0.01rplh,最小電機外徑只有0.8mm,長1.2mm。在步進電動機、開關磁阻電動、速同步電動機等特種電機中增加釹鐵硼永磁勵磁后,其技術經濟性能、動態(tài)響應特性都有明顯改進與提高。
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、汽車和機床等領域電機中的用量大,歐洲在數(shù)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,稀土永磁產量居世界首位。但稀土永磁材料產量的2/3用于出口,國內銷售的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機作為開發(fā)重點,并快實現(xiàn)產業(yè)化。