稀土永磁电机的开发与应用_孙绪新
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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[1]，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
铁硼永磁材料的发展。
关键词：稀土永磁电机；应用；发展
中图分类号：TM351; TM273
文献标识码：A
文章编号:1001-3830(2005)05-0022-03
Development and Application of Rare Earth Permanent Magnet Electrical Machines
（4）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。
（5）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。
在永磁电机产品结构方面，在过去一段时间 里，铝镍钴和铁氧体永磁几乎各占一半市场。今后 将遵循材料互代性和竞争性原则，钕铁硼则以优异 的磁性得到迅速发展。铁氧体永磁则以廉价的优势 占据低档电机的市场。铝镍钴应用市场将相对减 少，最后大部分将被钕铁硼所取代。但由于铝镍钴 温度稳定性高，在高精度测速电机等信号类微电机 中仍然会占有一席之地[3]。
Key words: rare earth permanent magnets electrical machines; applications; developments
1 前言
稀土永磁电机以其效率高、比功率大、结构 简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日 常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热 性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发，稀土永磁 电机的研究开发在国内外又进入了一个新的时期， 在理论和应用领域都将产生质的飞跃。
4 稀土永磁电机的应用领域
由于稀土永磁电机上述优越性，其应用越来越 广泛，主要应用领域有如下方面[9~11]： 4.1 稀土永磁高效节能电机
着眼于稀土永磁电机的高效节能。以耗电大户 为主要应用对象，如纺织和化纤行业用的稀土永磁 同步电动机，油田、煤矿用的各种采掘、运输机械 用的稀土永磁同步电动机，各种水泵和风机驱动用
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J MBaidu Nhomakorabeagn Mater Devices Vol 36 No 5
励磁比电流励磁有突出的优点[2，3 ]。因此，在励磁 结构方面，随着永磁材料性能的不断提高，新型永 磁材料的不断出现，永磁励磁结构将逐步取代传统 的电流线圈励磁结构。永磁电机的发展和永磁材料 的发展息息相关，新型永磁材料的出现必将大力促 进永磁电机的快速发展。
磁性材料及器件 2005 年 10 月
23
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。
（3）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。
在相同功率下，ZYN40 型稀土永磁直流电动 机与铝镍钴电机相比，缩小一个机座号，重量和体 积分别为铝镍钴电机的 70％和 68％；与铁氧体电 机相比，缩小两个机座号，重量和体积分别为铁氧 体电机的 40％和 36％；与 SZ 系列电励磁电机相 比，缩小两个机座号，重量和体积为电励磁电机的 40％[9]。
SUN Xu-xin, ZHOU Shou-zeng State Key Laboratory for New Advanced Metal Materials, University of Science and
Technology Beijing, Beijing 100083, China
Abstract: China is abundant in rare earth resource and becomes the center of global magnet industry of 21st
century, so it is more conveninent and favorable to develop rare earth permanent magnet electrical machines(REPMM) in China. In this paper, a brief introduction of the advantages, market prospects, direction and achievements of the research and development of the REPMM as well as a brief account of the development of NdFeB permanent magnets for the REPMM is presented.
综述·动态·评论
稀土永磁电机的开发与应用
孙绪新，周寿增
（北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083）
摘 要：我国稀土资源丰富，并已成为 21 世纪世界磁性材料的中心，这为发展我国稀土永磁电机产业提供
了有利条件。本文概述了稀土永磁电机的优越性、应用前景、开发方向及开发成果，同时简要介绍了电机用钕
稀土永磁同步电动机等。 4.2 车用各类稀土永磁电动机
各类车用（汽车、摩托车、火车）稀土永磁电 动机，是稀土永磁电机的最大市场。据国外统计， 大约有 70％的永磁体用在汽车上。一辆豪华的小 轿车，各种不同用途的电机已达 70 余台之多。表 2[12]列出了国产轿车用永磁电机的基本配置。由于 各种汽车电机要求不同，所选择的永磁材料也不一 样。表 3[12]表示了汽车部件所用永磁体的现状及发 展趋势。从表中可以看出，空调器、风扇、电动窗 等所用电机磁体，从价格角度考虑，将来仍将以铁 氧体占优势。点火线圈、传动装置、传感器等仍然 采用 Sm-Co 系烧结磁体，但从价格考虑将向钕铁 硼烧结永磁发展。
表2 国产轿车用永磁电机的基本配置[12]
序号
电机名称
数量/台 序号
电机名称 数量/台
1 空气净化器电机
1 17 扰流控制器电机
1
2 (后置)空调器电机
1 18 座椅调节器电机
表1 两种永磁直流测速发电机体积重量的比较[8]
电机型号
永磁材料
永磁材料 重量/kg
电机外形 电机重量
尺寸/mm
/kg
CY01；02 铝镍钴
2.8
Ø122×242
7.9
90CY01；02 钕铁硼
0.3
Ø 90×177
3.5
（2）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[9]， 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
世界上第一台电机就是永磁电机，所以利用永 磁体来制造电机已有很悠久的历史。由于当时永磁 材料的磁性能低，制成的电机非常笨重，即被电励 磁电机所取代。1940 年代以后，具有较高剩磁的 铝镍钴和具有较高矫顽力的铁氧体永磁材料相继 出现，永磁电机又获得生机，在微特电机领城里占 有重要位置。但铝镍钴永磁矫顽力较低、易退磁； 铁氧体永磁的剩磁较低，使用范围受到一定限制。 至六十年代后期第一代稀土永磁合金(SmCo5)和七 十年代第二代稀土永磁合金(Sm2Co17)的出现，虽 然原料钐与钴价格昂贵，但磁体磁性能好，使永磁 电机有了较大的发展。八十年代钕铁硼稀土永磁问 世，1983 年被列为世界十大重要科技成果，举世 瞩目。由于钕资源丰富，以廉价的铁取代昂贵的钴， 价格相对低廉，钕铁硼稀土永磁磁性能好，极大地 推动了永磁电机的开发。稀土永磁磁性能优异，兼 有铝镍钴和铁氧体永磁的优点，具有很高的剩磁和 矫顽力，以及很大的磁能积。稀土永磁的最大磁能 积比铝镍钴的大 5~8 倍；比铁氧体的大 10~15 倍； 在同样的有效体积条件下，比电励磁的大 5~8 倍， 仅次于超导励磁。且退磁曲线几乎是一条直线，回 复曲线与退磁曲线基本重合，抗退磁能力强，热稳 定性好（钐钴永磁），用于电机，可使电机体积缩 小，重量减轻，输出功率大，效率显著提高，与电 励磁电机相比，比功率（单位重量电机输出功率） 大 40%以上[4,5]。稀土永磁连同功率电子器件和微 型计算机巳被公认为促进电机发展的三大支柱。稀 土永磁电机的发展与应用前景广阔，大有可为。
收稿日期：2004-11-08 修回日期：2005-04-13 作者通信：E-mail: sxx1298@sohu.com
续发展做出重大贡献。
2 稀土永磁电机的发展历史
电机是一种机械能、电能相互转换的机械。这 个转换过程离不开电机的励磁结构。电机的励磁结 构有两种：一种是电流励磁，即依靠铜线圈绕组通 过电流来励磁，类似电磁铁产生磁场，磁场的大小 取决于绕组的匝数和励磁电流的大小。再一种就是 永磁励磁，即通过永磁体提供磁场，磁场的大小取 决于永磁体本身磁性能的高低和所用磁体的体积。 采用永磁励磁的电机就是永磁电机。电流励磁的很 大局限性就是线圈发热量大，电机温升高，需要较 大的绕组空间，同时还存在较大的铜损等，使得电 机的效率和比功率低。而永磁励磁，只要永磁体的 磁性能高就不存在以上局限，而且结构简单、维护 方便， 特别对一些有特殊要求（超高转速、超高 灵敏度）和特殊环境（防爆等）使用的电机，永磁
（6）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[8]。
（7）可大气隙化，便于构成新型磁路。 （8）电枢反应小，抗过载能力强。
3 稀土永磁电机的优越性
稀土永磁电机是在 Y 系列电机的基础上，将 电机转子嵌入稀土永磁材料而成，与普通电机相 比，具有以下优点[2,6,7]：
（1）体积小，重量轻，耗材少。由于稀土永磁 材料的高磁能积和高矫顽力，实现了电机磁路系统 的小型化、轻量化； 表 1[8]为天津安全电机公司生 产的两种技术指标相同但所用永磁材料不同的直 流电机体积与重量参数的比较。可以看出钕铁硼永 磁电机与铝镍钴永磁电机相比，电机的体积和重量 大大减小和降低。
铁硼永磁材料的发展。
关键词：稀土永磁电机；应用；发展
中图分类号：TM351; TM273
文献标识码：A
文章编号:1001-3830(2005)05-0022-03
Development and Application of Rare Earth Permanent Magnet Electrical Machines
（4）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。
（5）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。
在永磁电机产品结构方面，在过去一段时间 里，铝镍钴和铁氧体永磁几乎各占一半市场。今后 将遵循材料互代性和竞争性原则，钕铁硼则以优异 的磁性得到迅速发展。铁氧体永磁则以廉价的优势 占据低档电机的市场。铝镍钴应用市场将相对减 少，最后大部分将被钕铁硼所取代。但由于铝镍钴 温度稳定性高，在高精度测速电机等信号类微电机 中仍然会占有一席之地[3]。
Key words: rare earth permanent magnets electrical machines; applications; developments
1 前言
稀土永磁电机以其效率高、比功率大、结构 简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日 常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热 性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发，稀土永磁 电机的研究开发在国内外又进入了一个新的时期， 在理论和应用领域都将产生质的飞跃。
4 稀土永磁电机的应用领域
由于稀土永磁电机上述优越性，其应用越来越 广泛，主要应用领域有如下方面[9~11]： 4.1 稀土永磁高效节能电机
着眼于稀土永磁电机的高效节能。以耗电大户 为主要应用对象，如纺织和化纤行业用的稀土永磁 同步电动机，油田、煤矿用的各种采掘、运输机械 用的稀土永磁同步电动机，各种水泵和风机驱动用
22
J MBaidu Nhomakorabeagn Mater Devices Vol 36 No 5
励磁比电流励磁有突出的优点[2，3 ]。因此，在励磁 结构方面，随着永磁材料性能的不断提高，新型永 磁材料的不断出现，永磁励磁结构将逐步取代传统 的电流线圈励磁结构。永磁电机的发展和永磁材料 的发展息息相关，新型永磁材料的出现必将大力促 进永磁电机的快速发展。
磁性材料及器件 2005 年 10 月
23
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。
（3）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。
在相同功率下，ZYN40 型稀土永磁直流电动 机与铝镍钴电机相比，缩小一个机座号，重量和体 积分别为铝镍钴电机的 70％和 68％；与铁氧体电 机相比，缩小两个机座号，重量和体积分别为铁氧 体电机的 40％和 36％；与 SZ 系列电励磁电机相 比，缩小两个机座号，重量和体积为电励磁电机的 40％[9]。
SUN Xu-xin, ZHOU Shou-zeng State Key Laboratory for New Advanced Metal Materials, University of Science and
Technology Beijing, Beijing 100083, China
Abstract: China is abundant in rare earth resource and becomes the center of global magnet industry of 21st
century, so it is more conveninent and favorable to develop rare earth permanent magnet electrical machines(REPMM) in China. In this paper, a brief introduction of the advantages, market prospects, direction and achievements of the research and development of the REPMM as well as a brief account of the development of NdFeB permanent magnets for the REPMM is presented.
综述·动态·评论
稀土永磁电机的开发与应用
孙绪新，周寿增
（北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083）
摘 要：我国稀土资源丰富，并已成为 21 世纪世界磁性材料的中心，这为发展我国稀土永磁电机产业提供
了有利条件。本文概述了稀土永磁电机的优越性、应用前景、开发方向及开发成果，同时简要介绍了电机用钕
稀土永磁同步电动机等。 4.2 车用各类稀土永磁电动机
各类车用（汽车、摩托车、火车）稀土永磁电 动机，是稀土永磁电机的最大市场。据国外统计， 大约有 70％的永磁体用在汽车上。一辆豪华的小 轿车，各种不同用途的电机已达 70 余台之多。表 2[12]列出了国产轿车用永磁电机的基本配置。由于 各种汽车电机要求不同，所选择的永磁材料也不一 样。表 3[12]表示了汽车部件所用永磁体的现状及发 展趋势。从表中可以看出，空调器、风扇、电动窗 等所用电机磁体，从价格角度考虑，将来仍将以铁 氧体占优势。点火线圈、传动装置、传感器等仍然 采用 Sm-Co 系烧结磁体，但从价格考虑将向钕铁 硼烧结永磁发展。
表2 国产轿车用永磁电机的基本配置[12]
序号
电机名称
数量/台 序号
电机名称 数量/台
1 空气净化器电机
1 17 扰流控制器电机
1
2 (后置)空调器电机
1 18 座椅调节器电机
表1 两种永磁直流测速发电机体积重量的比较[8]
电机型号
永磁材料
永磁材料 重量/kg
电机外形 电机重量
尺寸/mm
/kg
CY01；02 铝镍钴
2.8
Ø122×242
7.9
90CY01；02 钕铁硼
0.3
Ø 90×177
3.5
（2）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[9]， 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
世界上第一台电机就是永磁电机，所以利用永 磁体来制造电机已有很悠久的历史。由于当时永磁 材料的磁性能低，制成的电机非常笨重，即被电励 磁电机所取代。1940 年代以后，具有较高剩磁的 铝镍钴和具有较高矫顽力的铁氧体永磁材料相继 出现，永磁电机又获得生机，在微特电机领城里占 有重要位置。但铝镍钴永磁矫顽力较低、易退磁； 铁氧体永磁的剩磁较低，使用范围受到一定限制。 至六十年代后期第一代稀土永磁合金(SmCo5)和七 十年代第二代稀土永磁合金(Sm2Co17)的出现，虽 然原料钐与钴价格昂贵，但磁体磁性能好，使永磁 电机有了较大的发展。八十年代钕铁硼稀土永磁问 世，1983 年被列为世界十大重要科技成果，举世 瞩目。由于钕资源丰富，以廉价的铁取代昂贵的钴， 价格相对低廉，钕铁硼稀土永磁磁性能好，极大地 推动了永磁电机的开发。稀土永磁磁性能优异，兼 有铝镍钴和铁氧体永磁的优点，具有很高的剩磁和 矫顽力，以及很大的磁能积。稀土永磁的最大磁能 积比铝镍钴的大 5~8 倍；比铁氧体的大 10~15 倍； 在同样的有效体积条件下，比电励磁的大 5~8 倍， 仅次于超导励磁。且退磁曲线几乎是一条直线，回 复曲线与退磁曲线基本重合，抗退磁能力强，热稳 定性好（钐钴永磁），用于电机，可使电机体积缩 小，重量减轻，输出功率大，效率显著提高，与电 励磁电机相比，比功率（单位重量电机输出功率） 大 40%以上[4,5]。稀土永磁连同功率电子器件和微 型计算机巳被公认为促进电机发展的三大支柱。稀 土永磁电机的发展与应用前景广阔，大有可为。
收稿日期：2004-11-08 修回日期：2005-04-13 作者通信：E-mail: sxx1298@sohu.com
续发展做出重大贡献。
2 稀土永磁电机的发展历史
电机是一种机械能、电能相互转换的机械。这 个转换过程离不开电机的励磁结构。电机的励磁结 构有两种：一种是电流励磁，即依靠铜线圈绕组通 过电流来励磁，类似电磁铁产生磁场，磁场的大小 取决于绕组的匝数和励磁电流的大小。再一种就是 永磁励磁，即通过永磁体提供磁场，磁场的大小取 决于永磁体本身磁性能的高低和所用磁体的体积。 采用永磁励磁的电机就是永磁电机。电流励磁的很 大局限性就是线圈发热量大，电机温升高，需要较 大的绕组空间，同时还存在较大的铜损等，使得电 机的效率和比功率低。而永磁励磁，只要永磁体的 磁性能高就不存在以上局限，而且结构简单、维护 方便， 特别对一些有特殊要求（超高转速、超高 灵敏度）和特殊环境（防爆等）使用的电机，永磁
（6）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[8]。
（7）可大气隙化，便于构成新型磁路。 （8）电枢反应小，抗过载能力强。
3 稀土永磁电机的优越性
稀土永磁电机是在 Y 系列电机的基础上，将 电机转子嵌入稀土永磁材料而成，与普通电机相 比，具有以下优点[2,6,7]：
（1）体积小，重量轻，耗材少。由于稀土永磁 材料的高磁能积和高矫顽力，实现了电机磁路系统 的小型化、轻量化； 表 1[8]为天津安全电机公司生 产的两种技术指标相同但所用永磁材料不同的直 流电机体积与重量参数的比较。可以看出钕铁硼永 磁电机与铝镍钴永磁电机相比，电机的体积和重量 大大减小和降低。