永永磁电机综述及退磁分析资料

永永磁电机综述及退磁分析
1能源的重要
1,1可再生能源研究现状及发展趋势
能源是当今社会存在和发展的基础，随着人们生活水平的提高和社会的发展，人类对能源的需求正在逐渐增大，而能源的短缺正成为制约社会发展的重要因素。

对传统能源的开发利用不仅受到资源有限的限制，而且在能源使用的过程中还会产生温室效应和环境污染等全球性问题。

因此，通过对新型能源的开发，实现资源的持续利用和人类社会可持续发展具有重要作用。

目前可以对新型能源进行开发利用的主要有光伏发电、风力发电、潮汐能发电以及生物能和水力能发电等。

近年来，随着电力电子技术的发展，风力发电的利用及其优势开始显现，它是可再生能源中技术最成熟、发展速度最快、最具有商业发展潜力的新能源之一；光伏发电技术具有对环境影响小的优点，但是太阳能光伏电池板和逆变器的高成本限制了其在光照强度不强的地区的应用；潮汐能发电具有对地理位置要求高，发电设备需安装在海底，稳定性差等缺点，因此很难进行大规模开发利用；生物能和水能的利用同样受到地域、成本以及环境的影响，因此对生物能和水能的开发利用也较难。

1.1.1 全球可再生能源研究现状及趋势
进入21世纪，世界各国都加大对风能、光伏等可再生能源的研究利用。

发展可再生能源己经成为许多国家对能源进行研究和开发的主要内容。

2006年3月，欧盟首脑会议确定到2020年风能、光伏等新型能源消费总量要占到传统能源消费总量的20%；2011年美国提出到2030年全美20%的电力供应由风力发电提供，生物燃料消费量要占汽车燃料消耗量的30%以上；印度在2009年风电装机容量已达到1100万千瓦时，装机总容量排在世界第5位；巴西通过利用甘蔗等本地资源大力发展生物能，到2008年底生物燃料总产量已达两千多万吨，并且计划到2030年底生物能年产能达到750亿升，从而将生物能的生产作为巴西经贸的主要资源。

目前，全球己有60多个国家制定了相关的法律、法规或行动计划，通过立法的强制性手段保障可再生能源战略目标的实现。

到2009年底，全球风能和太阳能等可再生能源总共约贡献了1.7%的发电量，占全球能源消费总量的0.7%。

风力发电总装机容量增长了31%，生物燃料发电量增长了8%，太阳能发电总装机容量也已达到10000兆瓦以上。

总之，目前可再生能源的发展正朝着生产技术逐渐成熟、项目规模逐渐增大、建设快速逐渐加快、投资渠道逐渐增多、生产设备效率逐渐提高、设备维护逐渐便利的方向发展。

1.1.2 我国新能源发展现状及趋势
可再生能源是我国能源资源的重要组成部分，它在环境污染治理、经济社会发展、能源供应和能源结构改造等方面发挥了重大作用。

由于政府的大力引导和支持以及市场需求的推动，我国可再生能源的发展具有良好的内外部条件，我国可再生能源开始进入快速发展。

2009 年，我国新能源年年产能值相当于2.6亿吨煤的产能，占到我国能源消费总量的8.34%。

到2011年底，我国水力发电总装机容量1.97亿千瓦时，居世界第一；风力发电总装机容量达2730万千瓦时，新增装机容量居世界第一，总装机容量居世界第三；太阳能光伏电池年产量达4 千兆瓦时，为全球份额的40%，太阳能热水器总超过1.45亿平方米居世界第一。

尽管我国新能源行业各方面发展迅速但其规模化和产业化发展仍然面临诸多问题，主要有：①市场机制成不够熟，使得新能源产业很难和传统能源产业竞争；②能源政策和配套措施不完善，对可再生能源企业扶持力度不够；③企业对新能源的战略地位认识不够，以及对对能源企业发展的衔接性和科学性认识不足；④企业和政府对新能源的研发投入不足；⑤整个产业链体系较薄弱，利润率较低；⑥对我国新能源产业评估不深入，不利于新能源的产业化发展。

总之，新能源产品市场竞争力低、成本价格高是我国可再
生能源产业发展面临的主要问题，解决问题的根本途径是大力推进可再生能源的产业化、规模化发展[1]。

能源紧张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的阔题。

节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。

据国际电工委员会（IEC）统计，工业用电动机消耗全世界发电量的30％－40％，我国电机系统用电量约占全国用电量的60%，其中风机、泵类、
压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。

电机系统量大面广，节电潜力巨大。

改善整个驱动系统（电动机和调速传动）和应用技术（或工艺技术）的效率对节能关系重大，系统优化总的节能潜力可达到30％～60％。

据行业协会统计，全国现有各类电机系统总装机容量约7亿kW，运行效率普遍比国外先进水平低10~20个百分点，相当于每年浪费电能约1500亿kWh。

为此国家发改委在“十大重点节能工程实施意见”中提出：要推广高效节能电动机、稀土永磁电动机；同时推广变频调速、永磁电动机调速等先进电机调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式。

并建议在以下领域推广应用稀土永磁电动机和调速系统：电力：用变频、永磁电动机改造风机、水泵系统，重点是20万kW以上火力发电机组。

冶金：鼓风机、除尘风机、冷却水泵；加热炉风机、铸造除鳞水泵等设备的变频、永磁电动机调速。

机电：研发制造节能型电机、电机系统及配套设备。

轻工：注塑机、液压油泵的变频、永磁调速。

其他：企业空调和通风、楼宇集中空调的永磁电机系统改造等。

据国际能源机构（IEA）2006年7月的工作报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约大约7％的电能，其中大致有1／4～1／3是靠提高电动机效率来获得的，其余部分则来自系统的改进。

目前，美、欧、日、澳大利亚、巴西等国都纷纷制订电动机效率限值，并强制执行。

为协调各国能效分级标准，2006年IEC制定一项新的能效标准IEC60034－30。

该标准将一般用途电动机效率水平分为IEl（International Efficiency，简称IE）、IE2、IE3和IE4四级，其中IEl为标准效率，相当于我国目前生产的普通系列感应电动枫的效率水平；IE2为高效率，比普通电机的效率平均提高2.75个百分点，损耗平均下降20％左右；IE3为超高效率，即效率再提高1.5一2个百分点，损耗平均再降低15％左右；IE4为超超高效率，损耗预计再下降20％左右，需要进行全新的电机设计，建也新的体系结构（新的电机极数、速度范围），采用更高性能的材料。

众所周知，永磁电动机采用永磁体励磁，不需要无功励磁电流，所以显著提高功率因数，减小了定子电流和定子电阻损耗；而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩耗，从而使其效率和功率因数比同规格感应电动机高。

而且在轻载时仍可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。

因此，永磁电动机较容易做到高效率，既达到lE2级的效率值。

如果进一步优化设计，采用高性硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可以达到超高效，既IE3级的效率值；在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格有可能达到超超高效，既IE4级的效率值[2]。

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，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、实现国民经济持续发展做出重大贡献。

2.永磁电机的特点
与传统的电励磁电机相比，稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸灵活多样等显著优点。

因此稀土永磁电机的应用范围极为广泛，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。

种类几乎覆盖了整个电机行业。

（1）稀土永磁电机结构简单
体积小，重量轻，耗材少，同容量的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小30%左右。

永磁同步发电机与传统的发电机相比，，不需要集电环和电刷装置，结构简单，降低了故障率。

采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速调整到最佳值，提高功率质量比。

现代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。

永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机。

目前，独立电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步推广。

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、价格的逐步降低以及电力电子器件的进
一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，在大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等各个方面获得越来越广泛的应用的同时，稀土永磁电机的研究开发也进入了一个新阶段，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方向发展。

目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01 r/min，最小电机外径只有0.8mm，长1.2mm。

（2）稀土永磁电机轻型化
采用稀土永磁体可以明显减轻电机重量，缩小体积。

例如10kW发电机，常规发电机重量为220kg，而永磁发电机重量仅为92kg，相当于常规发电机重量的45.8%。

计算机磁盘驱动器在20世纪60年代采用铁氧体尺寸为14英寸，而采用钕铁硼后只有3.5英寸，现在己达到2.5英寸。

德国制成的六相变频电源供电的1095kW、230r/min稀土永磁电动机，用于舰船的推进，与过去使用的直流电动机相比，体积减少60%左右，总损耗降低20%左右，并省去了电刷和换向器，维护方便。

荷兰飞利浦公司用70W微电机作比较，稀土永磁电机体积是电流励磁电机的1/4，是铁氧体励磁电机的1/2。

（3）稀土永磁电机高性能化
高性能化也是稀土永磁电机的突出优点，有例如，数控机床用稀土永磁伺服电机，调速比高达1：10000。

稀土永磁电机可以实现精密控制驱动，转速控制精度可达到0.1‰。

在机械特性方面，稀土永磁电机可以实现低速大转矩运行，可在负载转矩下直接起动。

此外，稀土永磁电机还具有运行精度高（如计算机硬盘驱动器的摆动电机端面与磁盘之间的跳动量要求达到0.1μ~0.3μ）、运行噪声小、平稳性好、过载能力大等特点。

（4）稀土永磁电机高效节能
稀土永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上，专用稀土永磁电机的节电率可高达15% ~20%。

美国GM公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，不仅重量由原来的6.21 kg 降低到4.2 kg，体积减少了1/3，而且效率提高了45%。

在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，异步变频调速可节电25%左右，而永磁变频调速节电率高达30%以上。

电机节能是一项系统工程，应该从多个方面寻求降低电能消耗的方法。

系统输入功率包括配电电源、电动机的控制、电动机自身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。

国际电机节能的先进水平是风机、水泵自身运行效率一般在85%以上，系统运行效率在80%左右。

而目前我国国产设备的本体设计效率为75%，系统运行效率不到30%，电源浪费十分严重。

这种状况目前尚未改变。

电动机的节能有两个方法。

一个是改进异步电动机的结构，提高其效率和其他性能。

另一个是发展永磁同步电动机，可以取得更高的节电效果【3】。

2.永磁同步电动机的分类及特点
2.1永磁同步电动机的基本性能特点
（1）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，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24 J 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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）可大气隙化，便于构成新型磁路。

（7）电枢反应小，抗过载能力强【4】。

2.2永磁同步电动机的分类
永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。

因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。

这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。

图1正弦波永磁同步电动机的基本组成框图
图2 永磁无刷直流电动机的系统组成 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。

根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。

在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁
体。

这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。

因此，这两种电机的性能有所不同【5】。

图3正弦波表面永磁PMSM
表面永磁同步电动机的特点：
（1）永磁体粘接到转子铁心表面，转子转速低；
（2）有效气隙较大，则同步电抗小，电枢反应小； （3）气隙均匀，呈现隐极式同步电机的特点，即S q d L L L ==。

电压平衡方程式与相量图：
a S a a I jX I R E U ++=0
图4 表面永磁同步电动机向量图
图5 内置永磁同步电动机的转子结构示意图 内置永磁同步电动机的特点：
（1）永磁体被牢牢地镶嵌在转子铁心内部，适用于高速运行场合 ；
（2）有效气隙较小，d 轴和q 轴的同步电抗均较大，电枢反应磁势较大，从而存在相当大的弱磁空间；
（3）直轴的有效气隙比交轴的大（一般直轴的有效气隙是交轴的几倍），因此，直轴同步电抗小于交轴同步电抗，即q d X X <。

电压平衡方程式与相量图：
a a q q d d I R I jX I jX E U +++=0
图6 正弦波内置永磁同步电动机的时空相量图
无刷直流电动机的特点总结：
（1）定子三相绕组由电子式逆变器供电，供电频率和换流时刻取决于转子位置传感器——同步的需要；
（2）定子电枢绕组磁势与转子永磁体产生的磁势均以同步速旋转，两者保持相对静止且空间相互垂直——最大转矩的需要；
（3）电机本体为交流永磁同步电动机。

2.3永磁无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机的比较：
（1）从结构上看：
对于永磁无刷直流电机，其定子三相采用集中、整矩绕组，而转子永磁体则采用表面瓦片式结构，永磁体厚度均匀；对于正弦波永磁PMSM，其定子三相则采用分布、正弦绕组，转子永磁体主要有两大类：一类是表面永磁结构；另一种为内置永磁体结构，这两种结构均可确保气隙磁密的波形接近正弦。

（2）从转子位置传感器上看：
对于永磁无刷直流电机，仅需提供六个（通常为三个）离散的转子位置反馈信息即可；对于正弦波永磁PMSM ，需要提供连续的转子位置反馈信息。

（3）从所产生的电磁转矩看：
永磁无刷直流电机存在一定的转矩脉动；正弦波永磁PMSM所产生的电磁转矩基本上是恒定的。

（4）从体积和重量角度看：
永磁无刷直流电动机的功率密度是永磁同步电动机的1.15倍。

3 永磁电机发展历史
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。

40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。

稀土永磁连同功率电子器件和微型计算机已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。

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。

永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。

我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家，多年前，我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为我国古代四大发明之一[2]。

随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。

特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁和50年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。

永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十，在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。

相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。

但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低，铁氧体永磁的剩磁密度不高，限制了它们在电机中的应用范围。

一直到20世纪60年代和80年代，稀土钻永磁和钕铁硼永磁二者统称稀土永磁相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。

稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段。

1967年美国教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可表示成5o RC ，简称1：5型稀土永磁，产品的最大磁能积超过1993
/m KJ 。

1973年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为172Co R 。

简称2：17型稀土永磁，产品的最大磁能积达到258.63/m KJ 。

1983年日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼永磁，称为第三代稀土永磁。

由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钻永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物质—钴，因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。

目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。

与此相对应，稀土永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段。

第一阶段20世纪60年代后期和70年代，由于稀土钴永磁价格昂贵，研究开发重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。

第二阶段20世纪80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上。

稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来替代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高能。