永磁电机行业发展概述

2012-06-21西安微电机研究所张朴罗润娟

电器工业 2012年6期

文／西安微电机研究所张朴罗润娟／

永磁电机是微特电机的一个重要发展领域，占其总量90%以上，因此对于微特电机行业而言，“十二五”期间要大力推进永磁电机的技术进步，在抓紧量大面广产品发展的同时，又要加快稀土永磁电机的研发。

我国早已成为永磁电机生产和出口大国，大功率永磁电机现已开始出口至欧洲和北美，因此，作为永磁电机企业应该尽快从传统手工业提升到现代工业装备制造，向规模化方向发展，为国民经济发展提供合格产品，又为外贸出口做出贡献。笔者结合近年来的行业发展情况，简单介绍永磁电机的基本情况。

目前，国家正加快转变经济发展方式、调整优化经济结构；微特电机行业，也正处在调整产业结构时期，每个企业应该在此时期，从微观经济的角度出发，找到一些新的商机。永磁电机是微特电机的一个重要发展领域，占其总量90%以上，因此对于微特电机行业而言，“十二五”期间要大力推进永磁电机的技术进步，在抓紧量大面广产品发展的同时，又要加快稀土永磁电机的研发。我国早已成为永磁电机生产和出口大国，大功率永磁电机现已开始出口至欧洲和北美，因此，作为永磁电机企业应该尽快从传统手工业提升到现代工业装备制造，向规模化方向发展，为国民经济发展提供合格产品，又为外贸出口做出贡献。笔者结合近年来的行业发展情况，简单介绍永磁电机的基本情况。

1.微特电机市场规模

随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，对微特电机的需求量大增，例如城市家庭各种电器中的微特电机平均达到20台，农村家庭为10台；又如汽车中使用的低压永磁直流电机平均为20台左右。我国加入世贸组织后，微特电机出口量也逐年上升。我国早已成为微特电机世界生产第一大国。

据2010年调查统计，目前我国大陆微特电机生产企业超过1100家，从业人员38万，销售收入过千亿元。从2004年到2010年，微特电机产量和出口量分年增长率达10%以上。目前，我们初步估计微特电机年产量约为80亿台左右，出口约为40亿台。

以下是国内近三年来年几个典型领域使用微特电机数量的平均统计数据：

车辆：电动自行车2288万台；电动摩托车415万台；汽车1亿零74万台；

办公自动化：手机5.5亿台，PC机9.567亿台，笔记本电脑7.6亿台，打印机1.73亿台，传真机1.5亿台，复印机2.9亿台，合计24.9亿台。

视听设备：录音机0.68亿台，收音机6亿台，音响2.2亿台，汽车音响1.1亿台，家庭影院0.3亿台，DVD机3.9亿台，合计8.8亿台。

2.永磁电机的发展

用永磁体来产生励磁磁场的电机称为永磁电机。世界上最早的电机原型就是永磁电机，只是当时永磁材料性能不良，让电磁电机占了主流。永磁电机历史悠久，但真正发展是近年来随着高性能永磁材料的发展而发展起来的。与传统的电磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机，具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高等显著特点，并且其形状和尺寸可以灵活多样，因而应用范围极为广泛，产量也最大。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0.01r/min,最小电机外径只有0.8mm,长度为1.2mm。

据统计，500W以下的直流电机中永磁电机占90%以上。如汽车使用的全是永磁直流电机，计算机外围设备绝大部分使用永磁步进电机、有刷和无刷永磁电机，电动自行车大多采用无刷永磁电机，手机振动电机目前直径已做到4毫米以下等等。另外，大功率电机近20年也向永磁化发展，产量增加，电机功率也越来越大，唐任远院士已经做过超过1000千瓦的永磁电机，应当说永磁电机的发展势头正劲，将来随着稀土永磁材料性能的不断提高及价格的降低，预计各种伺服电机不论是直流和交流的还是步进电机最终都将过渡到永磁电机，甚至应用领域很广的交流异步电机最终也会被永磁电机所替代。

永磁电机理论发展促进了生产力的提高。永磁电机理论发展大大促进了产品的发展，其中像包括唐任远院士的《现代永磁电机理论与设计》等许多专家的理论在指导行业进步中起到了非常重要的作用。从高等院校师生发表的有关永磁电机论文的参考文献统计，《现代永磁电机理论与设计》的被引率是很高的，这对永磁电机的研发无疑起到极大的推动作用。

电力电子技术加快了永磁电机产业化步伐。近年来电力电子技术的发展，推进了永磁同步电机的产业化步伐。永磁无刷直流电机价廉物美，应用场合不受条件限制，如电动自行车、电动汽车、除草机、高尔夫球车、建筑工程车。异步起动永磁同步电机既节能又简便，可保证设备工艺稳定性不受电压波动、负载变化的影响；伺服永磁同步电动机控制系统可以精确定位，电机可以缩小3-4号机座，它不仅仅是引领高端产品的先锋，还带来了一场机械革命。如无齿曳引机、低速大转矩电机，不用减速机直接传动，提高了传动系统的效率、可靠性，降低了噪音，改善了设备的环境（漏油）。永磁同步电机发电机体积小、可靠性高、使用方便，不仅可作副励磁发电机，而且在北美还用于数百kW以上的大功率发电机。

永磁电动机在传统装备业改造应用如下：

在化工化纤行业，永磁同步变频电机具有结构简单、故障少的特点，不仅大量节约了宝贵的能源，最主要的是纺出的长丝品质已经达到和接近天然纤维（棉花、羊毛、桑蚕丝等），因而得到了大量广泛的应用。

机床行业的电主轴电机采用永磁同步伺服电机取代传统的直流电机、滑差调速电机、异步电机，可保证机床本身的精度和加工精度，机床的电气化和自动化程度提高。采用变频伺服调速系统，可把进给精度由原来的微米级提高到脉冲信号级，借助永磁同步电机刚硬的特性，能提高进刀量、缩短回车时间以及提高工件表面粗糙度等。由于伺服电机系统采用无齿传动，具有噪音小，传动比大，工作稳定，结构紧凑的特点。因此，中高档全功能数控车床、中高档数控铣床、车削/铣削加工中心、车磨合一数控机床、数控立车等都无一例外地采用永磁伺服电机。随着机床行业快速的技术进步，以及国际数控机床的发展，我国的机床正在向着多功能、全功能方向发展，机床主轴向着伺服化、高速化、更宽频恒功率调速方向发展，对永磁电机也带来机遇和挑战。

无齿轮曳引机，传统的电梯所用的曳引机是由变频调速系统来拖动异步电动机，这种驱动方式的电动机的转速都比较高，而电梯实际运行的速度比较低，所以要加减速机来实行减速，而由于减速机构的存在，使得曳引系统呈现结构复杂、体积大、传动效率低、运行噪声高、漏油、安装维修难等特点。而永磁同步电动机采用高性能永磁材料和特殊的电机结构，具有节能、高效、结构简单等特点，从而获得广泛应用。

3.稀土永磁电机的发展情况

众所周知，电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械。磁场可以由电流励磁产生，也可以由永磁体产生。但一般的永磁体,由于磁能密度低，因而建立的能量转换所必需的气隙磁场强度也较低，所以只能制造一些容量小的永磁电机，如目前大量生产的铁氧体永磁电机。高性能稀土永磁材料，特别是钕铁硼永磁问世后，情况发生了重大变化。高性能钕铁硼磁体产生的磁场，不仅可以达到电流励磁所产生的磁场强度，而且还远远超过电流励磁。

粘接稀土永磁材料最适合高精度精密微特电机。它具有高的磁能积，可使电机小型化，轻重量，高性能。第二，能支撑环形磁铁，使电机气隙减小，气隙磁通密度提高，利于高性能化。第三，随气隙磁场的增大，永磁体剩磁和矫顽力同时增大，可得到平衡的磁特性。能有效利用各向同性磁材的优点，即无需磁场趋向成形效率高，成形设备和模具简单，容易实现多极充磁。

高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出各种性能优异的机电一体化产品，如数控机床、加工中心、柔性生产线、机器人、电动车、高性能家用电器、计算机等等。

稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。

采用稀土永磁体可以明显减轻电机重量，缩小体积。这在较大功率电机中尤为明显。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%。又如计算机磁盘驱动器，上个世纪60年代采用铁氧体，尺寸为14in，而采用钕铁硼后只有3.5in，现在己达到2.5in。再如，荷兰菲利蒲公司以70W微电机作过比较，稀土永磁电机体积为电流励磁电机的1/4，为铁氧体励磁电机的1/2。总之，稀土永磁电机轻型化是个非常明显的特点。

高性能化也是稀土永磁电机的突出优点，有些性能是传统标准电机所不能及的。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0.1~0.3μ）、运行噪声小、平稳性好、过载能力大等特点。

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6.21kg降低到4.2kg，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。

家用电器的节能潜力很大，现在普通的家用电器选用的均为单相小型电机，这类电动机额定效率很低，如0.18kW单相电动机额定效率只有55%。相同容量的稀土永磁无槽无刷直流电机，额定效率可达90%，相差24%。

变频调速将在电机产业广泛推广应用。就家电产品而言，异步电机变频调速、传统直流电机调速、稀土永磁无刷直流电机调速中，以无刷直流电机节能效果最为显著。除稀土永磁电机额定效率明显高于交流电机外，在调速过程中，随着转速调低，交流电动机效率明显下降，而稀土永磁电机效率却变化不大。

稀土永磁电机应用领域包括：

电动自行车电机。燃油摩托车和助力车是城市大气污染的主要来源之一，因此积极发展电动自行车是减少污染、满足和方便广大群众措施之一。世界上许多国家或地区都很重视。我国2002年电动自行车产量仅35万辆，产值7000万元，到2009年全国电动自行车产量逾2200万辆，已经形成一个较大的行业。

目前我国生产的电动自行车电机有两大类，一类是永磁有刷直流电机，有盘式结构和圆柱结构两种，另一类永磁无刷直流电机。

视听产品包括录像机，录放机、激光唱机、随身听、VCD、DVD等。我国已是生产视听产品大国。视听产品使用的电机量占整个微特电机总量的25%，其中大部分是稀土永磁微特电机。在信息化时代，视听产品向数字化方向发展，因此数字化视听产品发展很快。DVD市场销售量看涨，每台DVD需配套3台电机，用于主轴、加载装置、播音器上。该领域目前使用的微特电机大部分是有刷永磁直流电机，但主轴电机是无刷的。随着视听产品小型化和数字化，对微特电机有更高的要求。高性能，如主轴电机转速高达7000r／min，轴的垂直精度要求达到μ级。低噪声，音响设备对噪声要求很严格。高可靠性，要求产品质量可靠，虽然产品处于高速旋转状态，但电机的寿命必须保证与主机寿命相同，没有易损零件，一般地不进行中修。

稀土永磁电机还大量应用于宇航和军事装备等行业。这类电机的品种有控制微电机和机电一体化、光机电一体化和智能电机。随着现代军事装备的发展，对军用微特电机提出高性能、高精度、高可靠性和轻型化的严格要求，同时提出耐恶劣环境的要求，如高低温、高空、振动冲击和三防等特殊要求。我国自主开发的军用微特电机基本上满足我国现代化武器装备的配套需要，而且也带动了民用产品的发展。

随着技术的发展和高性能永磁材料的不断降价，稀土永磁电机在家电、汽车、办公自动化等领域今后也必将占有越来越大的份额。