稀土永磁材料在電機(jī)中的應(yīng)用的意義

旋轉(zhuǎn)電機(jī)在實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中必須有磁場(chǎng)，傳統(tǒng)電機(jī)靠電流通過(guò)線圈來(lái)產(chǎn)生。對(duì)于直流電機(jī)和電勵(lì)磁的永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，這種勵(lì)磁功率全部以損耗的形式消耗在電機(jī)中，因此直接影響電機(jī)的總體效率；而且需要有專(zhuān)門(mén)的裝置，如磁極、線圈、劃環(huán)和電刷以及專(zhuān)門(mén)的電源等，容易損壞，可靠性低。異步電機(jī)靠定子中通以無(wú)功電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，功率因數(shù)低，當(dāng)在一個(gè)工業(yè)場(chǎng)合大量使用異步電機(jī)時(shí)，需要加電容來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)。

稀土永磁材料的磁性能優(yōu)異,它經(jīng)過(guò)充磁后不再需要外加能量就能建立很強(qiáng)的永久磁場(chǎng)，用來(lái)替代傳統(tǒng)電機(jī)的電勵(lì)磁場(chǎng)所制成的稀土永磁電機(jī)不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，還可做到體積小、重量輕。既可達(dá)到傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)所無(wú)法比擬的高性能（如特高效、特高速、特高響應(yīng)速度），又可以制成能滿足特定運(yùn)行要求的特種電機(jī)，如電梯曳引電機(jī)、汽車(chē)專(zhuān)用電機(jī)等。稀土永磁電機(jī)與電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，更使電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的性能提高到一個(gè)嶄新的水平。從而提高所配套的技術(shù)裝備的性能和水平，是電機(jī)行業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向。      

稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空、航天、國(guó)防、裝備制造、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。它包括永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、永磁直線電機(jī)、特種永磁電機(jī)及相關(guān)的控制系統(tǒng)，幾乎覆蓋了整個(gè)電機(jī)行業(yè)。

中國(guó)稀土資源非常豐富，居世界前列，主要分布在包頭，江西，四川和山東。世界已探明的稀土儲(chǔ)量為6200萬(wàn)噸（以稀土氧化物REO計(jì)），其中中國(guó)稀土資源工業(yè)儲(chǔ)量為4800萬(wàn)噸，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá)1.2億噸，占世界已探明資源的80%，而且品種全，質(zhì)量高，為大力開(kāi)發(fā)稀土材料提供了得天獨(dú)厚的條件。目前，高檔釹鐵硼永磁產(chǎn)品N48，45M,44H,39SH,35UH和28EH等都已批量生產(chǎn)。

稀土永磁材料的廣泛應(yīng)用，已深入國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面，其產(chǎn)量與用量已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。如果說(shuō)半導(dǎo)體集成電路的發(fā)明及應(yīng)用給現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)安上了大腦，那么高性能稀土永磁材料的應(yīng)用則賦予了它活動(dòng)行走的四肢和飛翔的翅膀。因此大力應(yīng)用新型稀土永磁材料，將我國(guó)資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，能帶動(dòng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)及相關(guān)行業(yè)的迅猛發(fā)展, 給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。因此，稀土永磁電機(jī)是一項(xiàng)市場(chǎng)前景好、應(yīng)用潛力大的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。近10多年來(lái)，全球燒結(jié)釹鐵硼產(chǎn)量年平均增長(zhǎng)率為25%左右。

二、國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心情況概述

鑒于稀土永磁材料應(yīng)用的必要性和稀土永磁電機(jī)工程化、產(chǎn)業(yè)化的可行性，2002年12月，經(jīng)國(guó)家科技部考核批準(zhǔn)，以沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)為依托單位，組建“國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)家永磁中心” ）。早在1980年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)就成立了特種電機(jī)研究，是國(guó)內(nèi)最早從事稀土永磁電機(jī)研究和開(kāi)發(fā)的單位，也是國(guó)內(nèi)唯一以稀土永磁電機(jī)研究為特色的博士學(xué)位授予點(diǎn)和博士后流動(dòng)站，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)永磁電機(jī)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)的掛靠單位，全國(guó)稀土永磁電機(jī)協(xié)作網(wǎng)的副網(wǎng)長(zhǎng)單位。所在的沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電機(jī)與電器學(xué)科經(jīng)國(guó)家教育部批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)高等學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科。2003年又被授予電氣工程一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)，涵蓋5個(gè)二級(jí)學(xué)科博士授予權(quán)：電機(jī)與電氣、電力電子與電力傳動(dòng)、高電壓與絕緣、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電工理論新技術(shù)。

“國(guó)家永磁中心”現(xiàn)有職工60人，其中大專(zhuān)以上學(xué)歷科技人員40人，占職工總數(shù)的71.4%，高級(jí)職稱(chēng)19人，博士9人。占用場(chǎng)地面積共6140平方米，其中校內(nèi)6000平方米，北京辦事處70平方米，在沈陽(yáng)國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)創(chuàng)業(yè)中心（21世紀(jì)大廈）內(nèi)70平方米?，F(xiàn)設(shè)有計(jì)算機(jī)CAD/CAM中心、技術(shù)開(kāi)發(fā)部、工程設(shè)計(jì)部、機(jī)加工車(chē)間、沖壓車(chē)間、油漆車(chē)間、裝備車(chē)間和中試基地等部門(mén)。各種檢測(cè)儀器基本齊全。同時(shí)公司采取“兩頭在內(nèi)，中間在外”的協(xié)作方式組織生產(chǎn)，即產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)、中試與關(guān)鍵技術(shù)在內(nèi)，其余部分在外，以充分利用國(guó)家存量資產(chǎn)，大大減少一般機(jī)加設(shè)備和場(chǎng)地的投資，最大限度減少新增投資，提高經(jīng)濟(jì)效益。

20多年來(lái)，既在稀土永磁電機(jī)分析理論、電磁場(chǎng)計(jì)算方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能仿真等基礎(chǔ)理論研究上取得重大突破，發(fā)表了一大批高水平的學(xué)術(shù)論文和專(zhuān)著；又特別注重與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，解決了磁路結(jié)構(gòu)、測(cè)試技術(shù)和制造工藝等一系列有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)稀土永磁電機(jī)（3kW、20000r/min高速稀土永磁電機(jī)），開(kāi)發(fā)出世界容量最大的60~160kVA稀土永磁副勵(lì)磁機(jī)，超額完成了八六三計(jì)劃“九五”重大攻關(guān)項(xiàng)目并開(kāi)發(fā)出五種二十三個(gè)規(guī)格永磁電機(jī)，其中五個(gè)實(shí)現(xiàn)了工程化，在石油化工領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。

通過(guò)省部級(jí)鑒定的科研成果29項(xiàng)，獲國(guó)家和省部級(jí)以上科技進(jìn)步獎(jiǎng)11項(xiàng)、獲國(guó)家授權(quán)專(zhuān)利7項(xiàng)。曾兩次由國(guó)家經(jīng)委和全國(guó)稀土推廣應(yīng)用領(lǐng)導(dǎo)小組命名為“全國(guó)稀土推廣應(yīng)用先進(jìn)單位”。經(jīng)沈陽(yáng)市、遼寧省科委、國(guó)家教育部和科學(xué)技術(shù)部批準(zhǔn)，分別于1999年成立了“沈陽(yáng)市稀土永磁應(yīng)用工程技術(shù)中心”，2000年成立了“遼寧省稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)中心”， 2001年成立了“教育部稀土永磁應(yīng)用工程研究中心”，2002年獲準(zhǔn)組建“國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心”。

為推進(jìn)科研成果的產(chǎn)業(yè)化，又創(chuàng)辦了一個(gè)產(chǎn)、學(xué)、研一體化的新興企業(yè)-----沈陽(yáng)博遠(yuǎn)特種電機(jī)有限責(zé)任公司，現(xiàn)已被遼寧省科技廳認(rèn)定為高新技術(shù)企業(yè)，由科學(xué)技術(shù)部認(rèn)定為“國(guó)家八六三計(jì)劃成果產(chǎn)業(yè)化基地”。

“國(guó)家永磁中心”主任、公司董事長(zhǎng)、學(xué)科帶頭人唐任遠(yuǎn)教授，是我國(guó)電工界知名專(zhuān)家、博士生導(dǎo)師、中國(guó)工程院院士，長(zhǎng)期從事稀土永磁電機(jī)的研究工作，經(jīng)驗(yàn)豐富、碩果累累。曾連續(xù)10年被評(píng)為遼寧省和沈陽(yáng)市勞動(dòng)模范，榮獲全國(guó)“五一” 勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆⑷珖?guó)優(yōu)秀科技工作者、全國(guó)模范教師和遼寧省優(yōu)秀專(zhuān)家等多項(xiàng)榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。

一、 最新科研成果

近五年來(lái)，在完成國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計(jì)劃、“九五”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的過(guò)程中，通過(guò)科技人員的不斷努力、創(chuàng)新，取得了以下顯著的科研成果：

1、 高效高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩釹鐵硼永磁三相同步電動(dòng)機(jī)TYQ系列產(chǎn)品

該系列電機(jī)是傳統(tǒng)的Y型電機(jī)的替代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于石油化工，抽油機(jī)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)泵類(lèi)等行業(yè)?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出9個(gè)功率等級(jí)的產(chǎn)品。

經(jīng)遼河、勝利大港等油田使用，可替代比它大2~3個(gè)功率等級(jí)的異步電動(dòng)機(jī)（37kW永磁電機(jī)替代55或75kW異步電動(dòng)機(jī)）起動(dòng)和運(yùn)行情況良好，運(yùn)行電流只有原來(lái)的1/6，綜合節(jié)電率達(dá)30%。表1是各油田節(jié)能監(jiān)測(cè)站提供的檢測(cè)報(bào)告統(tǒng)計(jì)表。

表1各油田節(jié)能監(jiān)測(cè)站提供的檢測(cè)報(bào)告統(tǒng)計(jì)表

    本成果的產(chǎn)業(yè)化被列為國(guó)家八六三計(jì)劃重大產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目、國(guó)家級(jí)火炬計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家計(jì)委高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目、科技型中小企業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目和沈陽(yáng)市高新技術(shù)超常發(fā)展“特別快車(chē)”項(xiàng)目。本項(xiàng)目成果獲2000年度遼寧省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和2001年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)：據(jù)中國(guó)石油天然集團(tuán)公司統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各大油田現(xiàn)有抽油機(jī)6萬(wàn)臺(tái)，年生產(chǎn)5000臺(tái)。如原有抽油機(jī)的1/10和新生產(chǎn)的一半換用永磁電機(jī)，則年需8500臺(tái)，產(chǎn)值1.02億元；我國(guó)年生產(chǎn)風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)用電機(jī)2000萬(wàn)kW，如年產(chǎn)永磁電機(jī)100萬(wàn)kW，產(chǎn)值3.5億元。可見(jiàn)此類(lèi)永磁電機(jī)具有廣闊的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

2、高牽入同步能力釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)

該系列電機(jī)為化纖機(jī)械用高科技、高附加值的產(chǎn)品。表2為現(xiàn)已開(kāi)發(fā)6種規(guī)格樣機(jī)及其主要性能。

表2 FTY2 系列化纖機(jī)械永磁同步電動(dòng)機(jī)規(guī)格及主要性能

所開(kāi)發(fā)的FTY2系列化纖機(jī)械釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)比FTY電機(jī)小1～2個(gè)機(jī)座號(hào)，牽入同步能力高，牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)最小提高了81％。