稀土永磁电机发展现状与市场预.docx
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稀土永磁电机发展现状与市场预
稀土永磁电机发展现状与市场预测
全国稀土永磁电机协作网
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,因而所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,因而可以制造出数千kW的大中型电机。
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。
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,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,而且省去了电刷和换向器,维护方便。
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。
一、 稀土永磁电机目前情况
1.稀土高效节能电动机
1983年,日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼(NdFeB)永磁,由于磁性能高于其他永磁材料,价格又低于钐钴永磁材料,国内外研究、开发重点从军用转向工业和民用电机上。
1990年西北工业大学与闽东电机厂合作,开发生产0.8kW纺织用同步电动机,效率提高5%,节电率10%,并己形成年产3万台生产能力,但由于纺织业缺少设备改造资金,织布机改造放慢,年产只有400~500台。
“九五”期间,协作网重点开发推广油田抽油机电机,节电率高达15%~20%,已在油田应用,效果良好。
全国已有闽东电机公司、永济电机厂、株洲电机厂、大庆永磁电机制造公司、博通电机厂、延安电机厂、瑞安电机厂、江苏大中电机公司、沈阳博远电机公司、大安市稀土永磁电机公司组织生产,年生产能力已超过10000台,预计2002年生产5000台,150000kW。
钕铁硼用量约45吨。
沈阳工业大学与首钢合作,改造300kW电机,节电率达7.2%,所需投资1年内即可收回。
现己形成小批量生产条件。
沈阳工业大学与沈阳电机厂合作研制出目前国内容量最大的1120kW稀土永磁同步电动机,正在安排使用单位,进行运行试验。
2.电动自行车电机
目前已在翔宇电器公司、卧龙电器公司、凯杰电器公司等工厂生产,年产量约35万台,5.25万kW,年需永磁材料约129吨,自行车产值7亿元。
2003年1~6月份生产12万台。
电动自行车己在全国主要城市建立起销售网点,深受消费者欢迎。
3.数控机床用伺服电机
数控机床用伺服电机,市场潜力很大,据有关部门统计,2001年从国外进口数控机床、加工中心24亿美元,伺服电机是数控机床关键配套产品。
目前生产的单位有兰州电机厂、华中理工大学新型电机厂等,年产量约6200台,需永磁材料4.3吨。
4.微特电机
微特电机应用领域非常广泛,据1998年统计,微电机行业生产企业为420家,职工人数5万人,大部分企业都生产稀土永磁微特电机,但每个工厂生产的品种、数量却不多。
目前生产批量较大的企业有双环全新机电公司、威龙公司、万宝至公司、博山电机厂、西安微电机研究所、长安永磁电机开发公司、21所、兰州电机厂、天丰电器公司、北京微电机总厂、其主要是空心杯电机、步进电机等。
年总产量约2500万台,使用永磁材料13.75吨。
5.纺织及化纤设备配套电机
纺织机械及化纤设备对配套电机除节能的要求外,还要高性能,如高调速精度。
因此传统标准电机,难以满足要求。
目前主要生产单位有渭南纺织机械厂、浙江调速电机厂、闽东电机厂、曙光电机厂,年产量约1万台,0.5万kW,产值1000万元,永磁材料用量6吨。
表1据不完全统计主要生产厂年生产情况
序号
名称
台数(台)
瓦数(万kW)
产值(万元)
永磁材料(吨)
1
高效电机
5000
15
7500
45
2
电动自行车
350000
5.25
70000
129
3
伺服电机
6200
0.62
5000
4.3
4
微特电机
25000000
/
9937
13.75
5
纺织及化纤设备电机
10000
0.5
1000
6
合计
25371200
21.37
93437
198.05
“九五”期间永磁电机的发展很不平衡,有进有退。
其中抽油机用稀土永磁同步电机,发展迅速,现己形成年产1万台以上的生产能力,在油田运行情况良好,取得明显技术经济效益。
电动自行车发展也很迅速,深受使用者欢迎。
现在己在全国各主要城市建立起生产、销售、维修网点。
稀土微特电机发展极为迅速,特别是空心杯电机,产量大幅度增长,价格却成倍下降。
但在摩托车起动电机方面,由于竞争激烈,三角债等方面原因,铁氧体励磁占据上风,博山电机厂、曙光电机厂形成的40万台生产能力,不得不停止生产。
0.8kW纺织专用电机,由于纺织行业不景气,国家强制淘汰部分纺织设备,限制纺织品产量,企业无力投资更换电机,形成闽东电机等厂形成的3万台/年生产能力,不能发挥作用,每年只生产几百台产品。
“九五”期间稀土永磁电机开发应用的几个特点:
1.从主要在试验室开发研制向科研与产业化相结合的方向发展,如油田用抽油机专用电机,电动自行车等。
2.以仿制为主向自行设计、自主创新方向发展,如“九五”期间开发的超高效电机、医疗机械用无刷直流电机、化纤设备用高牵入能力同步电机、高防护性钕铁硼电镀技术等,都拥有自己的知识产权。
3.从以产品研制为主,向产品研制、工艺及装备开发、标准、试验方法规范化方向发展,形成成套技术。
4.从小型电机向大型电机发展,向超微型电机发展,国内最大容量的稀土永磁同步电机为1120kW,空心杯电机外径为φ4mm。
国外微型电机为φ0.8mm,长1.2mm。
二、稀土永磁电机技术发展趋势
1. 向高效节能方向发展
高效是指满载时效率高,节能是指综合节能效果。
如效率相同,但使用对象不同,节电效果也不同。
一般的稀土永磁同步电机,平均节电率高达10%,某些专用稀土永磁同步电机,如油田抽油机用电机,节电率高达15%~20%。
电机节能是一项系统工程,应该从各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、电动机本身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。
例如,根据国家统计局1989年统计,全国各类泵类、风机约有3700多万台,总配套装机容量1.1亿kW,每年耗电量占全国用电量的1/3。
国际先进水平是:
风机、水泵本身运行效率一般在85%以上,系统运行效率是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。
这种状况目前并未改变。
电动机的节能分两个方面。
一方面是改革异步电动机的结构,提高效率和其他性能,异步电动机以其结构简单、价格便宜、适应各种工况条件等优点被广泛应用于工业生产各个领域。
其次是发展永磁同步电动机,可以取得更高的节电效果。
国外提高电动机效率的主要途径,是通过对异步电动机的优化设计,增加铜、铝、电工钢板等有效材料用量,降低绕组损耗和铁耗;采用较好的磁性材料和工艺,以降低铁耗:
合理设计通风结构和选用高性能轴承,降低机械损耗;通过改进设计和工艺,降低杂散损耗,国外己开发出高效异步电机。
美国1992年美国前总统布什签署批准了能源政策法。
按照该法令,自1997年10月24日以后,美国大部分一般效率的电动机不再生产,而只允许生产高效率的电动机。
并提出将电动机推至极限,于2007年生产超高效电动机。
据有关资料介绍,160M-411kW电机,Y系列效率为88%,高效电机为91.8%,超高效电机92.4%,沈阳工业大学开发的超高效稀土永磁电机为94.7%。
欧美等工业发达国家,提高电动机效率重点放在异步电动机上,英国三相异步电动机的用电量占电动机总用电量的86%。
美国和欧盟在37kW以下的电动机台数占总装机台数的95%,所以把节能重点放在异步电动机上是理所当然的。
根据我国国情,高性能的稀土永磁材料已实现产业化,钕铁硼的产量现已居世界第一位,钕铁硼的价格也趋向合理。
计算结果统计资料表明,中小型永磁同步电动机的效率可提高5%,节电率10%,某些专用永磁同步电机节电达15%~20%。
所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势之一。
2.向机电一体化方向发展
要提升传统机电产品的水平,必须紧紧抓住机电一体化这个环节。
实现机电一体化的基础,是发展各种机电一体化需用的各种高性能稀土永磁电机,如数控机床用伺服电机,计算机用VCM音圈电机。
一台60把刀加工中心,要配备30台伺服电机。
变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。
3.向高性能方向发展
现代化装备向电机工业提出各种各样的高性能要求,如军事装备要求提供给各种高性能信号电机,移动电站,自动化装备用伺服系统及电机,航空航天用高性能、高可靠性永磁电机,化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机,数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机,计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。
4.向专用电机方向发展
电机所驱动的负载千变万化,如全部采用通用型电动机,在某些情况下,技术经济很不合理。
因此国外大力发展专用电机,专用电机约占总产量的80%,通用电机占20%。
而我国恰恰相反,专用电机只占20%,通用型电机占80%。
专用电机是根据不同负载特性专门没计的,如油田用抽油机专用稀土永磁电机,节电率高达20%。
这方面的节能潜力很大。
电机工作者不仅要研究电机本身,更应当研究所驱动负载的特性,设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。
5.向轻型化方向发展
航空航天产品,电动车辆、数控机床、计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品等,都对电机提出体积小、重量轻的严格要求。
有些还对产品形状提出要求,如信息产品提出扁平化,世界上最小的电机已达到φ0.8mm,102mm,用于医疗检测。
三、稀土永磁电机发展及产业化设想
根据全面建设小康社会的要求,节约能源是一件大事,特别是石油、电力能源尤为重要。
1、发展稀土永磁电动机
工业生产离不开电动机。
目前正在服役的中小型电动机总安装容量约
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