稀土永磁材料及其在直線電機(jī)中的應(yīng)用展望

1、本文1996年12月10日收到煤炭科學(xué)基金項(xiàng)目(94電10817綜述稀土永磁材料及其在直線電機(jī)中的應(yīng)用展望焦留成禹沛禹涓(焦作工學(xué)院焦作454000(焦作教育學(xué)院焦作454151(焦作工學(xué)院焦作454000Prospects for Rare -earth Permanent Magnet Materials andtheir Application in Linear MotorsJ iao L iucheng(Jiaozuo Institute of T echnolo gy , Jiaozuo 454000 Yu P ei(Jiaozuo Educational Colleg e , J

2、iao zuo 454151Yu J uan(Jiaozuo Institute of T echno logy , Jiaozuo 454000【摘要】介紹了稀土永磁材料的發(fā)展、磁性能及其在直線電機(jī)中的應(yīng)用, 指出稀土永磁直線電機(jī)將成為直線電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向?！娟P(guān)鍵詞】稀土永磁材料直線電機(jī)永磁直線電機(jī)【Abst ract 】Rar e -ear th perma nentmagnetmater ials' development, per for mance and applicatio n in lin-ear mo tor s is intr oduced. Rar e -e

3、art h per manent magnet linear mo to rs w ill be an impo rtant dev elo pment t rend of linear mo tor s .【Keywords 】rar e -eart h permanent magnet mater i-als linear moto rs perma nent mag net linear mo tor s1前言稀土永磁材料以其優(yōu)異的磁性能得到了廣泛的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。其中釹鐵硼永磁材料尤以價(jià)格相對(duì)低廉, 日益成為應(yīng)用最廣泛的稀土永磁材料。在釹鐵硼永磁材料中, 將近40%被用于電機(jī)行業(yè)。由于直線

4、電機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大, 稀土永磁材料在直線電機(jī)方面的應(yīng)用也日益受到重視。稀土永磁材料在直線電機(jī)方面的應(yīng)用, 有著廣闊的前景。2稀土永磁材料2. 1稀土永磁材料的發(fā)展永磁材料屬基礎(chǔ)材料, 目前有鋁鎳鈷金屬永磁, 鐵氧體永磁和稀土永磁三大類。稀土永磁是稀土元素(鑭、鐠、釔、釤、鎬 與鐵族元素的金屬間化合物。第一代稀土永磁合金(SmCo 5 誕生于60年代后期, 70年代第二代稀土永磁合金(Sm 2Co 17 問(wèn)世。這兩種永磁材料雖然磁性能好, 但釤與鈷價(jià)格昂貴, 限制了它們的應(yīng)用。1983年6月, 日本住友特殊金屬公司制成了第三代稀土永磁合金(NdFeB 。釹鐵硼永磁材料具有優(yōu)異的磁性能, 同時(shí)

5、由于釹資源豐富, 又以廉價(jià)的鐵代替鈷, 所以其價(jià)格相對(duì)低廉, 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng), 便于推廣應(yīng)用。釹鐵硼永磁材料的問(wèn)世被列為1983年世界十大重要科技成果之一。2. 2釹鐵硼永磁材料的磁性能釹鐵硼永磁材料的磁性能優(yōu)異, 兼有鋁鎳鈷和鐵氧體永磁的優(yōu)點(diǎn), 具有很高的剩磁和矯頑力, 以及很大的磁能積。目前, 常用的稀土永磁材料的磁能積, Sm Co 5為127. 36183. 08kJ/m 3, 試驗(yàn)最高值達(dá)227. 7kJ/m 3; Sm 2Co 17為159. 2238. 8kJ/m 3, 試驗(yàn)最高值達(dá)263kJ /m 3, NdFeB 為238. 8318. 4kJ /m 3; 試驗(yàn)最高值415.

6、5kJ /m 3。在各種永磁材料中, 釹鐵硼的磁能積最高, 其最大磁能積比鋁鎳鈷的大58倍, 比鐵氧體大1015倍, 在同樣的有效體積下, 比電勵(lì)磁的大58倍, 僅次于超導(dǎo)勵(lì)磁。釹鐵硼磁鋼的剩磁B r 和矯頑力H c 均很高。商品釹鐵硼的B r 為1. 021. 25T , 最高可達(dá)14. 8T , 約是鐵氧體永磁的35倍, 約是鋁鎳鈷永磁的12倍。商品釹鐵硼的磁感應(yīng)矯頑力H CB 為764. 2915kA/m , 內(nèi)稟矯頑力H CM 為8761671. 6kA /m , 最高可達(dá)2244. 7kA /m , 相當(dāng)于鐵氧體的510倍, 鑄造鋁鎳鈷的515倍。各種永磁材料的2性能比較如下表所示。

7、各永磁材料性能比較表性能鐵氧體鋁鎳鈷S mCo 5S m 2Co 17NdFeB 剩磁(T 0. 441. 150. 901. 121. 25磁感應(yīng)矯頑力222. 8127. 4636. 8533. 3796. 0(kA /m 內(nèi)稟矯頑力230. 8127. 41194. 0549. 2875. 6(kA /m 最大磁能積36. 687. 6143. 3246. 7286. 5(kJ /m 3 密度(g /cm 3 5. 07. 38. 48. 47. 4居里點(diǎn)( 450800740820312磁溫度系數(shù)-0. 19-0. 02-0. 04-0. 03-0. 126(%/使用溫度(200500

8、250350130釹鐵硼磁鋼還具有線性去磁曲線, 其去磁曲線與回復(fù)曲線基本重合, 內(nèi)稟矯頑力高, 內(nèi)稟特性硬, 抗去磁能力強(qiáng), 熱穩(wěn)定性能好。各永磁材料的去磁曲線比較如圖1所示。 1、2. 稀土永磁; 3、4. 鋁鎳鈷永磁; 5. 鐵氧體永磁圖1三種永磁材料的去磁曲線3稀土永磁材料在直線電機(jī)中的應(yīng)用釹鐵硼永磁材料自問(wèn)世以來(lái), 就以其優(yōu)異的磁性能被愈來(lái)愈多地應(yīng)用于各類電機(jī)中。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)釹鐵硼永磁電機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)做了大量的工作, 初步顯示出釹鐵硼電機(jī)良好的應(yīng)用前景。3. 1稀土永磁直線電機(jī)的特點(diǎn) 稀土永磁直線電機(jī)不僅具有永磁電機(jī)的特點(diǎn), 且兼有直線電機(jī)的性能。作為永磁電機(jī), 它不需要電

9、激磁, 省去了激磁線圈, 不存在激磁損耗, 能提高電機(jī)的效率, 降低電機(jī)的溫升。同時(shí)釹鐵硼永磁具有強(qiáng)磁力和高矯頑力, 有高的磁動(dòng)勢(shì)和氣隙磁密度, 在減小電機(jī)體積和重量的同時(shí)可增加電機(jī)的出力。作為直線電機(jī), 它省去中間傳動(dòng)裝置, 使運(yùn)行更加可靠, 另外還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、適用于特殊場(chǎng)合等特點(diǎn)。稀土永磁直線電機(jī)與普通同步直線電機(jī)相比較, 有以下特點(diǎn)。(1 稀土永磁直線電機(jī)更為耐用。直線電機(jī)在發(fā)生加速及減速時(shí), 具有大的加速度和減速度, 而釹鐵硼永磁材料性能穩(wěn)定, 能抗壓達(dá)196M Pa, 使電機(jī)更適于高速運(yùn)行。(2 稀土永磁直線電機(jī)中用永磁體代替電勵(lì)磁, 使直線電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單, 電氣控制簡(jiǎn)

10、便。(3 釹鐵硼永磁的去磁曲線為直線, 可改善直線同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能, 并使電機(jī)有較高的穩(wěn)定工作點(diǎn)。3. 2稀土永磁在直線電機(jī)中的應(yīng)用近二十年來(lái), 高速磁懸浮列車的理論研究與實(shí)踐迅速發(fā)展, 磁懸浮列車的推進(jìn)系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)主要采用直線同步電動(dòng)機(jī)。在直線電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用稀土永磁材料不僅可節(jié)約大量的電能, 而且勵(lì)磁結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。釹鐵硼永磁直線同步電動(dòng)機(jī)一般采用如圖2或圖3所示的結(jié)構(gòu)。磁懸浮列車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也可采用永磁式開(kāi)關(guān)直線電機(jī), 用位置傳感器來(lái)控制電機(jī)電樞繞組的通斷, 也能工作在同步狀態(tài), 電機(jī)運(yùn)行效率很高, 但由于要在軌道上鋪設(shè)大量?jī)r(jià)格昂貴的永磁體, 這種電機(jī)不切合實(shí)際。隨著釹鐵硼永磁材料的大量開(kāi)

11、發(fā)和應(yīng)用, 其價(jià)格會(huì)不斷降低, 從而使得這種電機(jī)在磁懸浮列車中的應(yīng)用也成為可能。1. 初級(jí)繞組; 2. 永磁體; 3. 非磁性絕緣墊片; 4. 實(shí)鐵心圖21. 實(shí)鐵心; 2. 永磁體; 3. 迭片軌道圖390年代初, 國(guó)外提出了“直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的提升系統(tǒng)”的構(gòu)思, 其動(dòng)力源就是采用永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)。目前, 日本和美國(guó)在高層建筑電梯方面進(jìn)行了永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的初步研究。國(guó)內(nèi)也首次提出了“永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的礦井提升系統(tǒng)”課題, 所選用的永磁材料是磁性能優(yōu)異的釹鐵硼永磁。此課題已獲煤炭部“煤炭科學(xué)基金”及煤炭部“九五”攻關(guān)項(xiàng)目資助。“直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的提升系統(tǒng)”完全不同于傳統(tǒng)的提升

12、模式, 有許多重大的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái), 直線電機(jī)作為工廠自動(dòng)化機(jī)器和辦公室自動(dòng)化機(jī)器等的驅(qū)動(dòng)源在直接高速傳動(dòng)方面的應(yīng)用也日益廣泛。其中直線脈沖電機(jī)廣泛地應(yīng)用于打印機(jī)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、XY 繪圖儀等。在直線脈沖電機(jī)中采用釹鐵硼永磁材料代替鐵氧體永磁, 利用釹鐵硼永磁的高性能, 可使直線電機(jī)體積更小, 推力更大, 并使整個(gè)系統(tǒng)變得十分簡(jiǎn)單。稀土永磁在直流直線電機(jī)中也得到了應(yīng)用, 稀土永磁無(wú)刷直流直線電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于航天飛行器中。這種電動(dòng)機(jī)不僅具有直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性能, 而且具有直線電機(jī)運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。用稀土永磁電機(jī)為核心的交流伺服系統(tǒng)可取代液壓系統(tǒng), 可直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)載炮塔。稀土永磁無(wú)刷直流直線電動(dòng)機(jī)有可

13、能會(huì)取代液壓驅(qū)動(dòng)裝置, 這種驅(qū)動(dòng)裝置能很方便地實(shí)現(xiàn)余度控制, 性能優(yōu)于液壓系統(tǒng)。4結(jié)語(yǔ)稀土永磁材料的開(kāi)發(fā)推動(dòng)了直線電機(jī)的發(fā)展,稀土永磁直線電機(jī)以其推力大、效率高、重量輕、體積小、性能好、電機(jī)運(yùn)行可靠、適用于特殊環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)日益受到人們重視, 發(fā)展稀土永磁直線電機(jī)將成為電機(jī)發(fā)展的又一重要方向。我國(guó)是稀土大國(guó), 占世界稀土資源總儲(chǔ)量的80%, 在開(kāi)發(fā)釹鐵硼永磁方面具有得天獨(dú)厚的條件。同時(shí)我國(guó)又是世界上第三個(gè)生產(chǎn)釹鐵硼的國(guó)家, 目前對(duì)釹鐵硼永磁的研制居世界領(lǐng)先地位。在直線電機(jī)方面我國(guó)也取得了一些卓有成效的應(yīng)用成果。資源優(yōu)勢(shì)與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合, 必將促進(jìn)我國(guó)稀土永磁直線電機(jī)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)1王淦緒. 釹鐵

14、硼永磁及其在電機(jī)中的應(yīng)用動(dòng)向. 微電機(jī), 1993(3 .2蔣宗榮, 李鐘明. 稀土永磁發(fā)電機(jī)及其磁場(chǎng)的有限元分析. 航空科技文摘, 1983.3Syed A. Nas ar and I. Boldea. Linear electric motors(theory, de-sign , and practical applications . Prentice-Hall, Inc. , 1987. . 4陳貴榮、尹力明. 用于磁懸浮列車直線驅(qū)動(dòng)的新型開(kāi)關(guān)磁阻式直線電機(jī). 微特電機(jī), 1992(4 .5喬忠壽. 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的礦井提升系統(tǒng). 煤炭科學(xué)技術(shù), 1992(12 .6鄧仲光, 行武奇.

15、 無(wú)繩直線驅(qū)動(dòng)電梯. 中國(guó)電梯, 1992(2 . 7T ak afumi KOSEKI, S atoru SONE. Basic s tu dy on a linear syn-ch ronous motor w ith permanen t magnets for vertical trans-portation (in Japan ese . LD-93-89.第一作者簡(jiǎn)介:焦留成, 男, 1950年, 教授. Jiao Liuch eng, m ale, born in 1950, profess or.(上接第5頁(yè) 三相盤(pán)式永磁同步電動(dòng)機(jī), 討論了其設(shè)計(jì)特點(diǎn), 詳細(xì)推導(dǎo)了均布的轉(zhuǎn)子鼠

16、籠繞組參數(shù)在d 、q 坐標(biāo)中的折算, 其結(jié)論適用于傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)。樣機(jī)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果較為接近, 說(shuō)明文中提出的CAD 是適用的。三相盤(pán)式永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)合了盤(pán)式異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn), 在某種場(chǎng)合中, 有良好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1Chan C C. Axial Field E lectrical M ach inesDesign and Appli-cations. IEEE T rans. on EC 2, No. 2, J une 1987.2勵(lì)鶴鳴, 勵(lì)慶孚. 電磁減速式電動(dòng)機(jī). 北京機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.3勵(lì)鶴鳴, 吳凱, 郭芳. 三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能分析. 微特電機(jī),