稀土永磁電機及其在船電技術(shù)中的應用

稀土永磁電機及其在船電技術(shù)中的應用張繼鵬所長、總經(jīng)理

個人簡介畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，工學碩士，高級工程師包頭市永磁電機研究所所長包頭長安永磁電機有限公司總經(jīng)理中國電氣工業(yè)學會微電機分會委員

內(nèi)蒙古自治區(qū)永磁電機工程技術(shù)研究中心主任包頭市永磁電機工程技術(shù)研究中心主任內(nèi)蒙古自治區(qū)有突出貢獻的中青年專家

內(nèi)蒙古自治區(qū)“草原英才”

包頭市“5512”工程科技領軍人才張繼鵬獲得內(nèi)蒙古科技進步二等獎3項

內(nèi)蒙古科技進步三等獎1項

包頭市科技進步二等獎2項

包頭市科技進步三等獎1項

發(fā)明、實用新型專利多項

永磁電機概述和特點稀土永磁電機技術(shù)發(fā)展趨勢永磁電機的實際問題及措施稀土永磁電機的船電應用包頭長安永磁電機有限公司簡介

演講內(nèi)容永磁電機的概念在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場有兩種方法。一種是在電機繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生磁場。這種方法既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動。另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場。這種方法既可簡化電機結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。由永磁體產(chǎn)生磁場的電機就是永磁電機。永磁電機的特點稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠、體積小、重量輕、效率高以及電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。高性能也是永磁電機的突出優(yōu)點，有些性能是傳統(tǒng)電機所不能及的。例如，數(shù)控機床用稀土永磁伺服電機，調(diào)速比高達1:10000以上，永磁電機可以實現(xiàn)精密控制驅(qū)動，轉(zhuǎn)速控制精度可達到0.1‰。在機械特性方而，永磁電機可以實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩運行，可在負載轉(zhuǎn)矩下直接起動。此外，永磁電機還具有運行精度高、運行噪聲小、平穩(wěn)性好、過載能力大等特點。永磁電機的突出優(yōu)勢永磁電機又是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，平均節(jié)電率高達10%以上，專用永磁電機的節(jié)電率可高達15%一20%。在水泵、風機、壓縮機需要無級變頻調(diào)速的場合，永磁變頻調(diào)速節(jié)電率高達30%以上。在船電領域，不論是采用電池供電還是柴油發(fā)電，電能在行進過程中都有為珍貴。迫切需要更節(jié)能、效率更高的電機，而永磁電機就充分滿足這樣的需求。永磁電機概述和特點稀土永磁電機技術(shù)發(fā)展趨勢永磁電機的實際問題及措施稀土永磁電機的船電應用包頭長安永磁電機有限公司簡介

演講內(nèi)容應用范圍不斷拓展通過采用先進的數(shù)值計算方法及現(xiàn)代電機設計技術(shù)，在電磁場、溫度場、結(jié)構(gòu)力學有限元分析的基礎上進行優(yōu)化設計，可實現(xiàn)電機的高性能指標，使得電機設計更加精準。磁性材料的發(fā)展使得電機的應用范圍及領域不斷拓寬。目前除了海上霉菌、鹽霧等惡劣環(huán)境條件外，溫度范圍已經(jīng)拓展到-162℃-155℃，沖擊加速度達到300g，小功率電機甚至更高。永磁電機得以推廣和應用與現(xiàn)代控制理論及電力電子技術(shù)的發(fā)展密不可分，無論是伺服系統(tǒng)中還是驅(qū)動系統(tǒng)中，永磁電機以其高效、高功率因數(shù)及寬廣的高效區(qū)特性將在更多的領域更廣的應用。稀土永磁伺服力矩電機是高精度隨動、伺服系統(tǒng)中的理想執(zhí)行元件，具有轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩脈動小、電磁兼容性好、轉(zhuǎn)矩大、過載能力強等特點，具有結(jié)構(gòu)簡單、電機本體可靠性高、免維護等優(yōu)點。低速平穩(wěn)性10-4°/s，穩(wěn)速精度10-6°/s。特殊設計應用——低速伺服·力矩電機高速電機的功率密度較大，轉(zhuǎn)動慣量小，響應快。高速電機通常與所驅(qū)動的負載直接相連，省去了傳統(tǒng)的機械變速裝置，不但能減小機械噪音，還可以提高傳動系統(tǒng)的效率。由于高速電機的內(nèi)在優(yōu)越性，高速電機在泵類、飛輪儲能、供養(yǎng)系統(tǒng)等艦船領域均有應用。特殊設計應用——高速電機特殊設計應用——車用驅(qū)動電機車用驅(qū)動電機具有效率高、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、免維修、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點。該類電機與驅(qū)動器配套，采用了弱磁調(diào)速或變頻調(diào)速，調(diào)速范圍寬，而且能實現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率運轉(zhuǎn)，既保證了寬廣的高效區(qū)又拓寬了電機的工作范圍，很好的滿足了電動車輛實際行駛所需的轉(zhuǎn)速特性。由于該類電機自身結(jié)構(gòu)影響，適宜水冷，更加減小了電機體積。電機效率可以達到95%以上，電機系統(tǒng)效率可達到93%以上。特殊設計應用——機電一體化設計從系統(tǒng)的角度來看，機電一體化的設計構(gòu)想就是使產(chǎn)品具有無與倫比的優(yōu)越性：網(wǎng)絡化、智能化、綠色化、模塊化、系統(tǒng)人格化以及微型化等。而機電一體化產(chǎn)品就是自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)、機械技術(shù)的有機組合，各個單元被合理正當配置，系統(tǒng)被優(yōu)化與功能化，可以完成特殊功能，系統(tǒng)是最優(yōu)化的系統(tǒng)，可以完成所要求的全部任務。電機的機電一體化設計是將驅(qū)動系統(tǒng)與電機的本體結(jié)構(gòu)、甚至系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設計于一體。特殊設計應用——結(jié)構(gòu)靈活、環(huán)境適應性強電機可以根據(jù)需要設計成內(nèi)轉(zhuǎn)、外轉(zhuǎn)等形式，而非傳統(tǒng)電機只能內(nèi)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。另外還可以根據(jù)用戶的需求設計成對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（即雙轉(zhuǎn)子），也只有永磁電機可以實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。形狀靈活及高功率密度的實現(xiàn)，可以解決系統(tǒng)中有限空間的高性能要求的實現(xiàn)，散熱條件有限盡可能提高電機效率，有些甚至可以直接浸在油、堿等溶液中工作。特殊設計應用——低噪音設計噪音分為機械噪音和電磁噪音，機械噪音由轉(zhuǎn)子的動平衡、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與空氣的摩擦、機械軸承等噪音源構(gòu)成。針對這些噪音源，在設計時有針對性的采取措施，提高動平衡精度，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件提高剛性，軸承選擇低噪音軸承，將軸承精度提高。電磁噪音主要來源于回路電感、元器件的匹配、載波頻率與斬波頻率的設定等，沖片槽形和極槽配合的影響。在回路設計時采取相應的措施保證電流的波形，電樞沖片的槽形可以設計為梯形槽，也是半閉口槽，物理氣隙盡可能大；該措施的采取一方面減小了磁阻脈動，另一方面減小了諧波損耗，減小了定位力矩，并大大減小了電機噪音。目前也只有永磁電機才能很好地解決電磁噪音與電機體積重量的矛盾關(guān)系。特殊設計應用——高功率密度實現(xiàn)永磁電機設計中有許多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以進一步提高磁負荷，包括表面安裝Halbatch磁鋼陣列、內(nèi)置式聚磁結(jié)構(gòu)等。由于表面安裝磁鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，工藝成熟，更適合應用于低速大力矩永磁電機之中。電、磁負荷的分配，磁密波形的設計，諧波的控制、實現(xiàn)有限體積下?lián)p耗的降低，提高其功率密度。永磁電機概述和特點稀土永磁電機技術(shù)發(fā)展趨勢永磁電機的實際問題及措施稀土永磁電機的船電應用包頭長安永磁電機有限公司簡介

演講內(nèi)容最初的永磁電機易出現(xiàn)失磁等故障，其溫度適應范圍、振動環(huán)境等都有嚴格的限制，造成應用領域非常窄。自1983年稀土永磁材料出現(xiàn)后，電機可靠性大幅提升，但當時的永磁材料穩(wěn)定工作溫度僅有80℃左右。經(jīng)過近30年材料技術(shù)的發(fā)展，目前性能已經(jīng)得到了極大地改善，除永磁體磁能積提高外，穩(wěn)定工作溫度也達到了120-150℃，使得在較高溫度下也不會造成永磁體永久失磁，有些特殊牌號的永磁材料的穩(wěn)定工作溫度甚至可達200℃以上。如果設計或使用不當，永磁電機在過高溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應作用下有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。有人認為失磁問題是制約永磁電機廣泛應用的瓶頸，其實這是對稀土永磁電機認識不足。永磁電機的失磁問題以我公司從事永磁電機科研生產(chǎn)20余年的經(jīng)驗來看，如果設計合理、措施得當、永磁體工作點選擇合理，電機失磁是可以避免的，據(jù)有些電機生產(chǎn)廠反應，目前依然會偶有失磁現(xiàn)象出現(xiàn)，經(jīng)分析，這些故障主要是電機電樞反應退磁能力強，以致于在電機過載條件下造成永磁材料的永久失磁。如果在電機設計過程中，電負荷和磁負荷分配合理，繞組設計時適當降低電樞反應的去磁磁勢，基本不會造成失磁。我公司開發(fā)的稀土永磁伺服電機的電流過載倍數(shù)一般為3-5倍，經(jīng)特殊設計后，電流過載倍數(shù)可以更高，如在我國“遠望號”測量船應用的高精度伺服電機電流過載7倍而不失磁。對于另一個人們普遍關(guān)心的永磁材料是否會隨著時間推移性能下降的問題，我們的應用情況是暫未發(fā)現(xiàn)這類情況發(fā)生。我們20多年前交付用戶某型海岸雷達伺服電機目前仍然正常工作，我想這也許可以給大家提供一點證明和增強對稀土永磁材料的信心。永磁電機的失磁問題

不同永磁體材料的溫度系數(shù)不同，目前高性能釹鐵硼永磁材料N40UH，居里溫度一般為310-410℃，Br溫度系數(shù)為-0.13%K-1，Hc的溫度系數(shù)為-0.6%K-1。2:17型（R2CO17）釤鈷永磁體其最大磁能積與釹鐵硼相比較小，但其環(huán)境適應性較好，在電機體積和重量要求嚴格的情況，并不是最好選擇。對于測速系統(tǒng)要有針對性的選材，磁能積不是主要矛盾，對于有出力要求的系統(tǒng)，要兼顧環(huán)境溫度及電機穩(wěn)定溫升，設計選取合適的磁體工作點。永磁電機的溫漂問題永磁電機概述和特點稀土永磁電機技術(shù)發(fā)展趨勢永磁電機的實際問題及措施稀土永磁電機的船電應用包頭長安永磁電機有限公司簡介

演講內(nèi)容水下自主航行器稀土永磁無刷水密電機

該類電動機主要應用于深水電動潛航器，用于水下航行器主推進及其各種功能的自動執(zhí)行機構(gòu)。我公司研發(fā)的電機設計為水密結(jié)構(gòu)，帶有雙道動、靜密封，能夠承受較高水壓。該型電機用稀土永磁材料勵磁，具有能量密度高、效率高、噪音低、反應速度快、過載能力強等特點。自動執(zhí)行機構(gòu)的電機為電機與控制器一體化設計，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。永磁電機高效及寬廣的工作區(qū)可以提高系統(tǒng)的續(xù)航里程，以我公司開發(fā)的某型水下航行器推進電機為例，電機（含驅(qū)動器）系統(tǒng)的效率為94%，比另一單位開發(fā)的同型產(chǎn)品高出6個百分點，空氣中空載噪音為49dB（A級計）。直驅(qū)式艦船舵機力矩伺服電機

該隨著水面艦船、水下航行器深度和機動性的不斷增加，電動舵機系統(tǒng)正向著輸出力矩大、響應速度快、功率大、體積小、集成度高、全數(shù)字化方向發(fā)展。永磁無刷力矩伺服電機不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。我公司研發(fā)的ZLW型無刷力矩電機是艦船舵機及隨動系統(tǒng)中的理想執(zhí)行元件，省去了傳統(tǒng)的減速機構(gòu)，直接驅(qū)動，具有轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、噪音低等優(yōu)點。水下自主航行器動力電池循環(huán)泵稀土永磁驅(qū)動電機

水下自主航行器和魚雷、水雷等裝備均采用電池供電，動力電池內(nèi)部的驅(qū)動電機要求功率密度大、效率高，因其作用重要也被稱之為裝備的“心臟起搏器”。我公司研發(fā)的動力電池循環(huán)泵稀土永磁驅(qū)動電機主要用于航行器動力電池，驅(qū)動電池液體循環(huán)泵，保證動力電池正常工作。該型電動機用稀土永磁材料勵磁，具有能量密度高，效率高、可靠性高、耐候性好、過載能力強、體積小、重量輕等特點。水下自主航行器用雙轉(zhuǎn)子稀土永磁主推電機

近年來隨著永磁電機及其控制技術(shù)的飛速發(fā)展以及船舶吊船概念的提出，利用了永磁同步電動機體積小、重量輕、單位體積下功率密度較大等特點，使得永磁同步電動機能夠應用于船舶和水下航行器電力推進系統(tǒng)中。采用永磁同步對轉(zhuǎn)電機的對轉(zhuǎn)螺旋槳推進系統(tǒng)，兩個螺旋槳位于同一軸線以同樣的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反方向旋轉(zhuǎn)，這樣兩個螺旋槳旋轉(zhuǎn)時共同產(chǎn)生使水下航行器前行的推動力，而它們產(chǎn)生的圓周方向的旋轉(zhuǎn)力矩互相抵消，從而有效避免了中小型水下航行器的側(cè)滾現(xiàn)象。我公司研發(fā)的雙轉(zhuǎn)子稀土永磁主推電機采用稀土永磁材料勵磁，具有體積小、重量輕，效率高、運行平穩(wěn)等特點。效率可達90%以上，噪音低于同類產(chǎn)品。艦船用永磁無刷高速電機高速電機由于轉(zhuǎn)速較高，電機的功率密度較大，轉(zhuǎn)動慣量小，響應快。高速電機通常與所驅(qū)動的負載直接相連，省去了傳統(tǒng)的機械變速裝置，不但能減小機械噪音，還可以提高傳動系統(tǒng)的效率。由于高速電機的內(nèi)在優(yōu)越性，高速電機在泵類、飛輪儲能、供養(yǎng)系統(tǒng)等艦船領域均有應用。我公司研發(fā)的稀土永磁無刷高速電機最高轉(zhuǎn)速達50000rpm，最大功率達100kW，功率密度可達3.7kW/kg。永磁電機概述和特點稀土永磁電機技術(shù)發(fā)展趨勢永磁電機的實際問題及措施稀土永磁電機的船電應用包頭長安永磁電機有限公司簡介

演講內(nèi)容包頭長安永磁電機有限公司前身為包頭市永磁電機研究所，1983年成立。2001年改制為包頭長安永磁電機有限公司。是中國最早開展稀土永磁電機科研和生產(chǎn)的單位。船用永磁電機設計制造專家公司概況

我公司坐落于包頭稀土高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，是國家級高新技術(shù)企業(yè)、國家知識產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢企業(yè)、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技名牌企業(yè)、內(nèi)蒙古自治區(qū)知識產(chǎn)權(quán)試點企業(yè)、；內(nèi)蒙古自治區(qū)永磁電機工程技術(shù)研究中心掛靠在我公司，研發(fā)中心被自治區(qū)七部門認定為“內(nèi)蒙古自治區(qū)級企業(yè)技術(shù)中心”。是國家二級保密資格單位，擁有武器裝備科研生產(chǎn)許可證，通過了總裝備部承制單位資格認證和GJB9001B-2009武器裝備質(zhì)量管理體認證。公司概況我公司研發(fā)艦船用永磁電機的歷史可追溯到上世紀八十年代，從為“718工程”研制配套永磁電機以來，先后為艦船雷達伺服系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、推進系統(tǒng)、電池系統(tǒng)等配套，解決了船電用電機要求功率密度高、效率高、噪音低等特殊要求，滿足鹽霧、濕熱、霉菌等環(huán)境需求，經(jīng)特殊設計可以在高溫155℃、低溫-162℃的極端環(huán)境溫度下工作。各型電