稀土永磁电机及其在船电技术中的应用

稀土永磁电机及其在船电技术中的应用张继鹏所长、总经理

个人简介毕业于哈尔滨工业大学，工学硕士，高级工程师包头市永磁电机研究所所长包头长安永磁电机有限公司总经理中国电气工业学会微电机分会委员

内蒙古自治区永磁电机工程技术研究中心主任包头市永磁电机工程技术研究中心主任内蒙古自治区有突出贡献的中青年专家

内蒙古自治区“草原英才”

包头市“5512”工程科技领军人才张继鹏获得内蒙古科技进步二等奖3项

内蒙古科技进步三等奖1项

包头市科技进步二等奖2项

包头市科技进步三等奖1项

发明、实用新型专利多项

永磁电机概述和特点稀土永磁电机技术发展趋势永磁电机的实际问题及措施稀土永磁电机的船电应用包头长安永磁电机有限公司简介

演讲内容永磁电机的概念在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生磁场。这种方法既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动。另一种是由永磁体来产生磁场。这种方法既可简化电机结构，又可节约能量。由永磁体产生磁场的电机就是永磁电机。永磁电机的特点稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠、体积小、重量轻、效率高以及电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。高性能也是永磁电机的突出优点，有些性能是传统电机所不能及的。例如，数控机床用稀土永磁伺服电机，调速比高达1:10000以上，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‰。在机械特性方而，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，永磁电机还具有运行精度高、运行噪声小、平稳性好、过载能力大等特点。永磁电机的突出优势永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上，专用永磁电机的节电率可高达15%一20%。在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，永磁变频调速节电率高达30%以上。在船电领域，不论是采用电池供电还是柴油发电，电能在行进过程中都有为珍贵。迫切需要更节能、效率更高的电机，而永磁电机就充分满足这样的需求。永磁电机概述和特点稀土永磁电机技术发展趋势永磁电机的实际问题及措施稀土永磁电机的船电应用包头长安永磁电机有限公司简介

演讲内容应用范围不断拓展通过采用先进的数值计算方法及现代电机设计技术，在电磁场、温度场、结构力学有限元分析的基础上进行优化设计，可实现电机的高性能指标，使得电机设计更加精准。磁性材料的发展使得电机的应用范围及领域不断拓宽。目前除了海上霉菌、盐雾等恶劣环境条件外，温度范围已经拓展到-162℃-155℃，冲击加速度达到300g，小功率电机甚至更高。永磁电机得以推广和应用与现代控制理论及电力电子技术的发展密不可分，无论是伺服系统中还是驱动系统中，永磁电机以其高效、高功率因数及宽广的高效区特性将在更多的领域更广的应用。稀土永磁伺服力矩电机是高精度随动、伺服系统中的理想执行元件，具有转速低、转矩脉动小、电磁兼容性好、转矩大、过载能力强等特点，具有结构简单、电机本体可靠性高、免维护等优点。低速平稳性10-4°/s，稳速精度10-6°/s。特殊设计应用——低速伺服·力矩电机高速电机的功率密度较大，转动惯量小，响应快。高速电机通常与所驱动的负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，不但能减小机械噪音，还可以提高传动系统的效率。由于高速电机的内在优越性，高速电机在泵类、飞轮储能、供养系统等舰船领域均有应用。特殊设计应用——高速电机特殊设计应用——车用驱动电机车用驱动电机具有效率高、体积小、质量小、结构简单、免维修、易于冷却和寿命长等优点。该类电机与驱动器配套，采用了弱磁调速或变频调速，调速范围宽，而且能实现低速恒转矩、高速恒功率运转，既保证了宽广的高效区又拓宽了电机的工作范围，很好的满足了电动车辆实际行驶所需的转速特性。由于该类电机自身结构影响，适宜水冷，更加减小了电机体积。电机效率可以达到95%以上，电机系统效率可达到93%以上。特殊设计应用——机电一体化设计从系统的角度来看，机电一体化的设计构想就是使产品具有无与伦比的优越性：网络化、智能化、绿色化、模块化、系统人格化以及微型化等。而机电一体化产品就是自动控制技术、微电子技术、机械技术的有机组合，各个单元被合理正当配置，系统被优化与功能化，可以完成特殊功能，系统是最优化的系统，可以完成所要求的全部任务。电机的机电一体化设计是将驱动系统与电机的本体结构、甚至系统的机械结构设计于一体。特殊设计应用——结构灵活、环境适应性强电机可以根据需要设计成内转、外转等形式，而非传统电机只能内转的结构。另外还可以根据用户的需求设计成对转结构（即双转子），也只有永磁电机可以实现这种结构。形状灵活及高功率密度的实现，可以解决系统中有限空间的高性能要求的实现，散热条件有限尽可能提高电机效率，有些甚至可以直接浸在油、碱等溶液中工作。特殊设计应用——低噪音设计噪音分为机械噪音和电磁噪音，机械噪音由转子的动平衡、旋转结构与空气的摩擦、机械轴承等噪音源构成。针对这些噪音源，在设计时有针对性的采取措施，提高动平衡精度，旋转结构件提高刚性，轴承选择低噪音轴承，将轴承精度提高。电磁噪音主要来源于回路电感、元器件的匹配、载波频率与斩波频率的设定等，冲片槽形和极槽配合的影响。在回路设计时采取相应的措施保证电流的波形，电枢冲片的槽形可以设计为梯形槽，也是半闭口槽，物理气隙尽可能大；该措施的采取一方面减小了磁阻脉动，另一方面减小了谐波损耗，减小了定位力矩，并大大减小了电机噪音。目前也只有永磁电机才能很好地解决电磁噪音与电机体积重量的矛盾关系。特殊设计应用——高功率密度实现永磁电机设计中有许多转子结构可以进一步提高磁负荷，包括表面安装Halbatch磁钢阵列、内置式聚磁结构等。由于表面安装磁钢结构转子结构简单，工艺成熟，更适合应用于低速大力矩永磁电机之中。电、磁负荷的分配，磁密波形的设计，谐波的控制、实现有限体积下损耗的降低，提高其功率密度。永磁电机概述和特点稀土永磁电机技术发展趋势永磁电机的实际问题及措施稀土永磁电机的船电应用包头长安永磁电机有限公司简介

演讲内容最初的永磁电机易出现失磁等故障，其温度适应范围、振动环境等都有严格的限制，造成应用领域非常窄。自1983年稀土永磁材料出现后，电机可靠性大幅提升，但当时的永磁材料稳定工作温度仅有80℃左右。经过近30年材料技术的发展，目前性能已经得到了极大地改善，除永磁体磁能积提高外，稳定工作温度也达到了120-150℃，使得在较高温度下也不会造成永磁体永久失磁，有些特殊牌号的永磁材料的稳定工作温度甚至可达200℃以上。如果设计或使用不当，永磁电机在过高温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。有人认为失磁问题是制约永磁电机广泛应用的瓶颈，其实这是对稀土永磁电机认识不足。永磁电机的失磁问题以我公司从事永磁电机科研生产20余年的经验来看，如果设计合理、措施得当、永磁体工作点选择合理，电机失磁是可以避免的，据有些电机生产厂反应，目前依然会偶有失磁现象出现，经分析，这些故障主要是电机电枢反应退磁能力强，以致于在电机过载条件下造成永磁材料的永久失磁。如果在电机设计过程中，电负荷和磁负荷分配合理，绕组设计时适当降低电枢反应的去磁磁势，基本不会造成失磁。我公司开发的稀土永磁伺服电机的电流过载倍数一般为3-5倍，经特殊设计后，电流过载倍数可以更高，如在我国“远望号”测量船应用的高精度伺服电机电流过载7倍而不失磁。对于另一个人们普遍关心的永磁材料是否会随着时间推移性能下降的问题，我们的应用情况是暂未发现这类情况发生。我们20多年前交付用户某型海岸雷达伺服电机目前仍然正常工作，我想这也许可以给大家提供一点证明和增强对稀土永磁材料的信心。永磁电机的失磁问题

不同永磁体材料的温度系数不同，目前高性能钕铁硼永磁材料N40UH，居里温度一般为310-410℃，Br温度系数为-0.13%K-1，Hc的温度系数为-0.6%K-1。2:17型（R2CO17）钐钴永磁体其最大磁能积与钕铁硼相比较小，但其环境适应性较好，在电机体积和重量要求严格的情况，并不是最好选择。对于测速系统要有针对性的选材，磁能积不是主要矛盾，对于有出力要求的系统，要兼顾环境温度及电机稳定温升，设计选取合适的磁体工作点。永磁电机的温漂问题永磁电机概述和特点稀土永磁电机技术发展趋势永磁电机的实际问题及措施稀土永磁电机的船电应用包头长安永磁电机有限公司简介

演讲内容水下自主航行器稀土永磁无刷水密电机

该类电动机主要应用于深水电动潜航器，用于水下航行器主推进及其各种功能的自动执行机构。我公司研发的电机设计为水密结构，带有双道动、静密封，能够承受较高水压。该型电机用稀土永磁材料励磁，具有能量密度高、效率高、噪音低、反应速度快、过载能力强等特点。自动执行机构的电机为电机与控制器一体化设计，结构简单，安装方便。永磁电机高效及宽广的工作区可以提高系统的续航里程，以我公司开发的某型水下航行器推进电机为例，电机（含驱动器）系统的效率为94%，比另一单位开发的同型产品高出6个百分点，空气中空载噪音为49dB（A级计）。直驱式舰船舵机力矩伺服电机

该随着水面舰船、水下航行器深度和机动性的不断增加，电动舵机系统正向着输出力矩大、响应速度快、功率大、体积小、集成度高、全数字化方向发展。永磁无刷力矩伺服电机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠。我公司研发的ZLW型无刷力矩电机是舰船舵机及随动系统中的理想执行元件，省去了传统的减速机构，直接驱动，具有转速低、转矩大、过载能力强、噪音低等优点。水下自主航行器动力电池循环泵稀土永磁驱动电机

水下自主航行器和鱼雷、水雷等装备均采用电池供电，动力电池内部的驱动电机要求功率密度大、效率高，因其作用重要也被称之为装备的“心脏起搏器”。我公司研发的动力电池循环泵稀土永磁驱动电机主要用于航行器动力电池，驱动电池液体循环泵，保证动力电池正常工作。该型电动机用稀土永磁材料励磁，具有能量密度高，效率高、可靠性高、耐候性好、过载能力强、体积小、重量轻等特点。水下自主航行器用双转子稀土永磁主推电机

近年来随着永磁电机及其控制技术的飞速发展以及船舶吊船概念的提出，利用了永磁同步电动机体积小、重量轻、单位体积下功率密度较大等特点，使得永磁同步电动机能够应用于船舶和水下航行器电力推进系统中。采用永磁同步对转电机的对转螺旋桨推进系统，两个螺旋桨位于同一轴线以同样的转速和转矩反方向旋转，这样两个螺旋桨旋转时共同产生使水下航行器前行的推动力，而它们产生的圆周方向的旋转力矩互相抵消，从而有效避免了中小型水下航行器的侧滚现象。我公司研发的双转子稀土永磁主推电机采用稀土永磁材料励磁，具有体积小、重量轻，效率高、运行平稳等特点。效率可达90%以上，噪音低于同类产品。舰船用永磁无刷高速电机高速电机由于转速较高，电机的功率密度较大，转动惯量小，响应快。高速电机通常与所驱动的负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，不但能减小机械噪音，还可以提高传动系统的效率。由于高速电机的内在优越性，高速电机在泵类、飞轮储能、供养系统等舰船领域均有应用。我公司研发的稀土永磁无刷高速电机最高转速达50000rpm，最大功率达100kW，功率密度可达3.7kW/kg。永磁电机概述和特点稀土永磁电机技术发展趋势永磁电机的实际问题及措施稀土永磁电机的船电应用包头长安永磁电机有限公司简介

演讲内容包头长安永磁电机有限公司前身为包头市永磁电机研究所，1983年成立。2001年改制为包头长安永磁电机有限公司。是中国最早开展稀土永磁电机科研和生产的单位。船用永磁电机设计制造专家公司概况

我公司坐落于包头稀土高新技术产业开发区，是国家级高新技术企业、国家知识产权优势企业、内蒙古自治区科技名牌企业、内蒙古自治区知识产权试点企业、；内蒙古自治区永磁电机工程技术研究中心挂靠在我公司，研发中心被自治区七部门认定为“内蒙古自治区级企业技术中心”。是国家二级保密资格单位，拥有武器装备科研生产许可证，通过了总装备部承制单位资格认证和GJB9001B-2009武器装备质量管理体认证。公司概况我公司研发舰船用永磁电机的历史可追溯到上世纪八十年代，从为“718工程”研制配套永磁电机以来，先后为舰船雷达伺服系统、执行机构、推进系统、电池系统等配套，解决了船电用电机要求功率密度高、效率高、噪音低等特殊要求，满足盐雾、湿热、霉菌等环境需求，经特殊设计可以在高温155℃、低温-162℃的极端环境温度下工作。各型电