稀土永磁電機(jī)及其在船電技術(shù)中的應(yīng)用

稀土永磁電機(jī)及其在船電技術(shù)中的應(yīng)用張繼鵬所長(zhǎng)、總經(jīng)理

個(gè)人簡(jiǎn)介畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師包頭市永磁電機(jī)研究所所長(zhǎng)包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司總經(jīng)理中國(guó)電氣工業(yè)學(xué)會(huì)微電機(jī)分會(huì)委員

內(nèi)蒙古自治區(qū)永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心主任包頭市永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心主任內(nèi)蒙古自治區(qū)有突出貢獻(xiàn)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(lǐng)軍人才張繼鵬獲得內(nèi)蒙古科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng)

內(nèi)蒙古科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)

包頭市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)

包頭市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)

發(fā)明、實(shí)用新型專利多項(xiàng)

永磁電機(jī)概述和特點(diǎn)稀土永磁電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)永磁電機(jī)的實(shí)際問題及措施稀土永磁電機(jī)的船電應(yīng)用包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司簡(jiǎn)介

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

演講內(nèi)容應(yīng)用范圍不斷拓展通過采用先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法及現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，在電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能指標(biāo)，使得電機(jī)設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)。磁性材料的發(fā)展使得電機(jī)的應(yīng)用范圍及領(lǐng)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(dá)到300g，小功率電機(jī)甚至更高。永磁電機(jī)得以推廣和應(yīng)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(dòng)系統(tǒng)中，永磁電機(jī)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(lǐng)域更廣的應(yīng)用。稀土永磁伺服力矩電機(jī)是高精度隨動(dòng)、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(dòng)小、電磁兼容性好、轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電機(jī)本體可靠性高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。低速平穩(wěn)性10-4°/s，穩(wěn)速精度10-6°/s。特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用——低速伺服·力矩電機(jī)高速電機(jī)的功率密度較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快。高速電機(jī)通常與所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載直接相連，省去了傳統(tǒng)的機(jī)械變速裝置，不但能減小機(jī)械噪音，還可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。由于高速電機(jī)的內(nèi)在優(yōu)越性，高速電機(jī)在泵類、飛輪儲(chǔ)能、供養(yǎng)系統(tǒng)等艦船領(lǐng)域均有應(yīng)用。特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用——高速電機(jī)特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用——車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維修、易于冷卻和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。該類電機(jī)與驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)，既保證了寬廣的高效區(qū)又拓寬了電機(jī)的工作范圍，很好的滿足了電動(dòng)車輛實(shí)際行駛所需的轉(zhuǎn)速特性。由于該類電機(jī)自身結(jié)構(gòu)影響，適宜水冷，更加減小了電機(jī)體積。電機(jī)效率可以達(dá)到95%以上，電機(jī)系統(tǒng)效率可達(dá)到93%以上。特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用——機(jī)電一體化設(shè)計(jì)從系統(tǒng)的角度來看，機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)構(gòu)想就是使產(chǎn)品具有無與倫比的優(yōu)越性：網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化、模塊化、系統(tǒng)人格化以及微型化等。而機(jī)電一體化產(chǎn)品就是自動(dòng)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的有機(jī)組合，各個(gè)單元被合理正當(dāng)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(wù)。電機(jī)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)是將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)、甚至系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)于一體。特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用——結(jié)構(gòu)靈活、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)電機(jī)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成內(nèi)轉(zhuǎn)、外轉(zhuǎn)等形式，而非傳統(tǒng)電機(jī)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(shè)計(jì)成對(duì)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（即雙轉(zhuǎn)子），也只有永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。形狀靈活及高功率密度的實(shí)現(xiàn)，可以解決系統(tǒng)中有限空間的高性能要求的實(shí)現(xiàn)，散熱條件有限盡可能提高電機(jī)效率，有些甚至可以直接浸在油、堿等溶液中工作。特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用——低噪音設(shè)計(jì)噪音分為機(jī)械噪音和電磁噪音，機(jī)械噪音由轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與空氣的摩擦、機(jī)械軸承等噪音源構(gòu)成。針對(duì)這些噪音源，在設(shè)計(jì)時(shí)有針對(duì)性的采取措施，提高動(dòng)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(shè)定等，沖片槽形和極槽配合的影響。在回路設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)的措施保證電流的波形，電樞沖片的槽形可以設(shè)計(jì)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(dòng)，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(jī)噪音。目前也只有永磁電機(jī)才能很好地解決電磁噪音與電機(jī)體積重量的矛盾關(guān)系。特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用——高功率密度實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中有許多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高磁負(fù)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(jiǎn)單，工藝成熟，更適合應(yīng)用于低速大力矩永磁電機(jī)之中。電、磁負(fù)荷的分配，磁密波形的設(shè)計(jì)，諧波的控制、實(shí)現(xiàn)有限體積下?lián)p耗的降低，提高其功率密度。永磁電機(jī)概述和特點(diǎn)稀土永磁電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)永磁電機(jī)的實(shí)際問題及措施稀土永磁電機(jī)的船電應(yīng)用包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司簡(jiǎn)介

演講內(nèi)容最初的永磁電機(jī)易出現(xiàn)失磁等故障，其溫度適應(yīng)范圍、振動(dòng)環(huán)境等都有嚴(yán)格的限制，造成應(yīng)用領(lǐng)域非常窄。自1983年稀土永磁材料出現(xiàn)后，電機(jī)可靠性大幅提升，但當(dāng)時(shí)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(dá)到了120-150℃，使得在較高溫度下也不會(huì)造成永磁體永久失磁，有些特殊牌號(hào)的永磁材料的穩(wěn)定工作溫度甚至可達(dá)200℃以上。如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過高溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無法使用。有人認(rèn)為失磁問題是制約永磁電機(jī)廣泛應(yīng)用的瓶頸，其實(shí)這是對(duì)稀土永磁電機(jī)認(rèn)識(shí)不足。永磁電機(jī)的失磁問題以我公司從事永磁電機(jī)科研生產(chǎn)20余年的經(jīng)驗(yàn)來看，如果設(shè)計(jì)合理、措施得當(dāng)、永磁體工作點(diǎn)選擇合理，電機(jī)失磁是可以避免的，據(jù)有些電機(jī)生產(chǎn)廠反應(yīng)，目前依然會(huì)偶有失磁現(xiàn)象出現(xiàn)，經(jīng)分析，這些故障主要是電機(jī)電樞反應(yīng)退磁能力強(qiáng)，以致于在電機(jī)過載條件下造成永磁材料的永久失磁。如果在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，電負(fù)荷和磁負(fù)荷分配合理，繞組設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)降低電樞反應(yīng)的去磁磁勢(shì)，基本不會(huì)造成失磁。我公司開發(fā)的稀土永磁伺服電機(jī)的電流過載倍數(shù)一般為3-5倍，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)后，電流過載倍數(shù)可以更高，如在我國(guó)“遠(yuǎn)望號(hào)”測(cè)量船應(yīng)用的高精度伺服電機(jī)電流過載7倍而不失磁。對(duì)于另一個(gè)人們普遍關(guān)心的永磁材料是否會(huì)隨著時(shí)間推移性能下降的問題，我們的應(yīng)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(dá)伺服電機(jī)目前仍然正常工作，我想這也許可以給大家提供一點(diǎn)證明和增強(qiáng)對(duì)稀土永磁材料的信心。永磁電機(jī)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(yīng)性較好，在電機(jī)體積和重量要求嚴(yán)格的情況，并不是最好選擇。對(duì)于測(cè)速系統(tǒng)要有針對(duì)性的選材，磁能積不是主要矛盾，對(duì)于有出力要求的系統(tǒng)，要兼顧環(huán)境溫度及電機(jī)穩(wěn)定溫升，設(shè)計(jì)選取合適的磁體工作點(diǎn)。永磁電機(jī)的溫漂問題永磁電機(jī)概述和特點(diǎn)稀土永磁電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)永磁電機(jī)的實(shí)際問題及措施稀土永磁電機(jī)的船電應(yīng)用包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司簡(jiǎn)介

演講內(nèi)容水下自主航行器稀土永磁無刷水密電機(jī)

該類電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于深水電動(dòng)潛航器，用于水下航行器主推進(jìn)及其各種功能的自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。我公司研發(fā)的電機(jī)設(shè)計(jì)為水密結(jié)構(gòu)，帶有雙道動(dòng)、靜密封，能夠承受較高水壓。該型電機(jī)用稀土永磁材料勵(lì)磁，具有能量密度高、效率高、噪音低、反應(yīng)速度快、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)為電機(jī)與控制器一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。永磁電機(jī)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(jìn)電機(jī)為例，電機(jī)（含驅(qū)動(dòng)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(gè)百分點(diǎn)，空氣中空載噪音為49dB（A級(jí)計(jì)）。直驅(qū)式艦船舵機(jī)力矩伺服電機(jī)

該隨著水面艦船、水下航行器深度和機(jī)動(dòng)性的不斷增加，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)正向著輸出力矩大、響應(yīng)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(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。我公司研發(fā)的ZLW型無刷力矩電機(jī)是艦船舵機(jī)及隨動(dòng)系統(tǒng)中的理想執(zhí)行元件，省去了傳統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)，具有轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、噪音低等優(yōu)點(diǎn)。水下自主航行器動(dòng)力電池循環(huán)泵稀土永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)

水下自主航行器和魚雷、水雷等裝備均采用電池供電，動(dòng)力電池內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)力電池循環(huán)泵稀土永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要用于航行器動(dòng)力電池，驅(qū)動(dòng)電池液體循環(huán)泵，保證動(dòng)力電池正常工作。該型電動(dòng)機(jī)用稀土永磁材料勵(lì)磁，具有能量密度高，效率高、可靠性高、耐候性好、過載能力強(qiáng)、體積小、重量輕等特點(diǎn)。水下自主航行器用雙轉(zhuǎn)子稀土永磁主推電機(jī)

近年來隨著永磁電機(jī)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(dòng)機(jī)體積小、重量輕、單位體積下功率密度較大等特點(diǎn)，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)能夠應(yīng)用于船舶和水下航行器電力推進(jìn)系統(tǒng)中。采用永磁同步對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)的對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)，兩個(gè)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(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)共同產(chǎn)生使水下航行器前行的推動(dòng)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(jī)采用稀土永磁材料勵(lì)磁，具有體積小、重量輕，效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。效率可達(dá)90%以上，噪音低于同類產(chǎn)品。艦船用永磁無刷高速電機(jī)高速電機(jī)由于轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)的功率密度較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快。高速電機(jī)通常與所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載直接相連，省去了傳統(tǒng)的機(jī)械變速裝置，不但能減小機(jī)械噪音，還可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。由于高速電機(jī)的內(nèi)在優(yōu)越性，高速電機(jī)在泵類、飛輪儲(chǔ)能、供養(yǎng)系統(tǒng)等艦船領(lǐng)域均有應(yīng)用。我公司研發(fā)的稀土永磁無刷高速電機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)50000rpm，最大功率達(dá)100kW，功率密度可達(dá)3.7kW/kg。永磁電機(jī)概述和特點(diǎn)稀土永磁電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)永磁電機(jī)的實(shí)際問題及措施稀土永磁電機(jī)的船電應(yīng)用包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司簡(jiǎn)介

演講內(nèi)容包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司前身為包頭市永磁電機(jī)研究所，1983年成立。2001年改制為包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司。是中國(guó)最早開展稀土永磁電機(jī)科研和生產(chǎn)的單位。船用永磁電機(jī)設(shè)計(jì)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(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)、國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)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(shí)產(chǎn)權(quán)試點(diǎn)企業(yè)、；內(nèi)蒙古自治區(qū)永磁電機(jī)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(rèn)定為“內(nèi)蒙古自治區(qū)級(jí)企業(yè)技術(shù)中心”。是國(guó)家二級(jí)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(rèn)證和GJB9001B-2009武器裝備質(zhì)量管理體認(rèn)證。公司概況我公司研發(fā)艦船用永磁電機(jī)的歷史可追溯到上世紀(jì)八十年代，從為“718工程”研制配套永磁電機(jī)以來，先后為艦船雷達(dá)伺服系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)等配套，解決了船電用電機(jī)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(shè)計(jì)可以在高溫155℃、低溫-162℃的極端環(huán)境溫度下工作。各型電