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永磁无刷电机将成微特电机发展主流 |
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| http://cn.newmaker.com
1/16/2010 7:40:00 PM
佳工机电网
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永磁无刷电机是永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷直线电机和永磁无刷力矩电机的总称。永磁无刷电机具有不少优点，因此已是目前微特电机发展主流。
一 永磁无刷电机迅速发展的原因
1. 技术进步推动永磁无刷电机的发展
面向21世纪，为满足与地球环境共存、与网络结合、符合机器人要求的微特电机将得到快速发展，并将构筑起“微特电机的新时代”。与地球环境共存，要求电机高效节能、高出力省材料、静音舒适、无害无污染等。与网络结合，要求电机小型化、片状化、高速化、轻量化、高精度、高性能等。满足机器人用电机，要求高出力、低惯量、低速大力矩、智能化等，为了满足上述要求，国外微特电机制造公司，十分重视永磁无刷电机和驱动控制技术的研究、开发。电机进行优化设计，合理选择参数，减少力矩脉动和噪音，扩大调速范围；多极集中绕组，减少绕组端部长度，拼块式或铰链式电枢冲片提高糟满率，高效率高性能驱动控制技术的研究，高性能永磁材料的采用，使永磁无刷电机具有高效节能、高出力省材料、高可靠高性能、体积小重量轻等优点。
2. 市场拉动加速永磁无刷电机的发展
（1）网络领域使用的微特电机数量约占整个微特电机的38%，HDD主轴电机、打印机主轴电机、复印机主轴电机、计算机风机、高档DVD主轴电机都是采用永磁无刷电机。而且是精密永磁无刷电机，由于精度要求高，均采用粘结钕铁硼，日本83%的粘结钕铁硼用于该类永磁无刷电机；整片电枢冲片，多极集中绕组，外转子结构。手机用的振动电机，不论是圆柱形还是钮扣式，振动电机绝大部分还是采用有刷直流电机，但也有无刷振动电机，目前没有得到广泛使用。
（2）家电领域使用的电机约占整个微特电机的15%。空调器、洗衣机、电冰箱等主要家电最早使用单相异步电动机，由于其效率低、利用率低，为了节能，上世纪90年代初采用变频调速异步电动机，目前日本90%以上的空调器采用永磁无刷直流电机，替代异步电动机变频调速，我国空调器制造厂也开始采用永磁无刷直流电机，以获得更好的节能效果和节省材料。在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动机的体积和重量为100%，则永磁无刷直流电动机的体积为 38%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上。为了尽可能提高效率，电机永磁体采用烧结钕铁硼，电枢冲片采用拼块式或铰链式，多极集中绕组，根据用户使用要求电机可做成外转子或内转子结构。空调器、洗衣机、电冰箱等为主的家电将越来越多采用永磁无刷电机是发展趋势。
（3）电动车领域使用驱动电机情况，2004年我国共生产电动自行车675.71万辆，同比增长69.05%，其驱动电机大部分采用有刷直流电机，但由于直流有刷电机固有的缺点，寿命短，维修难，随着永磁无刷直流电机价格下降，控制器可靠性提高，采用永磁无刷电机越来越多。能源紧张，环境污染日益加强，电动汽车显示强劲的生命力，被汽车生产厂和消费者看好，有资料显示，到2010年，电动汽车将占全球汽车需求量的四分之一，总量将达到2000万辆，美国通用、日本丰田、法国雪铁龙等大汽车公司都将电动汽车作为发展方向，我国也高度重视，被科技部列为“十五”期间国家重大攻关项目，也是“十一五”规划中发展绿色交通的重要内容之一。电动汽车驱动电机有有刷直流电机、变频异步电机和永磁无刷电机，但趋向是永磁无刷电机，尤其是日本汽车制造商都采用永磁无刷电机。汽车电动助力转向系统中的驱动电机有有刷直流电机和永磁无刷电机，但趋向也是永磁无刷电机。凡是电动车中涉及安全等重要系统中用的电机采用永磁无刷电机替代有刷直流电机将是一个趋势。电机永磁体采用烧结钕铁硼，绕组形式有集中绕组和分布绕组两种，电机结构有外转子和内转子两种。至于汽车中用的一般电机目前仍然是有刷直流电机为主，自动车用的微特电机约占整个微特电机的17%。
（4）电梯采用永磁无刷同步电机伺服控制系统后，不仅具有体积小、节能、控制性能好，又容易实现减速直接驱动消除齿轮减速装置，低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的有刷直流电机调速和异步电机变频调速。适合在无机房电梯中使用，因此永磁无刷同步电机驱动得到各大电梯公司的青睐。
（5）高速高精度加工机床的进给驱动，目前主要还是用传统的旋转伺服电机加精密高速滚珠丝杆结构，上世纪90年代初开始，应用直线电机直接驱动，由于其与传统结构相比，有一系列的优点，速度提高30倍，加速度提高10倍，最大达10g，刚度提高7倍。当然直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，如控制难度大、磁干扰、成本较高等，但是总的趋势直线电机驱动占比重会越来越大，很有可能将来成为机床进给驱动的主体。由于永磁无刷同步式直线伺服电机效率高，推力密度大，可控性好等优点，尽管其对隔磁防尘要求高和装配较困难，但现在已成为机床用直线电机的主流。
（6）其他领域包括武装装备、机器人、宇航等微特电机。这些使用领域选用各类电机，品种规格繁多，如美国军用微特电机有5000多个品种，年生产量只有300万台。随着机器人、宇航事业的发展，对微特电机的需求量将增加，要求也提高。这些领域的伺服驱动类电机也向永磁无刷电机发展，如美国研制和生产军用、宇航用微特电机骨干单位科尔摩根公司，有两个永磁交流伺服电动机系列，M系列有5个机座号，47个品种，功率从0.54～15.7kW，转速从 900～1200r/min，连续转矩从0.89～115N·m，峰值转矩2.41～326.8N·m；MT系列有4个机座号，24个品种，功率从 0.231～6.7kW，转速从1500～6000r/min，连续转矩从0.44～46.8N·m，峰值转矩从1.25～115.4N·m。MT系列产品比M系列产品体积更小，效率更高，转动惯量更小，接线插头可旋转，进一步提高武器装备的快速性、小型化、可靠性和可维性，满足武品装备伺服控制系统的要求，广泛用于雷达、宇航等领域。美国已将永磁无刷电机用于装甲车作为驱动源，代替有刷直流电机，提高了装甲车性能。德国西门子公司和芬兰ABB公司生产的额定功率3820kW，额定电压2800V，额定转速135r/min的电机使用在豪华游轮、破冰船、工程船等吊舱式推进器，现正在推广到潜艇，替代有刷直流电动机，提高潜艇性能。
3. 相关行业的技术进步为永磁无刷电机发展提供了基础
永磁无刷电机是集新型永磁材料、电力电子、集成电路、计算机及电机技术于一体的产品，相关行业技术发展，是永磁无刷电机发展的基础。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现及高速发展，为永磁无刷电机提供高剩磁感应强度、高矫顽力、高磁能积的永磁体，对其温度系数大，居里点低，容易氧化生锈的不足，不断在改进提高，现钕铁硼永磁材料最高工作温度可达180℃，一般也可达到150℃，通过涂覆处理解决氧化生锈问题。永磁无刷电机大部分采用粘结或烧结钕铁硼，钕铁硼永磁材料2005年全球产量将达到2.3万吨，我国生产1.4万吨，预计2010年全球产量将达到9万吨，我国生产5万吨。随着电力电子技术和产品一代一代更新，半导体开关器件性能不断提高，容量不断增大，成本不断降低。大规模集成电路和计算机技术的快速发展，现已有不少电机专用集成块，近几年出现专门用于电机控制的高性能、低价位的数字信号处理器DSP、集成电路和计算机技术快速发展对永磁无刷电机控制技术起到有力的推动作用，为永磁无刷电机发展提供了基础。
二 我国应重视永磁无刷电机的 研究、开发和产业化
（1）我国改革开放后，经济得到了迅速发展，但是，是高消耗的粗放型经济发展，我国提出了“十一五”期末单位国内总产值能源消耗降低20%左右的目标，也提出了建设节约型社会，国家发改委编制的中期能源节约规划中将永磁电机作为节能推广产品，因为电力的60%左右消耗在电机上。因此我们应该积极加速各类永磁无刷电机的研究、开发和产业化。
（2）我国是稀土材料储藏大国，我们理应加强稀土永磁材料的应用研究，提高稀土材料的性能。
（3）我国除有稀土永磁材料丰富的优势外，还有永磁无刷电机人才资源，政府应制定相应地优惠政策，实现政府推动下的产学研的联合，充分发挥各方面人才优势，进行联合开发、联合攻关，实现产业化，打造出有自主知识产权的各类永磁无刷电机品牌。
（4）我国使用的精密永磁交流伺服驱动控制系统绝大部分依整进口，据不完全统计每年进口费用2亿美元左右，我们有责任迅速实现各类永磁无刷电机产业化，形成真正的商品，替代进口，改变依赖进口的局面，使我国不仅是微特电机生产大国，又是微特电机技术强国。
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