稀土永磁電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用

　　一、引言
　　電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。為在電機(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)，可以有兩種方法。一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生，既需要有專門(mén)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)，例如普通的直流電機(jī)和同步電機(jī)：另一種是由永磁體來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，既可簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)；構(gòu)，又可節(jié)約能量的永磁電機(jī)。
　　二、永磁電機(jī)的發(fā)展概況
　　永磁電機(jī)的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)。我國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應(yīng)用于實(shí)踐的國(guó)家，兩千多年前，我國(guó)利用永磁材料的磁特性制成了指南針，在航海、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，成為我國(guó)古代四大發(fā)明之一。
19世紀(jì)20年代出現(xiàn)的世界上第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。但當(dāng)時(shí)所用的永磁材料是天然磁鐵礦石（Fe304），磁能密度很低，用它制成的電機(jī)體積龐大，不久被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。
　　隨著各種電機(jī)迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對(duì)永磁材料的機(jī)理、構(gòu)成和制造技術(shù)進(jìn)行了深入研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼（最大磁能積約2.7kJ/m3）、鈷鋼（最大磁能積約7.2kJ/m3）等多種永磁材料。特別是20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達(dá)85kJ/m3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁（最大磁能積現(xiàn)可達(dá)40kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機(jī)又紛紛使用永磁體勵(lì)磁。永磁電機(jī)的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)量急劇增加。相應(yīng)地，這段時(shí)期在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性進(jìn)展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36~160KA/m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2~0.44T），限制了它們?cè)陔姍C(jī)中的應(yīng)用范圍。一直到20世紀(jì)60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問(wèn)世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的歷史時(shí)期。
　　稀土永磁材料的發(fā)展大致分為三個(gè)階段。1967年美國(guó)K.J.Strnat教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學(xué)式可表示成RCo5，簡(jiǎn)稱1∶5型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積超過(guò)199kJ/m3（25MG·Oe）。1973年又出現(xiàn)了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化學(xué)式為R2Co17，簡(jiǎn)稱2∶17型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積達(dá)到258.6kJ/m3（32.5MG·Oe）。1983年日本住友特種金屬公司和美國(guó)通用汽車公司各自研制成功敏鐵棚（NdFeB）永磁，稱為第三代稀土永磁。由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價(jià)格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物質(zhì)——鈷，因而引起了國(guó)內(nèi)外磁學(xué)界和電機(jī)界的極大關(guān)注，紛紛投入大量人力物力進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復(fù)合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。與此相對(duì)應(yīng)，稀土永磁電機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)大致可以分成三個(gè)階段。
第一階段：20世紀(jì)60年代后期和70年代，由于稀土鈷永磁價(jià)格昂貴，研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是航空、航天用電機(jī)和要求高性能而價(jià)格不是主要因素的高科技領(lǐng)域。
　　第二階段：20世紀(jì)80年代，特別是1983年出現(xiàn)價(jià)格相對(duì)較低的釹鐵硼永磁后，國(guó)內(nèi)外的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用電機(jī)上。稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)紛紛用稀土永磁電機(jī)來(lái)替代，而且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)所難以達(dá)到的高性能。
　　第三階段：進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，除了大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)方面獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用外，稀土永磁電機(jī)的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段。一方面，正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺(tái)容量己超過(guò)1000 kw，最高轉(zhuǎn)速已超過(guò)300000 r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.0l r/min，最小電機(jī)外徑只有0.8mm，長(zhǎng)1.2mm。另一方面，促使永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面的研究工作出現(xiàn)嶄新的局面，有關(guān)的學(xué)術(shù)論文和科研成果大量涌現(xiàn)，形成了以電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。
　　我國(guó)的稀土資源豐富，稀土不稀，號(hào)稱“稀土王國(guó)”。稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。因此，充分發(fā)揮我國(guó)稀土資源豐富的優(yōu)勢(shì)，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。