稀土永磁電機的發展趨勢及應用

　　一、引言
　　電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。為在電機內建立進行機電能量轉換所必需的氣隙磁場，可以有兩種方法。一種是在電機繞組內通電流產生，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，例如普通的直流電機和同步電機：另一種是由永磁體來產生磁場，既可簡化電機結；構，又可節約能量的永磁電機。
　　二、永磁電機的發展概況
　　永磁電機的發展同永磁材料的發展密切相關。我國是世界上最早發現永磁材料的磁特性并把它應用于實踐的國家，兩千多年前，我國利用永磁材料的磁特性制成了指南針，在航海、軍事等領域發揮了巨大的作用，成為我國古代四大發明之一。
19世紀20年代出現的世界上第一臺電機就是由永磁體產生勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石（Fe304），磁能密度很低，用它制成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。
　　隨著各種電機迅速發展的需要和電流充磁器的發明，人們對永磁材料的機理、構成和制造技術進行了深入研究，相繼發現了碳鋼、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30年代出現的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85kJ/m3）和50年代出現的鐵氧體永磁（最大磁能積現可達40kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機又紛紛使用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農業生產和日常生活中得到廣泛應用，產量急劇增加。相應地，這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和制造技術等方面也都取得了突破性進展，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），限制了它們在電機中的應用范圍。一直到20世紀60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統稱稀土永磁）相繼問世，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異磁性能特別適合于制造電機，從而使永磁電機的發展進入一個新的歷史時期。
　　稀土永磁材料的發展大致分為三個階段。1967年美國K.J.Strnat教授發現的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學式可表示成RCo5，簡稱1∶5型稀土永磁，產品的最大磁能積超過199kJ/m3（25MG·Oe）。1973年又出現了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化學式為R2Co17，簡稱2∶17型稀土永磁，產品的最大磁能積達到258.6kJ/m3（32.5MG·Oe）。1983年日本住友特種金屬公司和美國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，而且不含戰略物質——鈷，因而引起了國內外磁學界和電機界的極大關注，紛紛投入大量人力物力進行研究開發。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。與此相對應，稀土永磁電機的研究和開發大致可以分成三個階段。
第一階段：20世紀60年代后期和70年代，由于稀土鈷永磁價格昂貴，研究開發重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。
　　第二階段：20世紀80年代，特別是1983年出現價格相對較低的釹鐵硼永磁后，國內外的研究開發重點轉移到工業和民用電機上。稀土永磁的優異磁性能，加上電力電子器件和微機技術的迅猛發展，不僅使許多傳統的電勵磁電機紛紛用稀土永磁電機來替代，而且可以實現傳統的電勵磁電機所難以達到的高性能。
　　第三階段：進入20世紀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定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發展，加上永磁電機研究開發經驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業生產和日常生活等各個方面獲得越來越廣泛的應用外，稀土永磁電機的研究開發進入一個新階段。一方面，正向大功率化（高轉速、高轉矩）、高功能化和微型化方向發展。目前，稀土永磁電機的單臺容量己超過1000 kw，最高轉速已超過300000 r/min，最低轉速低于0.0l r/min，最小電機外徑只有0.8mm，長1.2mm。另一方面，促使永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面的研究工作出現嶄新的局面，有關的學術論文和科研成果大量涌現，形成了以電磁場數值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究方法和計算機輔助設計軟件。
　　我國的稀土資源豐富，稀土不稀，號稱“稀土王國”。稀土礦石和稀土永磁的產量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平。因此，充分發揮我國稀土資源豐富的優勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現我國社會主義現代化具有重要的理論意義和實用價值。