一文读懂永磁材料在电机中的应用现况分析，值得收藏

永磁电机及其市场分布

电机是用来实现机械能和电能之间转换的电磁机械，其工作原理基于电磁感应定律和电磁力定律。电机主要由电系统和机械系统两部分系统构成。电机的磁场主要指气隙磁场，电机的磁场能量基本上存储于气隙中。通过气隙磁场的耦合作用，把电机的电系统和机械系统联系在一起，实现机械能与电能之间的转换。电机的气隙虽小，但对电机性能的影响十分重要。为了在电机内建立气隙磁场，可以采用两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，即电励磁。电励磁电机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。永磁材料经过预先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立稳定磁场。与电励磁电机相比，永磁电机尤其是稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠；体积小、质量小；损耗小、效率高等优点，应用十分广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。

目前，永磁电机主要分永磁同步发电机、高效永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、永磁直流电动机、永磁特种电机等5类。永磁电机的发展和永磁材料的发展是密切相关的。高性能永磁材料的开发和应用为永磁电机的发展奠定了坚实的基础。图1为钕铁硼永磁的国际应用市场分布[1]。从图1可以看出，全球的电机行业对钕铁硼永磁的需求将会大幅度增加，到2010年时，预计将有50％的钕铁硼永磁应用于电机行业。

永磁材料在电机中的应用

目前，电机中应用的永磁材料主要有4类：20世纪30年代末开发的铝镍钴（AlNiCo）永磁；50年代初期开发的铁氧体永磁；60年代末开发的钐钴（SmCo）永磁(包括第一代稀土永磁－SmCo5和第二代稀土永磁－Sm2Co17)；80年代初开发的第三代稀土永磁，即钕铁硼（NdFeB）永磁。表1列出了各类永磁材料的主要性能。从表1可以看出，NdFeB永磁的最大磁能积明显高于其他几类永磁，因此目前NdFeB永磁在电机设计中处于首选地位。

图2、图3分别为近年来AlNiCo永磁、铁氧体永磁、SmCo永磁和NdFeB永磁的产量和产值的变化及预测[2]。结合图2、图3可以看出，在2000年以前，AlNiCo永磁和SmCo永磁的产量及产值的变化很小，到2000年以后，AlNiCo永磁的产量和产值有所降低，而SmCo永磁的产量及产值有所增加。从总体上来看，AlNiCo永磁和SmCo永磁的产量及产值都远不如铁氧体永磁和NdFeB永磁。铁氧体永磁的产量和产值逐年增加，其产量远远高于其他几类永磁，2000年以前，铁氧体磁体的值始终占全球永磁体总值的一半以上，堪称永磁市场的主体。NdFeB永磁是一种很有发展潜力的永磁材料，自问世以来，其产量和产值迅速增加，到2005年以后其产值有望超过铁氧体，成为21世纪最重要的永磁材料。

铝镍钴永磁

铝镍钴（AlNiCo）永磁是工程上应用较早的永磁材料，其剩磁较高（最高可达到1.35T），矫顽力较低（小于160kA/m），退磁曲线呈非线性。退磁曲线的非线性使其回复线与退磁曲线不重合，一方面造成了电机磁路设计时的特殊性，另一方面在电机制造时必须对永磁体进行稳磁处理。稳磁处理就是事先按最大去磁效应确定回复线的位置，使电机能够具有稳定的磁性能。铝镍钴永磁电机经拆卸并重新装配后，永磁体必须重新进行饱和充磁和稳磁处理，以保证磁性能不会大幅度降低。

虽然AlNiCo永磁的最大磁能积较小，用来制作永磁电机时会给设计、制造和维修等带来不便，但由于其剩磁温度系数小（约为-0.02%/℃），随着温度的改变磁性能的变化较小，所以目前仍然被广泛应用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。铁氧体永磁铁氧体永磁属于非金属永磁材料，在电机中常用的有两种，即钡铁氧体（BaO·6Fe2O3）和锶铁氧体（SrO·Fe2O3）。铁氧体永磁的剩磁不高（约为0.2～0.44T），最大磁能积较低（仅为6.4～40kJ/m3）。因此，在进行铁氧体永磁电机设计时，最主要的问题是在电机主要尺寸一定的情况下，如何增大永磁体的截面积，以提高电机的气隙磁场密度和每极磁通量。此外，环境温度对铁氧体永磁的磁性能的影响较大。一方面，剩磁温度系数较大（约为-0.18～-0.20%/℃），当使用温度较高时，铁氧体永磁电机的气隙磁场密度下降明显，使电机的电气性能受到影响；另一方面，矫顽力温度系数较大（约为0.4～0.6%/℃）且为正值，矫顽力随温度的升高而增大，随温度降低而减小，使铁氧体永磁在低温时的抗去磁能力降低，在使用时需要进行最低环境温度时最大去磁工作点的校核计算，以防止在低温时产生不可逆退磁。

但由于铁氧体永磁的价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵金属；制造工艺较为简单；矫顽力较大（约为128～320kA/m），抗去磁能力较强；密度小（约为4～5.2g/cm3），质量较轻；退磁曲线接近于直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，不需要进行稳磁处理。因此，铁氧体永磁在电机中应用仍然十分广泛。

钐钴永磁

钐钴（SmCo）稀土永磁是20世纪60年代出现的一种新型金属磁性功能材料，它是以稀土金属元素与过渡族金属元素形成的金属间化合物为基体的永磁材料。稀土永磁一般具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积，在很多领域正不断地代替其它永磁材料的应用，尤其是在高科技领域的用途日益广泛，需求量快速增长，因此发展十分迅速。60年代出现了第一代稀土永磁（1:5型SmCo永磁）；70年代出现了第二代稀土永磁（2:17型SmCo永磁）；80年代出现了第三代稀土永磁（NdFeB永磁）。

钕铁硼永磁

钕铁硼（NdFeB）永磁的显著优点是剩磁高（约为铁氧体永磁的3～4倍），矫顽力大（约为铁氧体永磁的3～4倍，AlNiCo永磁的6～10倍），最大磁能积高（约为铁氧体永磁的10倍，AlNiCo永磁的8倍，SmCo永磁的1.5倍），被称为“磁王”，其科研、生产、应用都保持持续高速发展。目前在室温下，NdFeB永磁的剩磁最高可以达到1.47T，感应矫顽力最高可以达到992kA/m，最大磁能积最高可以达到397.9kJ/m3。由于具备优良的永磁性能，NdFeB永磁特别适合用于制作高性能永磁电机，目前，NdFeB永磁已经广泛应用于直流电机、同步电机以及各种不同类型的特种电机。与铁氧体永磁电机相比，在体积相同的情况下，NdFeB永磁电机的额定功率可以提高30％～50％；与电励磁电机相比，在相同额定功率的情况下，NdFeB永磁电机的体积可以减小20％，效率可以提高5％～10％。

NdFeB永磁的退磁曲线基本上是一条直线，这给电机的设计带来一定方便。但NdFeB永磁的的温度系数高，随着使用温度的升高，磁性能下降显著，退磁曲线的下半部分将发生弯曲。因此，在进行NdFeB永磁电机的设计时，需要校核永磁体的最大去磁工作点，以保证永磁体工作的稳定性和电机运行的可靠性。

利用电能直接产生直线运动的电动机称为直线电机。直线的工作原理类似于相应的旋转式电动机，结构上则可看作是由相应的旋转电机沿径向切开，拉直演变而成。稀土永磁直线电动机是一种大推力、直线运动直接驱动电动机，不仅具有永磁电机的特点，且兼有直线电机的性能。作为永磁电机，稀土永磁直线电机不需要电激磁，省去了激磁线圈，不存在激磁损耗，能提高电机的效率，降低电机的温升。同时NdFeB永磁具有强磁力和高矫顽力，有高的磁动势和气隙磁密度，在减小电机体积和质量的同时可增加电机的出力。作为直线电机，它省去中间传动装置，使运行更加可靠，另外还具有结构简单、加工方便、适用于特殊场合等特点。

近二十年来，高速磁悬浮列车的理论研究与实践迅速发展，磁悬浮列车的推进系统和悬浮系统主要采用直线同步电动机。在直线电动机中应用稀土永磁材料不仅可节约大量的电能，而且励磁结构更为简单。磁悬浮列车的驱动系统也可采用永磁式开关直线电机，用位置传感器来控制电机电枢绕组的通断，也能工作在同步状态，电机运行效率很高，但由于要在轨道上铺设大量价格昂贵的永磁体，这种电机不切合实际。随着NdFeB永磁材料的大量开发和应用,其价格会不断降低，从而使得这种电机在磁悬浮列车中的应用也成为可能。

近年来，直线电机作为工厂自动化机器和办公室自动化机器等的驱动源在直接高速传动方面的应用也日益广泛。其中直线脉冲电机广泛地应用于打印机、磁盘驱动器、XY绘图仪等。在直线脉冲电机中采用NdFeB永磁材料代替铁氧体永磁，利用NdFeB永磁的高性能，可使直线电机体积更小，推力更大，并使整个系统变得十分简单。

稀土永磁在直流直线电机中也得到了应用，稀土永磁无刷直流直线电动机广泛应用于航天飞行器中。这种电动机不仅具有直流电动机的优越性能，而且具有直线电机运行可靠的优点。用稀土永磁电机为核心的交流伺服系统可取代液压系统，可直接用来驱动机载炮塔。稀土永磁无刷直流直线电动机有可能会取代液压驱动装置，这种驱动装置能很方便地实现余度控制，性能优于液压系统。

结 语

高性能永磁电机在物流系统、工业设备、信息与自动化系统、交通与民用、军事及其它方面都有着重要的用途。国外在永磁电机驱动设备方面的应用较多，技术成熟，但我国在永磁电机，尤其是高性能永磁电机方面的研究成果较少。我国稀土资源十分丰富，稀土永磁产业的发展也十分迅速，正在努力缩短与欧美及日本等磁材强国的差距。随着我国对永磁电机尤其是高性能永磁电机的研发力度的逐渐加大，永磁材料在电机开发中的应用也将越来越广泛和深入，开发高性能电机用永磁材料。对于我国永磁电机行业来说既是一个艰巨的挑战，同时也是一个促进高性能永磁电机发展的良好机会。