磁性材料与技术在现代能源中的应用

磁性材料与技术在现代能源中的应用1 引言能源是人类社会发展的物展基础，没有能源人类是无法生存的。

所谓能源，就是人类取得能量的来源，它分为1次能源——经开采或收集后未经任何改变或转换的能源，如原煤、原油、河流的水等；2次能源——经过加工转换后获得的1次能源，如油料、电力、沼气、核能等；终端能源——1次、2次能源经过输送、储存和分配，供给用户使用的能源，如用于炊事、照明、运输的热能和电能等。

现在，能源危机是1个世界性的问题。

由于目前人类的90％以上工业性能源是来自煤、石油、天然气等天然资源，它们是用之有竭的。

所以节约能源、开发新能源就显得十分重要，磁性技术在其中担当着重要的角色，也是确保人类可持续发展的有效措施之一。

2 磁性技术在节约能源方面的应用2.1 节能的永磁材料降低现有磁性材料的损耗，研发更低损耗的新材料，便可以在使用磁性材料的各种电机和电器中节约能源。

例如，用永磁体代替电流在空间形成1个静磁场（如永磁电机中的定子磁场或转子磁场，扬声器和仪器仪表中的气隙磁场等），这样，不但节省了电能，降低了温度，而且省去1部分电源及控制系统、冷却系统。

利用没有励磁线圈的铁芯，不发热的稀土永磁电机来代替常用电动机，可缩小体积，减轻重量，提高效率。

如在汽车中用永磁电机替代传统的电机，可使体积和重量减小40％～70％，效率提高50％以上，并可节省铜材和电力。

将电气设备中大量使用的电磁开关、电磁阀的电磁铁换成永磁体，可节电90％以上。

在人类活动中，大量的能源消耗在克服摩擦力的做功上。

利用永磁体之间的排斥力和吸引力，做成各种磁悬浮系统，如果再将系统中的空气抽出，则摩擦力几乎按近于零。

例如，利用磁悬浮原理制成新型磁轴承，其能源可降低90％以上，转速可达每分钟几十万转。

又如，应用磁耦合的齿轮传动机构，可以做到不啮而合，隔而不断，从而大量节约能源。

再如，有1种在100大气压高压室内工作的机构，仅用以克服从动轴与高压室壁间所设置的轴封摩擦即要消耗25kW的功率，如应用磁耦合减速器，用1kW电动机便可操纵高压室内的机构工作。

同时，磁性轴承和磁性传动器均无需直接接触，不必润滑，没有污染。

用永磁体在空间建立1个磁场，除了在制作该永磁体时消耗一定能源外，长期使用过程中不再另外消耗能源，显然，利用永磁体能够取得节约资源、节省能源的显著效果。

2.2 奇特的非晶态磁性合金非晶态磁性合金就是磁性玻璃。

这种非晶态合金材料是将熔融的金属用每秒近100万℃的超急冷方法直接喷在高速旋转的风轮上，使熔化的液态合金立即凝固成薄带，来不及结晶而形成非晶态。

非晶态合金具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等特点。

在漏电保护器、电感滤波器、电力配电变压器和开关电源等方面已获得广泛应用。

由于非晶态材料的厚度只有0.03mm，所以铁芯的占空系数较小，约在0.4～0.7之间，其铁芯损耗也仅为硅钢片的1/3，用作变压器铁芯，不但具有优良的高频电磁性能，而且与常规产品相比，体积可缩小30％，总能量损耗减少40％～60％。

据资料显示，由于铁芯发热，日本每年要损耗60亿度电，相当于2000亿日元的价值。

据估计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10％左右，损耗每降低1％，每年可节约上百亿度电，其节能效果十分显著。

2.3 磁性节能器件磁水器在锅炉和热交换系统中的使用，不但提高了热效应，节约了能源，而且还减少了管道和设备的除垢工作。

根据美国商业部和国家标准局的资料，锅炉的水垢厚度为0.4mm～9.6mm，平均效率损失为4％～48％，每千升（或每千加仑）燃油浪费40升～480升（或加仑）。

按照美国的运行情况，某些锅炉在进行酸洗除垢之前，其积垢厚度有的可达8mm左右，其燃油的浪费相当严重。

其它国家和地区，因水质和维护水平不同，严重者会造成更大损失。

如果采用磁力除垢器或磁水器均可节约能源并提高维护保养水平。

我国某油田用磁水器处理石油，使石油除蜡降粘，热洗周期由12天增加到140天，单井年节电达1.4万度，年节约天然气1.8万m3，年增产原油180吨，多获利2万元。

将磁化节油减烟器，燃油增能器或磁力强化节能器用于以碳氢化合物（油、气）为燃料的燃烧设备中，其节能效果明显。

例如炼钢炉、锅炉、电站、各种发动机等设备均可装设此类节能器，令其燃料在使用之前进行磁化，使油、气分子键断裂雾化，使其充分燃烧，提高燃烧效率，从而省油、省气5％～15％。

由于燃烧室温度升高，发动机（引擎）输出增加，可防止积垢，可使CO、NO等有害气体的排放降低25％～65％，同时还可使废气中的含尘量降低25％～40％。

在开采或炼制石油的输油管道中，采用此类设置，也可取得有利于油气输送、除蜡降粘的效果。

用于石油钻井7km深处打捞作业的稀土钴永磁强磁力打捞器，可将掉落井里的钻头、齿轮、轴承、工具、碎片及其它杂物打捞干净，确保钻井速度，并保护油井不致报废。

我国研制成功的60kVA永磁副励磁机，选用钐镨钴稀土永磁体装在切面磁路的转子上，电机功率等级是原型机的2.45倍，轴长缩短了1半，稀土永磁的用量仅为铝镍钴副励磁的47％，成本只有电磁副磁机系统总成本的1/3左右。

2.4 绿色节能磁冰箱利用“绝热去磁”（给1种磁性材料施加磁场时发热，去掉磁场时冷却）全新原理工作的磁冰箱，其致冷工作效率为常规气体致冷机的2倍～4倍，能耗低，可节电50％。

由于使用固体工质，故而体积小、重量轻，又无压缩机，很少有零件磨损和挤压现象。

即使有运动部件，其转速也十分缓慢，故而省电、便于维护、寿命长、无振动噪音，没有氟里昂对环境的污染，可保护臭氧层，因此被称为绿色冰箱。

近来美国埃姆兹实验室制成1台以钆颗粒为致冷材料的样机，其循环系统较复杂，要求的工作磁场较高（5T），这样高的磁场只有超导磁体才能达到。

我国包头稀土研究院与包头钢铁学院共同承担的“稀土磁致冷技术开发”课题，已制成1种采用钕铁硼永磁磁场装置，其强度为1.3T～2.0T，使室温磁致冷技术向实用化方向迈进一大步。

2.5 其它节能实例电子镇流器只需传统式镇流器的70％的电功率便能令萤光灯发出同样的光度。

由于使用较小的磁性电感器，不需要启动器，可节能30％，具有快速、重量轻、噪音低的特点，效率高达65％～85％。

小损耗的开关电源必须使用的变压器，扼流圈，杂波滤波器、饱和电抗器等4种磁性元件，全部可由磁性材料制造。

不用水和色浆的磁性染色工艺就是利用磁力和分散染料升华作用的1种连续染色法，可用于染素色和图案印花。

它无需使用水、溶剂和印花纸，且能耗大大减小。

没有火患的安全灶——电磁炉，是1种新型“冷加热”电气灶具。

这是通过高频交变磁场与铁锅（或不锈钢锅）相互作用来加热的，其热效率高，节省电力。

同样是1.2kW，一般加热器的热效率只有56％，而电磁炉的热效率却达到83％，烧沸同量水的时间可缩短1/3。

温度可调，安全卫生，与微波炉相比，还具有价格低、宜炒菜特别是做中餐的特点，目前在我国已经实用化、商品化。

利用磁场制作的水泥，具有松散，不结块的特点。

由于磁场的作用使水泥旋转，只要在水泥中添加1种可与水泥吸附在一起的铁磁材料，使之具有韧性和弹性。

因无转动部件，磨损极小，耗能少。

磁性水泥混凝土的形状和大小不受限制，具有良好的持久性，在水中和海洋工程方面，可用于磁性定位；在危险地区可作成磁性地段，便于检测；在路面上作磁性标记以引导盲人步行，使汽车通行无阻。

3 磁性技术与新能源开发3.1 磁流体发电磁流体发电就是“等离子体发电”，是将热能转换为电能的1种方式，其基本原理仍是导体切割磁力线感应而产生电动势。

不同的是磁流体发电中的导电流体代替了普通发电机中的金属导体。

即当高温高速气流通过强磁场时，气流由于高温电离变成等离子导电流体，并切割磁力线而产生感应电势和电能。

目前，世界上主要研究燃烧矿物燃料的开环磁流体发电，燃煤磁流体联合循环等高效率、低污染、大功率发电的高新技术。

其发电效率比传统的水力、火力、核能发电提高50％～60％。

1个百万kW的磁流体发电厂，年节煤可达100万吨，造价仅为火力发电厂的1/4。

3.2 磁约束与受控核聚变目前，原子能发电是利用重原子核的裂变反应释放的能量。

据估计，地球上的裂变材料藏量只够用几千年，如果改用轻原子核（如氘）聚变反应释放能量发电，则地球上的氘可用几千亿年。

要实现可控聚变反应则需要上亿度（>108K）的高温和一定密度的重氢等离子体维持一定时间。

目前，1种有效方法就是利用一定形状和强度的强磁场——磁约束来实现。

最近，美国科学家在探讨核聚变研究新方向时，由普拉格等人提出的4种约束等离子体新方法中最重要的就是磁约束技术。

德国力求在新能源探索中占据国际领先地位，将建造世界最大仿星器受控核聚变装置。

该装置的关键部件是产生磁场的超导线圈和隔热箱，二者目前已研制成功并通过试验。

德国科学家采用铌钛合金导线作为超导线圈材料，由200根超导线材制电缆，共外用强化铝合金冷凝管中的液态氮冷却至4K，整个装置所使用的超导线长度达60km。

加热与约束等离子体是受控核聚变研究的两大课题，其中约束主要有磁约束和惯性约束2种途径。

磁约束曾使用过多种装置，至今前途较明朗的闭式环形装置有托卡马克和仿星器。

托卡马克主要利用电磁感应产生的环电流等来约束等离子体，而仿星器对等离子体的约束主要借助外导体的电流等产生的强磁场。

3.3 磁性材料与风能技术风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起空气运动所产生的能量。

地球上近地层风能总储量约为1.3 × 1012kW，估计我国风能总储量达1.6×109kW，在世界上排列第三，可开发利用的约为1/10。

风能量是利用风力推动风力机而产生的。

利用风力可以发电、提水、助航、致冷和致热等。

风力机是将风能转化为其它形式能量（如电能、机械能、热能等）的旋转机械。

用永磁材料制成的大输出旋转机械在风力机中获得了应用，例如在转子外侧而定子在内侧的外转子发电机中，永磁体粘结在圆筒形转子轮的内圆周面，因此转子轮本身可防止永磁体的飞脱，因而磁通不会降低。

风能是1种干净的绿色可再生能源，在技术上已日渐成熟，在价格上逐步具有竞争力，如美国目前的风能电价格仅为每度9美分。

4 超导磁体的功能把某种金属物质冷至特定温度以下，其电阻为零的现象称为超导性。

这种超导性将使电力传输、电机及其各种电力电子设备完全不消耗能量，可以制成超强的磁铁用于巨大的粒子加速器。

如何将其实用化，这是科技人员开发的重点。

一旦金属线圈在超导状态下被接通电流以后，电流就会持久地流动，并会产生比普通永久磁铁大十几倍的磁场。

这一超导电性与磁性若能共存而不互相破坏，则会加速超导技术的实际应用。

4.1 磁悬浮列车这种列车是利用直流电机原理，在磁力作用下使车辆浮起并沿着特制的导轨运行，是介于常规铁路与航空之间的1种交通运输工具。