稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望

本文1996年12月10日收到 煤炭科学基金项目(94电10817)

综 述

稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望

焦留成

禹　沛

禹　涓

(焦作工学院　焦作454000)

(焦作教育学院　焦作454151)

(焦作工学院　焦作454000)

Prospects for Rare -earth Permanent Magnet Materials and

their Application in Linear Motors

J iao L iucheng

(Jiaozuo Institute of T echnolo gy ,Jiaozuo 454000)Yu P ei

(Jiaozuo Educational Colleg e ,Jiao zuo 454151)

Yu J uan

(Jiaozuo Institute of T echno logy ,Jiaozuo 454000)

【摘　要】　介绍了稀土永磁材料的发展、磁性能及其在直线电机中的应用,指出稀土永磁直线电机将成为直线电机的一个重要发展方向。

【关键词】　稀土永磁材料　直线电机　永磁直线电机【Abst ract 】　Rar e -ear th perma nent

magnet

mater ials'development,per for mance and applicatio n in lin-ear mo tor s is intr oduced.Rar e -eart h per manent magnet linear mo to rs w ill be an impo rtant dev elo pment t rend of linear mo tor s .

【Keywords 】　rar e -eart h permanent magnet mater i-als linear moto rs perma nent mag net linear mo tor s

1前　言

稀土永磁材料以其优异的磁性能得到了广泛

的应用和开发。其中钕铁硼永磁材料尤以价格相对低廉,日益成为应用最广泛的稀土永磁材料。在钕铁硼永磁材料中,将近40%被用于电机行业。由于直线电机的应用范围不断扩大,稀土永磁材料在直线电机方面的应用也日益受到重视。稀土永磁材料在直线电机方面的应用,有着广阔的前景。

2稀土永磁材料

2.1稀土永磁材料的发展

永磁材料属基础材料,目前有铝镍钴金属永磁,铁氧体永磁和稀土永磁三大类。稀土永磁是稀土元素(镧、镨、钇、钐、镐……)与铁族元素的金属间化合物。第一代稀土永磁合金(SmCo 5)诞生于

60年代后期,70年代第二代稀土永磁合金(Sm 2Co 17)问世。这两种永磁材料虽然磁性能好,但

钐与钴价格昂贵,限制了它们的应用。1983年6月,日本住友特殊金属公司制成了第三代稀土永磁合金(NdFeB)。钕铁硼永磁材料具有优异的磁性能,同时由于钕资源丰富,又以廉价的铁代替钴,所以其价格相对低廉,市场竞争力强,便于推广应用。钕铁硼永磁材料的问世被列为1983年世界十大重要科技成果之一。

2.2钕铁硼永磁材料的磁性能

钕铁硼永磁材料的磁性能优异,兼有铝镍钴和铁氧体永磁的优点,具有很高的剩磁和矫顽力,以及很大的磁能积。目前,常用的稀土永磁材料的磁能积,Sm Co 5为127.36～183.08kJ/m 3,试验最高值达227.7kJ/m 3

;Sm 2Co 17为159.2～238.8kJ/m 3

,试验最高值达263kJ /m 3,NdFeB 为238.8～318.4kJ /m 3;试验最高值415.5kJ /m 3。在各种永磁材料中,钕铁硼的磁能积最高,其最大磁能积比铝镍钴的大5～8倍,比铁氧体大10～15倍,在同样的有效体积下,比电励磁的大5～8倍,仅次于超导励磁。

钕铁硼磁钢的剩磁B r 和矫顽力H c 均很高。商品钕铁硼的B r 为1.02～1.25T ,最高可达14.8T ,约是铁氧体永磁的3～5倍,约是铝镍钴永磁的1～2倍。商品钕铁硼的磁感应矫顽力H CB 为764.2～915kA/m ,内禀矫顽力H CM 为876～1671.6kA /m ,最高可达2244.7kA /m ,相当于铁氧体的5～10倍,铸造铝镍钴的5～15倍。各种永磁材料的

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微特电机　1997年第2期

性能比较如下表所示。

各永磁材料性能比较表

性 能铁氧体铝镍钴S mCo 5S m 2Co 17Nd

FeB 剩　磁(T )0.44 1.150.90 1.12 1.25磁感应矫顽力222.8127.4636.8533.3796.0(kA /m )内禀矫顽力230.8

127.4

1194.0

549.2

875.6

(kA /m )最大磁能积36.6

87.6

143.3

246.7

286.5

(kJ /m 3)密　度(g /cm 3) 5.07.38.48.47.4居里点(℃)450800740820

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磁温度系数-0.19

-0.02

-0.04

-0.03-0.126

(%/℃

)使用温度(℃)

200

500

250

350

130

钕铁硼磁钢还具有线性去磁曲线,其去磁曲线与回复曲线基本重合,内禀矫顽力高,内禀特性硬,抗去磁能力强,热稳定性能好。各永磁材料的去磁曲线比较如图1所示。

1、2.稀土永磁;3、4.铝镍钴永磁;5.铁氧体永磁

图1　三种永磁材料的去磁曲线

3稀土永磁材料在直线电机中的应用

钕铁硼永磁材料自问世以来,就以其优异的磁性能被愈来愈多地应用于各类电机中。近年来,国内外学者对钕铁硼永磁电机的研究和开发做了大

量的工作,初步显示出钕铁硼电机良好的应用前景。

3.1稀土永磁直线电机的特点

稀土永磁直线电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,它不需要电激磁,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。同时钕铁硼永磁具有强磁力和高矫顽力,有高的磁动势和气隙磁密度,在减小电机体积和重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。稀土永磁直线电机与普通同步直线电机相比较,有以下特点。

(1)稀土永磁直线电机更为耐用。直线电机在

发生加速及减速时,具有大的加速度和减速度,而钕铁硼永磁材料性能稳定,能抗压达196M Pa,使电机更适于高速运行。

(2)稀土永磁直线电机中用永磁体代替电励磁,使直线电机结构更为简单,电气控制简便。

(3)钕铁硼永磁的去磁曲线为直线,可改善直线同步电动机的起动性能,并使电机有较高的稳定工作点。

3.2稀土永磁在直线电机中的应用

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。钕铁硼永磁直线同步电动机一般采用如图2或图3所示的结构。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。随着钕铁硼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。

1.初级绕组;

2.永磁体;

3.非磁性绝缘垫片;

4.实铁心

图2

1.实铁心;

2.永磁体;

3.迭片轨道

图3

90年代初,国外提出了“直线电机驱动的提升系统”的构思,其动力源就是采用永磁式直线同步电动机。目前,日本和美国在高层建筑电梯方面进

行了永磁式直线同步电动机驱动系统的初步研究。国内也首次提出了“永磁式直线同步电动机驱动的矿井提升系统”课题,所选用的永磁材料是磁性能

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稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望