稀土永磁电动机（精选7篇）
稀土永磁电动机 篇1
稀土永磁 (同步) 电动机转子的励磁磁场是由永磁体提供, 运行过程中没有转子铜耗, 定子铜耗也会明显的减少, 在25%~120%额定负载范围内都有较高的效率和功率因数。该电动机具有低转速、大扭矩输出特性, 适合水泥生产中提升和输送设备启动转矩大的要求, 而且具有体积小、质量轻、结构形式配置灵活等优势。我公司利用稀土永磁电动机的良好的机械特性和节能优势, 通过分析解决使用过程中出现的问题, 掌握了永磁电动机及其控制策略的技术, 并进行了一定规模的推广使用, 达到了水泥企业节能减排的目的。
1 应用情况
目前我公司水泥生产线上使用电动机的拖动负载基本为输送类、风机水泵类、破碎粉磨类, 无其他特殊性负载情况。所用低压电动机基本为Y系列电动机, 功率范围为0.37~250k W, 生产线正常运行时, 低压电动机的负载率基本在60%~95%间波动, 功率因数也基本在0.7~0.85范围内变化, 与高效节能的电动机相比, 具有较大的节能空间。
在分析调研的基础上, 我公司计划投入1 400余万元, 对210台装机容量为13 500k W的电动机进行改造。考虑到公司实际情况和对节能电动机特性及技术的掌握程度, 首先在2014年一次性投入300万元对节能电动机及部分启动设备进行采购。首批确定主要改造对象为大功率带变频器、软启动器的低压电动机共43台, 总装机容量2 923k W。经过半年的运行监测和数据收集, 平均节电率为8.5%~9.8%。鉴于良好的节电效果, 将对拟改造的其余电动机在2015年全部实施完毕。
2 应用中出现的问题及解决方法
2.1 电动机未根据设备运行的实际工况设计导致变频器故障
提升机运行工况复杂, 负载波动较大;风机类负载在快速减速或急停过程中, 会由于惯性较大, 使得永磁电动机处于制动发电状态。这两类负载在实际运行中, 会使变频器直流电压过高, 烧毁变频器电容。
例如生料立磨回渣提升机原有异步电动机在负载波动较大时, 从未烧毁变频器电容, 而更换为稀土永磁电动机后, 电容频繁烧毁。其原因在于负载波动时, 同步电动机在发电状态下反馈的能量比异步电动机大, 导致变频器电容烧毁。因此对于惯性较大的负载或下行皮带等设备, 需对变频器增加制动单元 (电阻) 或者更换成四象限运行的变频器, 将能量进行消耗或者存储。
2.2 驱动稀土永磁电动机变频器的使用
由于改造之前设备使用的变频器的软件算法只适用于普通异步电动机, 在改造为稀土永磁电动机后, 用常规的V/F控制方法无法实现该电动机的正常启动。在上电瞬间, 变频器无法预知永磁同步电动机转子磁极位置, 变频器的相位并不能配合电动机相位, 无法启动永磁电动机。同时经现场实测, 稀土永磁电动机的启动电流比普通异步电动机的启动电流要大很多, 使用功率匹配的变频器无法满足启动要求, 从而启动时变频器报过流故障, 导致设备不能正常运行。
我公司考虑到成本投入问题, 并未对原有异步电动机配套变频器进行更换。为保证永磁电动机的正常启动和运行, 将原有变频器的IR补偿参数进行调整, 调整范围根据实际情况进行设定, 设定范围为1%~3%, 使用效果良好。如果更换为同步电动机用变频器, 那么变频器功率要比永磁电动机功率高1~2个档, 原因是同步机“整步”的过程中, 永磁 (同步) 电动机电流比异步电动机电流大很多。变频器的载波频率尽量设大, 若载波频率低, 会导致电动机运行时转矩脉动大, 出现振荡而引起失步, 产生过流现象。
2.3 自启动永磁同步电动机启动牵入同步困难
我公司在无需调速的设备中使用了部分自启动永磁同步电动机, 该类型电动机的永磁体设计剩磁密度和磁能积较大, 在启动时永磁体引起的制动转矩增大, 启动过程的平均转矩会降低, 则牵入同步过程开始时的转差率增大, 从而又会使牵入同步能力下降;同时电动机的转子电阻设计的较小, 使得异步转矩必须克服同步制动转矩和负载转矩, 也会使同步能力下降, 导致启动困难。
由于带软启动器的设备属于改造范围, 因此使用了一批自启动永磁电动机。为解决该类型电动机的启动困难问题, 将软启动器参数中的启动电压设置由原来的30%提高到70%。同时对不带软启动装置的设备, 仅仅在水泵和油泵等类型负载中使用了自启动永磁电动机, 改造达到了良好的效果。
2.4 现场电缆线路过长电动机不易启动
应用的部分设备与现场的距离过远, 电缆长度超过150m, 因存在一定的压降, 导致电动机启动时, 不能达到额定电压, 达不到相应的启动转矩, 导致该电动机堵转, 不能启动。
对此类问题的解决可采取使用截面积较大的电缆、变频器出线侧增加电抗器、在允许的情况下提高系统电压、采用就地补偿的方式等方法。
2.5 现场特殊环境和操作不规范致使永磁电动机使用效果不佳
永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时, 其导磁性能会下降或发生退磁现象, 将降低永磁电动机的性能, 严重时还会损坏电动机, 导致永磁电动机使用效果不佳。例如在工作环境温度较高、设备振动较大的地方;连续启动电动机, 使得电动机过热去磁, 致使电动机特性变差。
在使用永磁电动机时, 要充分考虑电动机的特性及设备运行工况条件, 对不宜使用的地点, 不推荐采用永磁电动机, 同时对操作人员进行培训, 规范操作, 使其对永磁电动机有深入了解和认识, 从而发挥永磁电动机优势。
3 应用效果及数据分析
3.1 数据统计
经过半年多的运行, 通过对操作人员的记录数据进行分析整理统计, 发现改造的43台稀土永磁电动机平均节电率为8.5%~9.8%。若按此节电率计算, 年平均运行时间300天, 年可节约电量175万k Wh, 折合标煤586t。表1为部分设备改造前后参数对比。
3.2 负载率对功率因数的影响
在实际生产过程中, 设备的选型问题会出现大马拉小车现象, 在生产线正常运行时, 根据产量负荷的变化, 低压电动机的负载率基本在70%~95%间波动, 而在生产异常情况时, 异步电动机的负载率越低, 其功率因数和效率同样也低。而永磁电动机在这方面的优势充分体现出来, 表2为两种90k W的电动机在不同负荷率下电流、功率因数和效率的对比参数。
从表2可以看出, 永磁电动机在不同负载率下, 都有较高的功率因数和效率, 节电能力较强。
3.3 改造前后各参数比较
在保证正常生产所需的风压和风量下, 分别对原窑头罗茨风机型号为Y-280M-4/功率90k W的电动机和更换后型号为TYYSP250M-4/功率75k W的永磁同步电动机进行在线测试, 数据见表3。
从表3可以看出, 异步电动机可以用小一个机座号的永磁电动机来替换, 达到节电效果, 同时还可以降低配电设备的型号要求。
4 结论与建议
1) 由于稀土永磁电动机的节能效果较好, 装机容量为2 923k W, 按照平均节电率9%, 年平均运行300天, 平均电价0.5元/k Wh来算, 年可节约电费94.7万元。
2) 鉴于永磁电动机对设计、加工水平和永磁材料要求较高, 建议选用国内具有较强研发和生产实力厂家的产品。
3) 使用可以实现同步调速功能的变频器, 并加强与变频器厂家的技术沟通与交流。
4) 永磁同步电动机具有较好的低速满载、长时运行的优势, 我公司正研究对皮带机、给料机、板喂机等设备进行改造。使用永磁电动机, 既能满足设备低速满载和调速的要求, 同时可以去除减速机, 提高设备传动效率, 减少设备维护量, 达到节能效果。
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稀土永磁电动机 篇2
稀土永磁同步电动机由于其具有高效率、高能量密度、结构简单等特点,因而在众多工业领域得到广泛应用。近年来,为了应对气候变暖和能源危机,世界各国在大力发展可再生能源的同时,不断通过技术创新研发高效率节能产品,以达到节能减排的目的。稀土永磁同步电动机高效节能的特点使其已成为各国重点发展的机电产品之一。但是,由于稀土永磁同步电动机采用永磁体励磁,嵌入电机内的永磁体是其重要的结构部件,它的磁性能直接影响永磁同步电动机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应以及机械振动等因素影响下,嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁,使电机性能急剧下降,损耗增加,甚至有可能导致电机停转。如果永磁同步电动机长期运行在失磁状态下,其电能损耗反而可能高于其他类型电机,高效节能优势将失去。因此,必须研究永磁同步电机失磁故障对电机效率的影响,采取必要措施,尽量防止电机不可逆失磁的发生[1,2]。本文基于功能强大的有限元电磁场仿真软件Ansoft 13,对调速永磁同步电动机进行建模仿真,模拟其发生失磁故障的状态,对失磁故障状态下的电机铜耗和铁耗进行计算,并与正常状态下进行比较,分析稀土永磁同步电动机失磁程度对电机损耗的影响。
1 理论分析失磁对电机的影响
永磁材料本身具有失磁特性,当嵌入电机内作为励磁磁极后,受电机运行时温度、电枢反应、机械振动以及其他因素的综合影响,永磁体发生不可逆失磁的风险增加,影响电机性能。下面从电机内部电磁原理分析失磁对电机的影响:
永磁同步电动机在设计时,通常会把空载反电动势E0设置在一个合理的范围,以确保电机成本与效率处于最优,其相量图如图1所示。为便于分析,假定永磁同步电动机交直轴磁阻相等,忽略定子电阻,可以用隐极同步电机的相量图进行分析[1]。当电机负载转矩不变即输出功率不变时,不计输入电压U和空载反电动势E0变化引起的定子铁耗和附加损耗的变化,则电磁功率也不变,有:
式中:Xs为同步电抗;C为常数。当供电电压U不变时,要保持电磁功率不变,必须满足:
从式(2)可以看出,当永磁体产生失磁后,空载反电动势E0会明显降低。在负载不变的情况下,必然会使功角θ增大和电流增加来产生与负载平衡的电磁力矩。因此,随着电机不可逆失磁的产生,电机的损耗会增加,电机效率会明显下降[3,4]。
2 基于Ansoft 13对永磁同步电机建模
基于Ansoft 13对一调速永磁同步电动机进行建模仿真时,可以在Maxwell 2D模块里面直接建模完成,也可以把永磁同步电动机基本参数输入Ansof 13的RMxprt中,然后导入Maxwell 2D中生成二维模型,再用Maxwell 2D中的瞬态模块进行有限元计算。本文采用第二种方法[5,6,7]。
2.1 电机额定数据和技术参数
本文研究的调速永磁同步电动机采用内置式平行充磁8极磁极结构,电机的主要技术参数如表1所示。
2.2 电机模型的建立
用Ansoft软件建立此永磁同步电机二维有限元模型的具体过程如下:把永磁同步电机的几何尺寸和基本参数输入RMxpr对应的电机模块参数窗口生成电机模型(设定为电动机运行方式)。软件对模型进行求解后一键自动生成二维有限元几何模型,如图2所示。生成的2D模型各项参数已自动添加,模型求解器默认为瞬态场求解器(由于电机结构对称,系统只生成1/4电机模型)。
2.3 仿真计算
2D模型建立好后,在瞬态场求解器状态下,对该电机进行求解计算。此时电机处于额定负载且无失磁状态,该电机的磁力线分布图如图3所示,正常情况下电机的铜耗和铁损如图4所示。
3 失磁仿真
永磁体发生失磁有可能是局部的,也有可能是均匀的,且失磁过程相当复杂,本文主要分析电机各磁极均匀失磁后对电机损耗的影响。为了模拟电机失磁故障状态,把永磁材料NdFe35的磁感应强度和矫玩力分别减小到原来的90%,75%,65%,50%,并定义为新的4种永磁材料NdFe35-1,NdFe35-2,NdFe35-3,NdFe35-2。将以上4种新的永磁材料和原永磁材料添加给电机,在Maxwell 2D中分别进行仿真分析,5次仿真均使电机工作在额定负载状态,从而观察定子电流和电机损耗的变化情况。这种对失磁的模拟可能与实际工程中电机发生失磁故障存在着一定的差异,但本文主要目的是基于有限元电磁场软件来定量分析永磁体失磁后对电机损耗的影响程度,以便在实际工程更加重视防失磁技术的研究[8,9,10]。
4 仿真结果及分析
在分析失磁对电机铜耗和铁损的影响时,仿真都是在额定负载下进行,不同失磁状态下电机铜损和铁损的变化曲线如图5～8和表2所示。
从仿真结果可以看出,稀土永磁同步电机的铜耗随着永磁材料失磁程度的增加而增加,而铁耗也随着失磁程度的增加会发生变化。当永磁磁极的磁损失达到50%时,电机铜耗超过了正常状态下的3倍,电机的效率也由正常状态下的91.8%下降到79.8%。因此,失磁对电机损耗的影响是非常大的。
5 结 语
基于有限元电磁场软件Ansoft 13,对调速永磁电机的失磁故障进行建模仿真,分析了额定负载情况下电机失磁故障对电机铜耗和铁耗的影响,并与正常状态下进行比较,可以看出电机发生失磁故障后,对电机铜耗影响比较大,当磁损失达到50%时,电机的铜耗是正常状态下的3倍,而且可以通过进一步仿真发现,随着电机失磁程度的增加,所产生的电磁转矩会小于负载转矩,电机会停转或者无法正常起动。这些仿真结果表明,必须对稀土永磁同步电动机的磁极磁性能进行有效的控制和监测,否则电机将失去高效节能特性,电机的综合性能将大幅下降。
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稀土永磁材料产业现状分析 篇3
在目前已探明的稀土储量中, 我国储量居世界第一, 约占世界总储量21 000万吨的43%, 号称稀土王国。这为今后我国大力发展稀土永磁产业打下了坚实的物质基础。稀土永磁材料的出现对推动工业进步, 特别是电机工业、办公自动化等起到了积极的作用。在实现元器件的小型化、轻量化、高性能、高可靠性方面, 稀土永磁材料更是显示出其优秀的特性[1]。回首这50年, 稀土永磁产业取得了巨大的成功。表1为典型永磁材料磁性能及其应用特点[2]。20世纪60年代, 第一代稀土永磁材料钐钴5 (Sm Co5的1:5型永磁合金) 被研发出来, 20世纪70年代第二代稀土永磁材料钐2钴17 (Sm Co5的2:17型永磁合金) 被研发出来, 同属Sm-Co系永磁合金。它们的最高磁能积 (BH) max、剩磁强度 (Br) 、矫顽力 (Hc) 、居里温度 (Tc) 等的磁性能较好, 各项指标都优于Al-Ni-Co系和铁氧体。1938年, 日本住友特殊金属公司Sagawa等人首先用粉末冶金法制备出Nd-Fe-B系永磁体, 磁性能高达286k J/m3[3]。不久, 美国通用汽车公司也用快淬和随后热处理的方法成功研制出Hc=1 194k A/m、 (BH) max=103.5k J/m3的Nd-Fe-B永磁体[4]。自此第三代稀土永磁材料诞生了, 与前两代相比:首先, 由资源丰富的Fe元素代替了资源稀缺的Co元素, 由价格相对便宜的Nd元素代替了价格较昂贵的Sm元素, 这在某种程度上大大降低了成本;其次, 3d铁原子在Nd2Fe14B四方结构的晶场作用下, 使Nd-Fe-B呈单轴各向异性, 具有较大的各向异性场 (Ba=73k Oe) ;再者, 它具有较高的饱和磁化强度 (Ms=116T) 和较大的理论磁能积 (BH) max=509k J/m3[5]。因而它被赋予“磁王”的美誉, 被大量运用。在21世纪的2005年期间, 我国成功生产出第四代稀土永磁材料衫铁型 (Sm Fe Ne永磁合金) , 它的最大特点是制成的磁性材料的居里温度 (T。) 达到500℃, 比烧结Nd Fe B高出约190℃, 这是一个重大突破[6]。
2 稀土永磁产业现状
稀土永磁产业链主要由稀土原材料和生产设备供应商、稀土永磁材料生产商以及消费市场上中下游3个环节组成[7]。
2.1 稀土原材料价格持续走高
近年来, 稀土原材料价格持续走高, 主要原因如下:
首先, 国际市场需求旺盛。稀土永磁材料作为一种高磁能积、高矫顽力的新型稀土功能材料, 被誉为磁王, 并被广泛应用于民用以及军用产品的成产制造中。由于其在军事方面应用较多, 许多国外的发达国家将其当作是重要的战略资源, 且出于保护本国环境的考虑, 更多的国家选择从中国进口原材料。全球地壳中稀土资源储备量并不少, 只是分布十分不均。由表2可以看出[8], 中国, 前苏联, 美国, 澳大利亚, 印度, 加拿大等国都是稀土资源大国, 其中中国储量为4 300万吨, 占全世界的41.36%, 远远高于其他国家, 且国外稀土以轻稀土为主, 重稀土还是要从中国进口。这无疑促进了中国稀土产业的发展。
其次, 稀土应用产业迅速发展, 加大了对原料市场的需求。稀土永磁材料有剩磁高、矫顽力高、磁性能好等优点, 被广泛应用于雷达、航天技术、卫星通讯、计算机、自动控制、旋转机械设备、交通运输、磁分离、石油化工、各种仪器仪表以及医疗等领域。每年以高于20%的增长速率快速发展。稀土永磁材料的具体应用将在后文详述。
最后, 国内外对稀土这种战略资源实行保护政策。一方面, 稀土原材料的肆意开采对环境造成了不可挽回的后果, 且稀土永磁材料作为一种重要的战略资源被大量运用于民用以及军用之中。另一方面, 国外的开采成本普遍高于中国, 中国由于其丰富的资源以及廉价的劳动力, 吸引了更多国外厂商的目光。
2.2 上游原材料价格波动影响整个产业链
截止到2013年的数据调查结果显示, 在稀土永磁的整个产业链中, 原材料占总成本的比重相当高, 达到70%左右。这也是中国主要的行业优势, 因为60%-80%的主要原材料可以从中国国内购得, 减少了运费, 使成本大大降低。
在我国, 稀土行业发展中仍存在非法开采屡禁不止、冶炼分离产能扩张过快、生态环境破坏和资源浪费严重、高端应用研发滞后、出口秩序较为混乱等问题, 严重影响行业的健康发展。为了遏制这些问题, 近几年稀土产业相关规定相继出台。2010年5月13日发布的《关于公开征集稀土行业准入条件意见的通知》对稀土行业的多项指标划定门槛, 促进了行业的整合。2010年5月18日发布的《稀土等矿业开发秩序专项整治行动方案》包含严查严打, 彻底整顿矿山资源勘探开采秩序;重点开展专项整治行动;规范勘探开采行为, 严格控制开采总量等内容。2010年5月25日发布《稀土工业发展的专项规划》, 提出“冶炼分离企业由100家减为20家”, “2009-2015年, 国家将不再批准新稀土采矿矿权”等目标。2011年2月28日发布《稀土工业污染排放标准》, 提高了稀土行业门槛。2011年5月19日发布的《关于促进稀土行业持续健康发展的若干意见》把保护资源与环境、实现可持续发展摆在了更加重要的位置, 提出依法加强对稀土采矿、生产、流通进出口等环节的管理, 研究制定和修改完善加强稀土行业管理的相关法律法规。2011年9月30日发布《中华人民共和国资源税暂行条例》, 提高了资源税10到20倍, 调整后的稀土矿税率为0.4-60元/吨。2012年5月16日发布《关于稀土专用发票的通知》, 自2012年6月1日起, 稀土企业必须通过增值税防伪税控开票系统 (稀土企业专用版) 开具增值税专用发票和增值税普通发票。2012年6月28日发布《稀土指令性生产计划管理暂行办法》, 规定企业未获得计划指标, 不得从事稀土矿产品和稀土冶炼分离产业的生产。
从国外稀土资源供给端看, 虽然已有多个稀土矿床准备复产、开发、扩产, 以保证稀土原料的供需平衡, 美国、澳大利亚、加拿大等国稀土资源释放表现出加速迹象, 国外稀土产能持续提高, 但是, 国外稀土矿以轻稀土为主, 需求量较大的Dy等中重稀土, 仍将由国内供应。鉴于国外稀土厂商的环保成本和人力成本很高, 其稀土原料价格仍然高于国内, 国内稀土永磁厂商需要付出更高的成本才能购买到国外稀土原料。根据美国地质调查局 (USGS) 公布的数据, 中国稀土产量从1990年的1.6万吨, 增长到2011年的13万吨, 增长率从27%上升到97%。然而, 从2011年下半年开始, 由于市场上出现了投机资本的恶性炒作, 并且存在稀土违法违规生产和走私行为, 导致我国稀土原材料价格出现了前所未有的暴涨暴跌, 致使稀土永磁材料价格短期内剧烈变动, 中低端下游应用领域深受其害。
上游原材料市场对下游低端应用市场影响很大, 分析原因发现, 原材料的波动带动中间运输包装等环节的波动, 使低端市场不再具有价格优势, 随着时间的推移, 已基本退出主要市场。中端稀土永磁材料市场主要以电子产品为主, 很多厂家为了节省成本, 纷纷重新启用氧化铁来代替钕铁硼稀土永磁材料。长此以往, 严重影响了整个稀土永磁市场, 特别是烧结钕铁硼。随着低端以及中端应用市场的不景气, 高端应用市场成为不可替代的产业, 且烧结钕铁硼在高端市场的应用是无法替代的, 不会因为价格的波动而有所变化。从稀土永磁产业布局看, 中国是最大的原材料产地之一, 且更多的外国厂商选择关闭本国工厂, 将工厂直接搬到中国, 这不仅节省了中间进口差价, 且原材料渠道问题也解决了, 这种现象的发生在某种程度上有利于稀土永磁的产业化进程。
2.3 下游中低端市场竞争激烈, 稀土永磁产业未来前景良好
针对下游市场的现实情况, 国家近几年相继发布了扶持下游稀土产业的相关政策。2009年4月15日发布了《电子信息产业调整和振兴规划》, 内容包括:确保计算机、电子元件、试听产品等骨干产业稳定增长;在通信设备、信息服务、信息技术应用等领域培育新的经济增长点。《关于进一步加大工作力度确保实现“十一五”节能减排目的的通知》中, 安排中央预算内投资333亿元, 中央财政资金500亿元左右, 重点支持10大重点节能工程建设、发展循环经济、淘汰落后产能、城镇污水垃圾处理、重点流域水污染治理, 以及节能环保能力建设等。《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》规定, 中央财政对试点城市私人购买、登记注册和使用的新能源汽车给予一次性补助, 对动力电池、充电站等基础设施的标准化建设给予适当补助, 并安排一定工作经费, 用于目录审阅, 检查监督等工作。《关于印发节能产品惠民工程高效电机推广实施细则的通知》中规定, 对于稀土永磁电机财政补贴为40-60元/kw。《节能与新能源汽车产业发展规划2012-2020》提出目标为:到2015年, 纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计销量达到50万辆;到2020年, 纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆, 累计产销量超过500万辆, 燃料电池汽车, 车用氢能源产业与国际同步发展。《能源发展“二十五”规划》中提出, 推动能源供应方式变革, 大力发展分布式能源, 推进智能网建设, 加强新能源汽车供能设施建设。通过以上这些政策的颁布, 我相信, 稀土永磁产业在未来会发展良好。稀土永磁材料作为一种新型节能低碳环保材料, 它的产业价值是备受关注的。
表3为我国对高端稀土永磁材料的需求量预测[7], 可以看出新型高端产业的预测值在五年之内成倍增加。其次, 传统汽车工业、电子产业、核磁共振、磁县浮列车、石油节能抽油机对高性能烧结钕铁硼的需求将爆发。
3 结语
目前, 稀土永磁材料产业已经成为中国稀土应用领域中发展最快和规模最大的产业。为了使稀土永磁产业继续保持势头平稳地发展下去, 提出以下几点意见。
第一, 要坚持市场为导向。遵循稀土行业市场经济规律, 突出企业的市场主体地位, 充分发挥市场配置资源的基础作用, 重视稀土新材料的推广应用和市场培育。准确把握稀土永磁产业发展趋势, 加强稀土永磁产业的规划实施和政策制定, 积极发挥政府部门在组织协调、政策引导、改善市场环境中的重要作用。
第二, 坚持突出重点。稀土材料品种繁多、需求广泛, 要统筹规划、整体部署, 在鼓励各类新材料的研发生产和推广应用的基础上, 重点围绕经济社会发展重大需求, 组织实施重大工程, 突破新材料规模化制备的成套技术与装备, 加快发展产业基础好、市场潜力大、保障程度低的关键新材料。
第三, 坚持创新驱动。创新是稀土永磁产业发展的核心环节, 要强化企业技术创新主体地位, 激发和保护企业的创新积极性, 完善技术创新体系。通过原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新, 突破一批关键核心技术, 加快稀土永磁材料产品开发, 提升稀土永磁产业创新水平。
第四, 坚持协调推进。加强稀土永磁产业与下游产业的相互衔接, 充分调动研发机构、生产企业和终端用户的积极性。加强稀土永磁产业与原材料工业的融合发展, 在原材料工业改造提升中, 不断催生新材料, 在稀土永磁产业创新发展中, 不断带动材料工业升级换代。加快军民共用材料技术双向转移, 促进稀土永磁产业军民融合发展。
第五, 坚持绿色发展。牢固树立绿色、低碳发展理念, 重视稀土永磁研发、制备和使用全过程的环境友好性, 提高资源能源利用效率, 促进新材料可再生循环。改变高消耗、高排放、难循环的传统材料工业发展模式, 走低碳环保、节能高效、循环安全的可持续发展道路。
摘要：近些年, 稀土永磁材料发展迅速, 已经成为新一代的高效环保材料, 被广泛应用于多种领域之中。稀土永磁产业链主要由上游稀土原材料、中游生产设备供应商和稀土永磁材料生产商以及下游消费市场3个环节组成。本文分析了稀土永磁产业链之间的影响关系, 并结合近几年国家对稀土行业的相关政策对稀土产业的现状提出几点意见。
关键词：稀土永磁,产业,分析
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稀土永磁电动机 篇4
1904年Heusler首次报道了Mn Bi合金具有铁磁性能。Guilaud和Thielman系统地报道了关于Mn Bi合金的磁性特征, 证实Mn Bi合金中每个Mn原子的磁矩为3.9 (±015) μb, 居里温度可达720 K, 在室温下Mn Bi的磁晶各向异性能为11.6×102 k J/m3。第一性原理计算预测完全致密、单轴各向异性Mn Bi永磁体的磁能积可达144 k J/m3 (18MGOe) , 矫顽力在280℃仍高达25.8 k Oe。
Mn Bi合金具有多种相结构, 其中高温相 (HTP) 具有优异的磁光特性, 低温相 (LTP) 则具有很高的磁晶各向异性 (K≈106 J/m3) 。Mn Bi低温相呈Ni As型晶体结构, 在室温下具有强铁磁性。文章主要论述了Mn Bi合金的各种制备技术及发展情况, 通过分析与对比, 熔体快淬法与后续的退火工艺处理相结合, 将有望成为制备高磁性Mn Bi合金较为理想的技术。
1 Mn Bi永磁合金的制备技术
目前, Mn Bi永磁体的合成方法较多, 如粉末烧结、机械合金化、磁场取向凝固、机械合金化、感应熔炼等。下面将对制备Mn Bi合金的主要方法进行一一介绍。
1.1 粉末混合烧结法制备Mn Bi永磁合金
传统方法Mn、Bi颗粒混合 (一般按分子式原子比为1∶1进行Mn Bi合金的配料) 烧结法就是在低于包晶反应的某个温度下进行烧结以获得永磁Mn Bi合金, 而这种传统方法制得的合金中低温相含量比较低, 含有较多的初始原料Mn和Bi相, 严重影响了Mn Bi合金磁性能的发挥, 也造成了材料的浪费, 合成效率不高。
针对这个问题, Yang等人采用该制备技术, 改进工艺路线, 得到了较好的结果[1,2,3]。其具体制备方法是将纯度高于99.99%的Mn和Bi金属 (粉末) 以Mn∶Bi=55∶45的比例混合, 在392 MPa (4 000 kg/cm2) 的压力下用模具成型为柱状混合金属粉末坯体。将坯体在氩气气氛中烧结1~10 h, 烧结温度为1 000℃, 之后冷却至室温。烧结后获得的合金中含有高于60% (质量) 的Mn Bi低温相。经过磁分离并研磨成细粉后, 低温相的含量在90%左右。用树脂作粘结剂, 利用磁场 (取向场为796 k A/m) 将合金粉末制成各向异性粘结磁体。该粘结磁体在室温和400 K时的磁能积分别高达61.3 k J/m3 (7.7 MGOe) 和37 k J/m3 (4.6 MGOe) [3]。
黄潇等人在此基础上研究发现, 采用粉末混合烧结法制备出的合金, 其磁性相纯度很低, 进行有效的磁分离是必要的, 且Mn Bi磁体矫顽力随粒度的降低而提高。在一定烧结时间和烧结温度范围内, 压制成的坯体形状对于提高磁性相生成率很重要, 扁圆片型坯体的磁性相生成率明显高于传统的圆柱型坯体[4]。
1.2 磁场凝固法制备过共晶Mn Bi/Bi磁性功能复合材料
制备过共晶Mn Bi/Bi复合材料的方法主要有定向凝固法[5,6]、离心定向凝固法[9]和磁场凝固法[7,8,9]等。当Mn含量>6.6%时, 采用前两种方法处理会出现Mn Bi析出相严重偏聚、磁性能恶化的现象, 采用磁场凝固法则几乎不受合金成分的限制。
在强磁场中, 具有磁各向异性的晶体以不同的晶体轴平行磁场时所受的磁化能不同。当晶体能够自由转动时, 将在磁场中受到磁力矩的作用并发生旋转, 直到所受磁化能最小为止, 这是磁场中磁晶各向异性强磁取向作用的结果。
Savitsky等将Mn含量为0.9%~10%的Bi-Mn合金完全熔化后置于2.5 T磁场中凝固, 获得组织规则排列的复合材料。Yasuda等将bi-20.8%Mn合金加热至固液两相区 (300℃) 凝固, 施加4.0T磁场获得Mn Bi析出相排列规则的织构组织[7,8]。
吴琼、马娟萍等人在2004年进行了强磁场下的共晶合金定向凝固研究, 结果表明, 强磁场使得Mn Bi共晶组织纤维尺寸变大, 纤维间距变宽[10,11]。
此外, 王晖、任忠鸣等人将Bi-Mn过共晶合金在3种不同条件下凝固, 采用金属纯度大于99%的Mn和Bi在真空感应加热炉中熔炼, 并在Ar气保护下急冷得到Mn含量质量分数分别为3%、6%和20%的Bi-Mn合金, 液相线温度依次约为365℃、448℃和1 100℃, 合金Mn Bi析出相均在磁场作用下平行于晶体的c轴磁场取向, 形成规则排列的组织, 并且所得材料的剩磁都具有明显的各向异性。合金在低于355℃的固液两相区凝固时, 铁磁性Mn Bi析出相在1.0 T磁场中迅速形成均匀分布的织构组织, 且在无磁场条件下保持稳定, 材料无需热处理就有很好的剩磁性能, 由此得出磁场凝固技术能够高效率地、直接制备出性能优良的Mn Bi/Bi磁性功能复合材料[9]。
1.3 机械合金化工艺制备Mn Bi永磁合金
机械合金化是由美国INCO公司于20世纪60年代末发展起来的一种开发新型材料的技术。将欲合金化的元素粉末机械混合, 在高能球磨机中长时间球磨粉碎, 合金粉末承受冲击、剪切、摩擦和压缩等多种力的作用, 经历粒子扁平化、冷焊合以及合金粒子均匀化的过程, 在固态下实现合金化。近几年被广泛应用于开发非晶合金、准晶合金、纳米晶合金和过饱和固溶体等[12]。
徐民等人在1997年将纯度99.85%粒度为160目的锰粉与纯度99.95%粒度为160目的铋粉按Mn90B10 (at%) 配料后, 放在研钵中混合均匀。钢球和混合粉末按m钢球∶m混合粉末=10∶1的比例装入不锈钢罐中[12], 抽真空、充氢气后在行星式球磨机上进行球磨15 h。测试结果显示Mn的晶格常数明显增大, 从0.891 0 nm增大到0.893 1 nm, 说明了铋在锰中的固溶度明显增加 (在常温或常规条件下, 锰和铋不互溶, 但当其混合粉末的尺寸达到nm量级时, 却具有了一定的固溶度) 。在球磨的同时还改善了反应的动力学条件, 使得在室温或常规条件下一般不能进行的固态反应, 在高能球磨状态下却能够进行。
此外, 球磨15 h时饱和磁化强度急剧增大到最大值。该研究结果表明了Mn、Bi混合粉末通过机械合金化可以形成纳米晶合金, 而且经过短时间球磨即可迅速细化而达到纳米尺度, 进而提高了铋在锰中的固溶度。反铁磁性的Mn元素和抗磁性的Bi元素通过机械合金化可以产生铁磁性合金[12]。国内外关于单独报道机械合金化在Mn Bi合金制备过程中的应用很少, 但是作为提高Mn Bi合金永磁性能的后续处理使其粒子纳米化的研究中机械合金化技术却有广泛的应用。
1.4 真空感应熔炼制备Mn Bi永磁合金
真空感应熔炼技术始于1920年, 主要用来冶炼镍铬合金, 直到第二次世界大战促进了真空技术的进步, 使得真空感应熔炼炉真正地发展起来。经过几十年的发展感应熔炼技术已经成为目前对金属材料加热效率最高、速度最快, 低耗节能环保型的感应加热技术。该技术主要在感应熔炼炉等设备上实现, 应用范围十分广泛[13]。
在2006年, Liu Yongsheng等人在探究磁场对Mn Bi合金铁磁性与顺磁性转变的临界温度以及磁性能的影响中就用到了该方法。他们使用99%纯度的Bi以及99.5%纯度的电解锰。将合金放置于感应炉中进行熔炼, 并且放到一个暴露在氩气气压为50.6k Pa的石墨模具中。将直径为9.5 mm长度为25 mm的样品密封在石墨管中并插入到位于磁铁两极之间的电阻炉。在实验中, 磁铁两极之间的磁场强度 (最大14 T) 可以调整而在炉腔的温度也可以自动控制。电阻炉内的温度最高可达到1 273 K, 并且可通过一个与样品直接接触的Ni Cr–Ni Si热电偶以±1 K的精度进行直接测量。根据Mn Bi合金相图显示其有3个不同的区域: (1) 在TC至719 K的温度下呈现的是Mn Bi顺磁性固态高温相与液相Bi的混合物; (2) 535 K到TC的温度下呈现的是Mn Bi铁磁性固态高温相; (3) 低于535 K温度下则呈现Mn Bi固态低温相与固态Bi的复合物。由于合金共晶温度低于535 K并且Bi-6wt%Mn合金的液相线温度高于630 K, 因此合金在548 K温度下呈现半固体状态[14]。
1.5 电弧熔炼法制备Mn Bi永磁合金
真空电弧炉 (又称真空电弧重熔炉) 是用来熔炼钛、锆、钼、钨等活性金属和难熔合金, 以及熔炼优质耐热钢、不锈钢、工具钢和轴承钢的重要设备, 在航空、航天、军工、核电、能源、化工等领域的材料生产中起着重要的作用。[15]
1998年, Hajime Yoshida等人用真空电弧熔炼法成功制备了Mn Bi合金。在预处理环节中, 其将Mn钢锭放置于一个半大气压下的氩气氛围中进行电弧熔炼去除杂质气体。通过快速凝固熔融在氦气氛围中进行电弧熔炼后的Mn与Bi的混合溶液制备高温相样品。在此淬火过程之后, 在氦气氛围中再次用电弧熔炼进行区域熔融。随后在真空570~900 K的温度下进行热处理, 最终使样品转化为低温相并获得尺寸长度为40 mm, 宽度为15 mm, 厚度为5 mm的样品, 最终得到的Mn Bi合金是由Mn1.08Bi和Bi液相发生包晶反应得到的。在此过程中Hajime Yoshida等人成功制备了具有低温相的Mn Bi合金试样, 而在氦气压力氛围中将Mn与Bi的混合溶液进行电弧熔炼并随后快速淬火则成功制得了具有高温相的Mn Bi合金。经分析, 所得到的Mn Bi合金的微结构主要由低温相组成, 同时还有一小部分的α-Mn和Bi。在磁场强度为14 T的情况下, 样品的磁化强度为0.9 Wb/m2 (=3.78μB/Mn原子) 。在100 K左右的时候样品发生自旋翻转现象。α-Mn样本被观查到具有高耐腐蚀性, 在一年多的时间内几乎没有被氧化[16]。
1.6 熔体快淬法搭配后续处理制备Mn Bi永磁合金
目前的技术条件下, 制备纯的低温相异常困难。传统的制备方法如电弧熔炼、感应熔炼、机械合金化等都难以得到高纯度的Mn Bi低温相材料并且都会都会导致Mn元素的偏析现象[17]。熔体快淬搭配后续的热处理工艺, 是目前较为流行的制备纳米晶永磁Mn Bi合金的工艺方法, 其原理简图如图1所示。
关于熔体快淬法, Xu等人于1989年首先报道了利用熔体旋淬法制备Mn-Bi合金的研究结果[18]。合金以MMn∶MBi=45∶50为配比, 用石英管在氩气中熔炼, 之后用水快速淬火获得母合金, 将母合金在快淬炉中重熔后快淬成鳞片状合金并将部分母合金进行热处理, 快淬后获得的合金为六方晶格的快淬高温相。此外Guo等人在1990年后陆续发表了有关应用“快淬+热处理”制备Mn Bi合金的研究结果, 获得了单相纯度高 (大于95%) 的低温相合金[19,20]。
熔体快淬法是指首先获得均匀薄带, 再将其加热到晶化温度 (Tx) 以上并保温一段时间, 使薄带合金转变成需要的相结构。这种方法是Mn Bi永磁合金较好的制备方法[21,22,23,24]。
2002年, 在研究Mn Bi合金低温相的磁性能的实验中, S.Saha等人用熔体快淬法搭配后续的热处理工艺成功制备了Mn Bi低温相。利用球磨技术将熔体快淬法所获得的缎带制成粉末。之后测定这些粉末的磁性能, 特别研究那些从室温到350℃球磨了2 h和10 h的合金粉末的矫顽力。研究发现合金粉末的矫顽力随着温度的增加而增加直到在280℃达到最大值25.8 k Oe[25]。
2011年, 在研究各向异性纳米晶体Mn Bi合金在高温下的高矫顽力的实验中也同样使用了熔体快淬搭配低温热处理制备了Mn Bi纳米硬磁晶体。该研究发现在540 K温度时平均晶粒尺寸约为20~30 nm的Mn Bi合金可以达到2.5 T的矫顽力。而主要由相关的磁化旋转控制的矫顽力i Hc在100~540 K的温度下呈现出正的温度系数, 并在一定程度上其大小取决于研磨时间的长短。此外, 放置在环氧树脂内并置于场强为24 k Oe的磁场下的Mn Bi纳米晶体粉末在室温下最大磁能积为7.1 MGOe, 当温度上升到560 K时, Mn Bi纳米晶体粉末具有高Mr/Ms比的各向异性[26]。
2 Mn Bi合金的性能
Mn Bi合金具有较好的磁性能, 具体表现在其较好的矫顽力以及高磁能积, 、磁光特性 (克尔效应) 、磁热特性 (磁卡效应) 、磁致伸缩效应等, 且其矫顽力随着温度的升高而增加, 是少有的具有挣得矫顽力温度系数的磁合金之一。而不同的制备工艺所获得的Mn Bi合金的性能也不同, 通过不断改进Mn Bi合金的制备工艺对提高Mn Bi合金的磁性能有着重大意义。
迄今为止, 国内外的研究者尝试了很多种方法来制备具有较高纯度的低温相的Mn Bi合金, 但尚存在两个关键技术难点一直很难解决, 导致其磁性能偏低, 极大地限制该类材料的应用: (1) 高纯度单相Mn Bi永磁体。原因是在Mn Bi物相转变过程中, 包晶反应温度为719 K, Mn极易从Mn Bi液相中偏析, 同时还存在与低温相晶体结构相近的高温相和高矫顽力相析出, 这使得固相反应很难获得高纯度的Ni As型低温相LTP。 (2) 强织构Mn Bi晶体结构。理论研究表明, 高取向永磁体磁性能至少是无取向的2倍以上, 最高磁能积可达800 k J/m3[27]。
3 结语
通过国内外对Mn Bi合金的主要制备技术的综合分析与对比, 不难发现采用熔体快淬法具有较好的发展前景。并且对熔体快淬法获得的Mn Bi合金搭配后续热处理工艺以及球磨工艺则更有利于Mn Bi低温相的合成从而获得高纯度的低温相, 对目前Mn Bi合金中普遍存在的Mn Bi低温相纯度不高的问题具有突破性的意义。但是, 时至今日, 制备Mn Bi合金的工艺仍需优化, 如何从工艺或者其他因素例如元素掺杂角度来提高Mn Bi合金的磁性能也正成为现下研究的热点。
摘要：阐述了MnBi合金的发展状况以及最新研究进展, 详细介绍了国内外至今比较常用的MnBi永磁合金制备技术, 如粉末混合烧结、机械合金化、磁场取向凝固、电弧熔炼、真空感应熔炼、熔体快淬制备MnBi合金等技术。通过综合分析, 熔体快淬法与后续的真空退火工艺处理相结合制备MnBi合金具有较高的效率, 能够获得含量较高的低温相MnBi永磁体, 并有望成为制备高磁性MnBi合金较为理想的方法。
稀土永磁电动机 篇5
国家发展改革委员会于2005年启动了《节能中长期专项规划》十大重点节能工程, 其中的一项就是电机系统节能工程。我国对永磁同步电动机的研究起步较晚, 但发展迅速。作为一个稀土大国, 稀土资源丰富, 已探明的稀上储量占全世界稀上蕴藏总量的80%, 稀土永磁技术的研究优势得天独厚, 稀土永磁同步电动机正在逐步走向规模化生产。由于稀土永磁同步电动机结构复杂多样, 永磁材料的磁特性为各向异性, 使得稀土永磁同步电动机的设计变得比较复杂, 计算准确度比较差;另外, 设计不当易造成钕铁硼永磁体退磁, 影响电机效率。因此研究高效稀土永磁同步电机具有十分重要的意义。
2 永磁同步电机损耗分析
电机损耗是高效永磁同步电动机设计的关键问题之一, 电机的损耗主要有铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗, 各种损耗占总损耗的比例随其功率而变化, 对于小功率永磁电机而言, 其损耗对电机效率影响非常大, 其中主要是铜耗与铁耗, 而机械损耗和杂散损耗一般都比较小。
2.1 铜耗分析
定子绕组铜耗主要为定子绕组在运行温度下电阻损耗, 铜耗Pcu的计算公式为 (1) :
式中:m为相数;I1为定子直流;R为定子直流电阻。
2.2 铁耗分析
铁耗包括交变主磁通在定子 (或转子) 铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗, 铁耗Piron的计算公式为 (2) :
式中:Ph为涡流损耗, Pe为磁滞损耗。
铁耗的计算主要由三种方法:经验公式法、测量线圈测电压法与有限元法。采用有限元法可计算出波形齿部和轭部的磁密分布, 进而计算其涡流损耗和磁滞损耗。
2.3 机械损耗分析
机械损耗包括轴承摩擦损耗、通风损耗, 机械损耗Pfw近似的计算公式为 (3) :
式中:k为机械损耗系数;Dr为转子外径;LFe为铁心有效长度;τp为电机的极距;ns为转速。
2.4 杂散损耗分析
杂散损耗又称附加损耗, 是由定子电流和转子永磁体产生的漏磁场及高次谐波磁场, 以及由气隙磁场变化而引起的损耗, 杂散损耗直接关系到电机效率的高低, 可从削弱谐波入手来减小杂散损耗。
3 提高永磁同步电机效率与功率因数分析
永磁电机的设计关键就是要获得高的效率与较大的功率因数, 提高稀土永磁同步电机效率与功率因数的途径较多, 但也比较复杂, 在提高某一性能的同时, 有可能会影响到电动机的其他性能, 因此必须综合考虑, 并根据动机的实际制造工艺, 采取相应的措施, 本文主要从以下几个方面来综合考虑。
3.1 降低永磁同步电机的损耗
从第一节分析可知, 要降低永磁同步电机的损耗主要是降低其铜耗与铁耗。降低铜耗可选用高性能的永磁材料, 永磁体选用高剩磁感应强度、高磁感应矫顽力、高磁能积的稀土永磁钕铁硼材料, 采用集中绕组型式以减少导线用量, 绕组线圈电阻降低, 并增大导体线径和增大槽面积等措施, 来降低永磁同步电机的铜耗。降低铁耗, 一般采用单位损耗较小的铁磁材料, 永磁同步电动机由于采用永磁体励磁, 谐波含量比较丰富, 因此要减小谐波造成的附加铁耗, 铁心材料可选用高性能的硅钢片。
3.2 合理选择气隙长度
虽然稀土永磁同步电动机功率因数受气隙的影响要比普通异步电动机小, 但适当加大气隙长度占可在一定程度上减小电动机的杂散损耗。因此, 为了减小气隙谐波引起的杂散损耗, 降低电动机的振动与噪声, 以及便于电动机的装配, 其气隙长度往往比同规格的感应电动机的气隙稍微大些。
3.3 选择合适的空载反电势
空载电势是稀土永磁同步电动机最关键的参数之一, 合理的空载电势取值可以提高电机的效率, 降低稀土永磁体的用量。空载电势选取主要应该考虑以下几方面的影响:⑴在较宽的负载变化范围, 有较高的功率因数和效率;⑵要满足电机的启动要求;⑶要满足电机的过载要求;⑷永磁体用量要尽量少。
4 永磁同步电机结构设计
永磁同步电动机主要由定子、转子、机座、端盖等部件构成, 永磁电机的结构设计主要是定子型号的确定与转子的结构设计, 永磁同步电动机的定子一般与三相异步电动机相同, 采用同型号的机座即可, 由定子铁心和定子绕组构成。转子主要由永磁体、转子铁心和转轴构成, 转子设计是永磁同步电机设计的关键。
4.1 定子结构设计
本次设计的是5.5KW的异步启动永磁同步电机, 采用Y132M2-6型号机座, 定子槽型与同容量异步感应电机大致上相同, 本设计选用梨形槽, 定子冲片结构基本上也相同, 此处采用叠片结构。根据异步起动永磁同步电机的需要, 定子槽数设定为36个, 定子每极每相槽数q为 (4) :
式中:z1为定子槽数, z1=36;m为相数, m=3;p为极对数, p=3。
采用短距绕组结构, 节距为y1=5, 采用了双层叠绕组, 每槽导体数Ns=20, 采用Y形连接。
4.2 转子结构设计
异步起动永磁同步电动机同样也能够采用与异步感应电机相类似的转子槽形, 这里采用平底槽, 槽内注铜形成鼠笼条。永磁体采用内置径向式转子磁路结构, 设计成矩形结构放置在转子上, 总体结构如图1所示。
4.3 永磁体尺寸设计
有了高性能永磁材料, 还要充分、合理地利用永磁体。稀土永磁电机中, 永磁体尺寸的设计影响到电机的各项性能指标与经济指标, 是设计中的关键问题之一。本设计中用永磁体的矩形结构取代通常的瓦片形结构, 能降低磁钢材料的加工用量。
永磁电机的体积计算式为[5]:
式中:为电机的额定容量;PN为空载漏磁系数;σ0为直轴电枢磁势折算系数;kad为电机短路时每对极的永磁体磁势为直轴电枢磁势的倍数;kfd为频率;ku为电压系数;kΦ为气隙磁通波形系数;为电机空载时磁感应强度标么值;bm0为电机短路时永磁体工作点退磁磁场强度标么值;hmk为永磁体的最大磁能积。
上述公式中有些参数在电机初始设计时不能确定, 应用性不强。实际设计中可使用以下几个计算公式[6], 永磁体磁化方向厚度的计算公式为:
式中:
为永磁体磁化方向的厚度系数, 为永磁体的相对磁导率, μr为安全系数, km为磁路饱和系数, ks为卡特系数, kδ为极弧系数, αp为计算极弧系数, σ0为空载漏磁系数;δ为气隙长度。
永磁体宽度尺寸的计算公式为 (7) :
式中:
为永磁体的宽度系, Lef为铁心有效长度, lm为永磁体长度;τ为极距。
永磁体用量 (体积) 为 (8) :
式中:
为永磁体体积用量系数;为电机气隙体积, Dl1为电枢直径。
通过计算并考虑裕量, 可得出本电机的永磁体的尺寸为:hm=5.5mm, bm=36mm, 采用35UH永磁体材料。
4.4 气隙长度选取
永磁同步电动机的气隙长度是一个十分重要的尺寸参数, 通常比同容量的感应电动机的气隙长度要大0.1～0.3mm, 能够有效降低永磁同步电动机的杂散损耗, 同时使电机的装配工艺简便化, 此处气隙长度取δ=0.5mm。
5 实验研究与分析
电机试验是新型电机研发过程中的重要组成部分, 一款新型电机从设计、制造、试验到应用, 试验过程的作用举足轻重, 不可或缺。与传统感应电机的相比, 永磁电机试验要求具有较大的独特性。通过试验测试系统, 依据相关的国家标准和国际先进国家的有关标准, 完成永磁同步电动机的空载反电势的测试与负载试验。测得异步启动永磁同步电机的各项性能指标为:效率=0.908, 功率因数=0.991, 空载反电动势E0=194.2V, 最大转矩倍数Tmax=2.723, 起动电流Ist=127.78A, 起动电流倍数Ist*=12.68, 起动转矩倍数Ts t*=3.5 9, 符合永磁同步电机效率高、功率因数高、启动转矩高等要求。
6 结论
本文提出了一种实用的永磁同步电动机的工程设计方法, 通过分析提高永磁电机综合性能的措施, 利用Ansoft的RMxprt软件进行了永磁电机结构的设计, 通过实验分析证明该方法确定的设计方案精确可靠, 对指导工程设计具有很大的现实意义。
摘要：本文提出了一种工程实用的永磁同步电动机设计方法, 通过分析影响永磁电机力能性能的因素, 利用Ansoft软件进行永磁电机结构的辅助设计, 并通过实验测试, 确保了设计方案的可靠, 对指导永磁电机工程设计具有较大的现实意义。
关键词：永磁同步电机,力能性能,永磁体计算,Ansoft,结构设计
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钐铁氮稀土永磁材料产业化进展 篇6
稀土永磁材料是以稀土金属元素与过渡族金属所形成的金属间化合物为基体的永磁材料, 通常称为稀土金属间化合物永磁, 简称为稀土永磁。到目前为止, 稀土永磁材料经历了三个发展阶段, 第四代稀土永磁正在酝酿之中。
20世纪50年代, 随着粉末冶金和液相烧结工艺开发与研究的深入, 高性能烧结SmCo5永磁体的生产迈入了产业化阶段, 第一代稀土永磁材料走向实际应用。随着社会的进步, 人们不断的探寻高性能的稀土永磁材料以满足工业日益发展的需求。1977年, O-jima等人用粉末冶金法制出了 (BH) max=30MGOe的Sm2 (Co, Cu, Fe, Zr) 17永磁体, 使之成为第二代实用稀土永磁材料的典型代表。高性能Sm-CO永磁体的出现极大地推动了仪器仪表工业和其它现代技术的发展, 但由于第一、第二代稀土永磁材料的主要成分为金属Co, 这种材料价格昂贵, 且又是战略物资, 因此, 第一和第二代稀土永磁的工业化生产和市场扩展都受到了限制。
20世纪70年代, Clark等人发现将Tb Fe2化合物做成非晶态并退火后其矫顽力可大大提高, 这启示人们将R-Fe化合物做成非晶态, 然后通过热处理析出非平衡的新相来实现磁硬化。80年代初, 科学家先后采用快速凝固技术系统地研究了Nd-Fe二元系合金的磁特性。后来又向合金加入B元素, 其目的是获得非晶态的Nd-Fe合金, 却意外地发现这种三元合金具有较高的矫顽力, 且居里温度Tc也高, 这一发现引发了稀土永磁材料研究的热潮。
与钐钴合金不同, Nd-Fe-B永磁材料用丰富廉价的铁取代了紧缺昂贵的钴, 大大减少了对Co的依赖, 大幅度地降低了成本。更重要的是它具有磁性能高, 机械力学性能好, 性价比高 (为Sm-Co永磁材料的140%) 等优点, 因而在当今磁性材料领域成为一枝独秀, 成为第三代永磁材料。
从物理特性上看, Nd-Fe-B永磁体有其固有的弱点, 特别是居里温度不高, 矫顽力的温度系数大难以应用于高温领域, 另外还存在温度稳定性和化学稳定性较差等问题。因此, 自20世纪90年代以来, 磁学工作者在不断改进Nd-Fe-B系稀土永磁材料性能的同时, 也在探索其它新型的铁基稀土永磁材料, 主要侧重在以下几个方面:
(1) R2 (Fe, M) 17Ny、R2 (Fe, M) 17Cy等间隙稀土化合物的研究。
(2) 3:29型R3 (Fe M) 29 (Ti, V, Mo等) 化合物及其氮化物的磁性能研究。
(3) 具有Th Mn12型结构的R (Fe, M) 12 (M=Ti, V, Mo, si) 化碳、氮化合物以及1:7型的碳、氮化合物的结构与磁性研究。
(4) 高性能的纳米复合永磁材料研究。
二、Sm-Fe-N稀土永磁材料发现
由于在R-Fe二元系中, R2Fe17化合物的Ms点普遍较高, 稳定性好, 并且富铁, 因而长期以来, 一直为永磁材料工作者所关注。但遗憾的是在二元R2Fe17化合物中, Fe-Fe原子间距过短, 他们具有反铁磁交换作用, 从而导致R2Fe17化合物的Tc不高 (110~119℃) , 并且多数是易基面, 各向异性场低。因此二元的R2Fe17化合物一直未能成为有实用意义的永磁体。
随着时间的推移, 情况发生了变化。先是发现稀土金属化合物能吸收大量的氢, 吸氢使其磁性能发生显著的变化;接着又发现用少量的磁性或非磁性元素如Al等部分替代R2Fe17中的铁, 也可提高2:17化合物的Tc;后来又发现将C原子引入到Sm2Fe17化合物中, 不会改变合金的晶体结构, 但使其Tc和Ms均提高, 并且将该化合物的易基面转化为易C轴, 随C含量的提高其HA提高, 室温HA可以达到1.53T。
在这些研究的启迪下, 人们开始考虑能否将Sm2Fe17化合物进行改进, 使之成为具有永磁特征的材料。
在上述基础上, 1990年, 作为欧共体"稀土永磁开发与研究计划"首席科学家Coey采用气固反应法成功地合成了一系列R2Fe17Nx化合物, 并对它们的结构和磁性能作了详细研究, 发现Sm2Fe17Nx化合物具有优异的内禀磁性能, 可作为永磁材料, 从而宣告了Sm Fe N稀土永磁材料的诞生。
Sm2Fe17Nx化合物具有优异的内禀磁性能。它的Js可达1.54T, (BH) max可达472.0k J/m3, 完全可以和Nd-Fe-B相媲美;同时它的各向异性场约为Nd-Fe-B永磁体的3倍;居里温度比Nd-Fe-B永磁体高160℃, 也正因为如此, Sm2Fe17Nx稀土永磁材料成为了当今永磁材料研究领域的热点之一。
自Coey等人发现Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料以来, 世界各地迅速掀起了研究Sm2Fe17Nx系永磁材料的热潮, 当时世界上有上百个试验室投入了这方面的研究。但随后的一系列试验证明这种永磁材料在产业化道路上并不成功, 出现了研究时冷时热的局面。
近几年来, 随着汽车工业以及电子电器小型化、轻量化的快速发展, 人们对永磁体提出了更高的环境使用温度和磁性能要求, Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料作为一种兼有良好温度稳定性和优异磁性能的永磁材料, 其潜在应用价值再度引起人们的重视, Sm2Fe17Nx系永磁材料也迎来了新的研究和开发热潮。
三、国外Sm-Fe-N稀土永磁材料产业化进展
目前, 欧洲和日本在Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料的生产和研究方面处于世界领先地位。
在"稀土永磁开发与研究计划"的支撑下, 欧洲以Coey教授为代表的磁材领域的科技工作者在Sm2Fe17Nx的微观结构、磁性形成机理, 氮化机理, 温度特性等基础领域做了大量的研究工作, 为Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料的诞生、发展做出了不可磨灭的贡献, 但遗憾的是他们在Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料产业化方面最终未能有所突破。
日本在Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料研究方面虽然起步比欧洲晚, 但是有多家在磁材领域技术力量雄厚的公司和单位, 如日本的广岛大学、日亚化学工业公司、日立金属公司、东芝公司、住友金属矿山公司、大同电子公司、TDK公司等一直在进行Sm2Fe17Nx系永磁材料的研究, 在制备工艺、热稳定性、抗氧化、磁性能研究及产业化等方面研究成果显著, 现在己能规模化生产高性能的各向同性和各向异性的Sm2Fe17Nx稀土永磁粉及其粘结磁体产品。2000年, 日本日亚化学工业公司从一开始就考虑其回收, 同时利用现有的生产铁氧体的设备采用还原扩散法生产出了Sm2Fe17Nx稀土永磁粉, 该磁粉经注射成型为粘结磁体, 其最大磁能积 (BH) m已达到103k J/m3以上, 而且热稳定性及耐腐蚀性能好并已经产业化, 目前正在进一步提高其磁性能, 力争其最大磁能积 (BH) max达到119k J/m3, 。东芝公司采用熔体快淬的法制备 (Sm0.7Zr0.3) (Fe0.8Co0.2) 9B0.1的非晶带, 经晶化热处理后可获得微细、均质的晶粒, 破碎后氮化获得 (Sm0.7Zr0.3) (Fe0.8Co0.2) 9B0.1Nx磁粉, 目前该公司已经批量生产 (BH) max为123k J/m3的Sm-Fe-N磁粉产品。2002年秋大同电子公司批量购买东芝公司的快淬磁粉并将其制备成各向同性粘结磁体产品, 2001年已经形成了年产70吨各向同性Sm2Fe17Nx磁体的生产规模。日立公司研究了多种添加元素对于改善Sm-Fe-N系化合物性能效果, 并详细研究了利用氢处理使晶粒细化效果, 发现通过复合添加微量Ti和B并控制氢反应条件, 能有效地抑制α-Fe的形成, 并获得均匀微细的组织, 经过粉碎成75μm以下的颗粒, 然后在氮气氛中623~773K数小时氮化处理即可获得磁特性优良且稳定的可靠的Sm-Fe-Ti-B-N磁粉。
此外, 日本TDK株式会社在双相纳米晶复合永磁材料的研制也取得了一定进展。该公司最近推出的Sm2Fe17Nx/α-Fe各向同性复合磁体为纳米双晶磁体, 其磁性 (剩磁, 矫顽力、最大磁能积) 可达到:Br=0.99T、Hc J=656 k A/m、 (BH) max=140k J/m3。该磁粉可以重现的 (BH) max达到96 k J/m3, 用这种磁体粉末制作的粘结磁体的 (BH) max可达70k J/m3。
在合金的氮化研究方面, 国外的学者采取了多种先进方法进行了积极探索。韩国学者用Sm2Fe17合金作为靶采用从阴极真空溅射法研究了氮气压力、流速、热处理温度等对氮化后合金显微结构和磁性能影响, 发现热处理温度在530℃, 氮气速率为20%时Sm2Fe17Nx的矫顽力达l000Oe, 饱和磁化强度达6500G;巴西科学家则在流动的N2/H2复合气体气氛中等离子体渗氮, 增加复合气体中玩浓度能够减少富氮相Sm2Fe17N8和Sm2Fe17N11的量, 增加Sm2Fe17N3和α-Fe的含量, 当H2含量为70%时Sm2Fe17N3相的含量达到最大值。
四、国内Sm-Fe-N稀土永磁材料产业化进展
在Sm2Fe17Nx稀土永磁材料在日本实现产业化的同时, 国内不少有远见和研发实力很强的高校和科研单位, 如北京大学、北京科技大学、河北工业大学、四川大学、钢铁研究总院、中科院物理所、中科院金属所、浙江大学等也开始着手进行了这方面的研究。
北京科技大学周寿增等采用HDDR法获得了高矫顽力的各向同性Sm2Fe17Nx永磁粉末, 并研究了该法工艺与Sm2Fe17Nx永磁性能之间的关系, 发现原始粉末颗粒尺寸、氢处理温度与时间以及氮化温度与时间对Sm2Fe17Nx磁粉性能均有较大的影响, 当原始颗粒尺寸大于10μm时Br和Hcj均有急剧下降, 抽氢时间小于1小时, 合金再化合不完全, 磁粉矫顽力较低;他们还研究了Cr、Ga、Co等微量合金元素的单一添加对合金性能的影响, 发现Cr、Ga可显著提高磁粉的矫顽力, 而Co则使HCj降低。
另外, 北科大胡国辉等采用Sm2O3和Ca、Fe作为原料, 1100℃氧化还原4~7h, 然后水洗得到了单相的Sm2Fe17化合物, 并采用NH3+H2混合气体进行渗氮处理制备SmFe-N合金粉末, 并研究了破碎及球磨过程对磁性能的影响, 指出该过程对晶粒的损伤和α-Fe的生成是降低矫顽力的主要因素, 但这方面的工艺还需要进一步研究。
此外, 北科大的邱晓峰等利用低温液氮球磨技术制备了Sm-Fe合金粉体, 采用XRD、HRTEM和惰性气脉冲-红外-热导等方法对Sm2Fe17合金粉体在液氮球磨过程中的组织演变进行了研究。结果表明, 液氮球磨可加速细化Sm-F合金粉体。随着球磨时间的延长, Sm2Fe17相向非晶态转变, 降低球磨转速可以延缓非晶的形成过程。液氮球磨过程可实现同步氮化, 缩短Sm-Fe-N磁性材料的制备工艺流程, 有望为制备具有高磁性能的Sm2Fe17Nx纳米晶复合永磁材料提供新的途径。
河北工业大学崔春翔教授等也采用HDDR的方法, 并系统研究了微量添加元素Zr、Nb、Ti等对工艺和合金磁性能的影响, 指出Nb, Zr和Ti能有效降低合金中α-Fe的含量, 其中Zr含量为1%at时铸态组织中基本不含α-Fe, 获得了良好组织的母合金;随后采用常规氮化方法发现对于直径为20μm的颗粒, 500℃下氮化6小时效果最佳, 温度过高或时间过长, Sm2Fe17N3合金会的分解。
中科院沈阳金属研究所对HDDR过程的组成结构的变化以及合金元素Ti对结构与磁体性能的影响进行了比较的系统的研究时, 制备出了磁性能可达Br=0.81T, Hc J=1670k A/m, (BH) max=103.5k J/m3的Sm2Fe17Nx稀土永磁粉末。
总的来说, 我国在Sm2Fe17Nx稀土永磁材料的研究方面主要集中在采用HDDR法、传统粉末冶金法以及还原扩散法等与常规的氮化工艺结合制备Sm2Fe17Nx磁粉以及微量的一元合金元素的添加等方面, 其研究开发都只停留在实验室的水平, 与国外相比有很大差距, 尤其是产业化开发方面还是空白, 还有较长的路要走。
五、Sm-Fe-N稀土永磁材料产业化主要症结
尽管Sm2Fe17Nx系永磁材料的研究取得了长足的进展, 并且和第三代永磁体NdFe-B相比, 还有很大的挖掘潜力, 但迄今为止, Sm2Fe17Nx系永磁材料并未能真正成为有实用意义的第四代永磁材料。在当今的永磁领域, 仍然是Nd-Fe-B雄霸天下, 这说明在Sm2Fe17Nx系永磁材料的研究和开发中还存在着一些问题, 主要表现在以下几个方面:
(1) 由于Sm高温容易挥发, Sm2Fe17的固熔区太窄, Sm-Fe母合金的熔炼过程中难以获得接近正分成分的Sm2Fe17合金。Sm含量过少, 得到的合金含大量的α-Fe, 甚至不能形成Sm2Fe17相;Sm含量过多, 合金则会形成大量富衫相, 这些相的形成均会降低磁体性能。
(2) 难于获得成分均匀, 相组成单一Sm2Fe17相合金。Sm2Fe17相合金是通过包晶反应而生成的, 在凝固过程中不可避免地存在或多或少的α-Fe、富衫相等杂相, 为了消除铸态组织中的杂相, 往往通过长时间的均匀化退火工艺来获得相组成单一Sm2Fe17相合金。这个过程既费时又耗能, 导致整个生产过程成本增加, 致使Sm2Fe17Nx磁性材料的工业化大生产受阻。
(3) Sm2Fe17Nx的高温分解问题还未解决。Sm2Fe17Nx属于亚稳相, 在温度高于600℃时将发生分解, 且不可逆, 即温度降低也不能再恢复成Sm2Fe17Nx。因此不能用一般的粉末烧结法制备Sm2Fe17Nx磁体, 只能采用先制备出Sm2Fe17Nx粉末, 然后制作粘结磁体, 而粘结磁体的磁性能普遍低于烧结磁体的磁性能, 所以如何在工艺上有所突破, 制备出能在高温下工作的Sm2Fe17Nx块状磁体, 是充分发挥Sm2Fe17Nx永磁体的内察磁性能以及能否与Nd-Fe-B磁体竞争的关键。
(4) Sm2Fe17合金氮化反应动力学很差。Sm2Fe17氮化不同于普通的钢铁氮化, 要求所有的Sm2Fe17晶粒必须充分氮化, 否则未氮化的Sm2Fe17会作为软磁相而严重影响Sm2Fe17Nx的永磁性能。另外根据微磁学理论, 高内禀矫顽力必须在晶粒度接近理论单畴粒子尺寸 (0.3μm左右) 时才能得到, 虽然通过气流磨制粉技术等技术能获得如此细的粉末, 但粉末过细, 氧含量增加会恶化磁粉性能。
(5) 替代元素的作用尚未形成统一的认识。自Sm-Fe-N发明至尽, 人们在研究了ⅣB, ⅤB, ⅥB, ⅦB, ⅧB族元素如Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta、Mn, Co, Ni以及ⅠB族的Cu和Pr、Ce、Gd等合金元素的添加对Sm Fe合金结构以及性能的影响, 在某些方面己经得到了广泛的认同, 但是仍有不少方面尚存在分歧, 尤其是添加合金元素采用不同制备方法得到的Sm Fe N化合物的结构与性能的影响方面尚无统一结论, 有待进一步研究。
(6) 磁体性能不稳定、重复性差, 磁性能和理论值之间存在着较大的差距。制备Sm2Fe17Nx粘结磁体, 需要经历一系列严格而复杂的工序, 由于Sm2Fe17Nx的磁性能对工艺参数极为敏感, 故重复性较差;此外, 受制备手段、理论研究等多种因素的限制, 生产的Sm2Fe17Nx磁粉的磁性能远远低于理论值。
六、高性能Sm-Fe-N稀土永磁材料产业化发展趋势
Sm2Fe17Nx内禀磁性能几乎可以与第三代永磁体Nd-Fe-B相媲美, 并且具有居里温度高 (Tc=470℃) 、温度稳定性好的显著优势, 完全具备了成为新型永磁材料的条件。但Sm2Fe17Nx的最大缺点是该化合物属于亚稳相, 在温度高于650℃时完全分解成α-Fe和Sm N, 因而不能制备出致密的高性能烧结磁体, 只能用来制作粘结磁体。如将以同种磁粉制成的烧结磁体的 (BH) max作为100%, 那么压缩成型工艺制成的粘结磁体为60%, 而注射成型磁体仅为35%。所以, 能否制备出大块的烧结Sm2Fe17Nx磁体, 是其产业化关键。
虽然Sm2Fe17Nx远没有达到商品化的程度, 但短短几年, 发展极为迅速, 很有可能成为继Nd-Fe-B之后的又一代新型永磁体。特别是由于Nd-Fe-B磁体的急速发展和市场上需求量的猛增, 钕资源正面临枯竭, 所以发展能够取代Nd-Fe-B的新型永磁体已势在必行, 同时为了满足日益增长的对高温工作环境的需要, Sm2Fe17Nx的实用开发已经提上日程。
从商品化生产看, Sm2Fe17Nx永磁体的制备方法和工艺研究受到Sm2Fe17Nx是热力学亚稳相的严重阻碍, 一旦能够开发出合适条件的制备工艺, 那么就有充分开发其内禀磁性能的可能性, 从而大大加快其商品化进程。为加速Sm2Fe17Nx的商品化进程, 今后的研究重点和要求为:
(1) 优化现有磁粉加工工艺
永磁体在实际应用中, 是各种形状的永磁元件。其特点是批量大、尺寸精度高, 要求采用全自动成型。因此解决磁粉工艺问题是其实用化的基本条件。
目前制备Sm2Fe17Nx磁粉及其纳米复合磁粉的制备方法主要有:机械合金化法、粉末破碎法、熔体快淬法、氢化歧化 (HDDR) 法等。
其中, 机械合金化法可以制得高矫顽力的各向同性Sm2Fe17Nx磁粉, 该法不需要大型的设备, 是一种简单的磁粉制造方法, 但由于长时间的球磨, 机械合金化法极易造成粉末氧化, 从而降低磁粉的磁性能, 再加上周期长、能耗大等缺点, 限制其在生产中的推广应用。
熔体快淬法制备的Sm2Fe17Nx化合物粉末组织和成分均匀, 晶粒细小, 工艺简单, 有利于工业化大生产, 但由于此工艺条件要求苛刻, 大规模生产有一定困难, 如何有效地控制其工艺参数尚需进一步深入探讨。
还原扩散法利用还原剂还原稀土氧化物, 使之成为稀土金属, 再通过稀土金属与过渡族金属的互扩散直接得到稀土永磁粉末。此法制备Sm2Fe17Nx化合物粉末的优点是原料成本低, 缺点是实施起来比较困难。目前日本用此法已经获得了巨大成功并实现了产业化, 但在国内进展缓慢。
HDDR工艺由于具有设备简单, 均匀性好, 含氧量低, 收得率高, 不仅能制备各向同性而且能制备各向异性磁体等特点, 是目前具有良好应用开发前景的新型的磁粉制备工艺。但是由于该过程涉及的反应众多, 过程和机理复杂, 尤其是Sm2Fe17合金在HDDR过程中微观结构演化过程和机理, 以及晶粒细化机理尚不完全清楚, 所以HDDR法制备Sm2Fe17Nx的工艺还有待进一步研究。
虽然实验室制备的Sm2Fe17Nx永磁性能已经获得了很大的提高, 但重复性差, 批量生产性能不稳定是目前Sm2Fe17Nx商品化的关键症结。第三代永磁体Nd-Fe-B之所以能够在永磁材料领域占据统治地位, 与其工艺成熟不无关系。Sm2Fe17Nx的产业化化应该以现有工艺为基础上, 开发出出能够生产性能优良、价格适中、重复性好的最佳工艺路线。
(2) 努力开发新的粘结剂和成型方法
粘结永磁体的生产工艺可分四种:压延成型、注射成型、挤压成型和模压成型。由于Sm2Fe17Nx在较高温度下会发生分解, 所以只能制作粘结磁体。最初人们用有机物如尼龙、环氧树脂作粘结剂, 由于这些粘结剂只能使用在200℃以下, 不能充分发挥Sm2Fe17Nx高温性能好的优点, 所以如何在工艺上有所突破, 能否开发新型的粘结剂, 是Sm2Fe17Nx磁体与Nd-Fe-B磁体竞争的关键。
近年来, 一些低熔点金属开始受到广泛的关注, 人们用低熔点金属Zn、Sn等做粘结剂, 但由于低熔点金属如Zn作为粘结剂, 会降低饱和磁化强度, 进而导致 (BH) max较低。可见, 要使Sm2Fe17Nx的性能得到充分发挥, 寻找良好的粘结剂至关重要。
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稀土永磁电动机 篇7
关键词：簧板式振筛,稀土永磁,电磁驱动,节能降噪
0 引言
烟草企业目前在用的常规烟叶簧板式振筛是通过电机带动凸轮驱动簧板做往复运动，振筛机构以一定振频振幅筛分输送烟叶，这种驱动方式存在噪声大、能耗高、维护难等不足;随着科技进步，本文研究一种电磁驱动方式。
稀土永磁驱动方式根据直线电机理论，具有无摩擦、噪声低、能耗低、寿命长等优势[1]，通过控制器驱动电磁线圈产生磁场，吸合永磁机构，带动簧板往复运动，该系统振频振幅可做调整，绿色节能环保。
1 烟叶簧板式筛分输送技术和稀土永磁电磁驱动
1.1 烟叶簧板式筛分输送技术
烟叶簧板式振筛通过簧板传动机构，目前常用的驱动机构是通过电机带动凸轮驱动簧板往复运动，振筛机构以一定振频振幅运动，实现对烟叶筛分输送的功能。
烟叶振筛一般由2层筛网构成，上、下2层筛网不同孔径，筛分出不同尺寸的烟叶，通过2条汇总皮带将烟叶和烟沫输送到相应储柜。
烟叶振筛系统主要参数:电机功率:6.8 k W(传统型)，800 W(电磁驱动)筛网孔径为10 mm×10 mm、6 mm×6 mm、整机宽1 500 mm、长5 000 mm，振幅24±1.2 mm，振频11 Hz，图1是烟叶簧板式振筛系统。
1.2 稀土永磁电磁驱动技术
稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料。稀土永磁材料发展十分迅速，现已经在许多领域里得到了广泛的应用，成为当代新技术的重要物资基础。
稀土永磁体不仅具有很高的剩磁感应强度、磁能积，而且具有很高的矫顽力，由于稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来替代传统电机的电励磁场，所制成的稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠，还可做到体积小、质量轻。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合，更使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平[2]。
根据直线电机原理，结合稀土永磁优势，通电后形成通过电线圈磁场，吸合稀土永磁机构，驱动簧板往复运动，实现烟叶筛分输送的功能。
稀土永磁电磁驱动因效率高、功率因数高、损耗、电流小，能满足当前节能降耗的绿色发展理念[3]。
2 稀土永磁电磁驱动簧板式振筛系统的原理与实现
2.1 系统整体架构
稀土永磁电磁驱动簧板式振筛主要系统由槽体、簧片、电磁铁组件、机架、配重、控制器单元等组成。图2是电磁驱动簧板式振筛结构图。
其功能为:
1)槽体:采用食品级不锈钢材料制作而成。槽体会分层，上层设置筛网。主要起筛分输送烟片的作用。
2)簧片:簧片起连接和储存能量的作用。它分别连接槽体与机架、机架与配重。
3)电磁铁组件:电磁铁组件为设备的动力源，驱动槽体和配重做往复运动。
4)机架:机架起支撑作用。
5)配重:配重是用来平衡槽体在运行过程中产生的冲击力。
6)控制器单元:完成驱动电磁铁和调整振频振幅，监控保护等各项功能。
2.2 系统运行原理
稀土永磁电磁驱动系统是整机的核心部件，由控制器、永磁机构、线圈磁场机构、传动机构、位移传感器等构成。
电磁振动产生力是通过线圈磁场作用于稀土永磁磁场产生的。增大激振力可提高推动力，降低功耗。系统中采用上下通电线圈，一个推、一个拉的吸斥力共同作用于中间稀土永磁机构，提升激振力，进一步降低功耗、降低线圈发热量[4]。
激振力的大小应能克服被振物体全部质量及反共振簧板的预紧力等叠加的惯性力;当振动频率一定时，被振物体的惯性力随振幅大小而变化，即振幅大所需的激振力也越大;本系统通过电磁线圈推拉方式，驱动稀土永磁机构，让磁场效率高，力更大，能满足振筛要求。
PID控制调节系统通过设置频率、功率值、接收位移反馈信息，处理产生合理的PWM波形，驱动H桥，对稀土永磁上下线圈通电形成合理的吸合磁场，让稀土永磁机构在上下磁场内以一定振幅振频往复运动。
同时系统具有位移保护反馈系统，通过在一定位移处安装光电传感器，当振幅过大不在安全区域内时，光电传感器输出信息给CPU处理，CPU处理系统及时调整，控制PWM脉冲，纠正振幅振频到合理正常范围内;同时通过位移传感器反馈的位移波峰波谷信号，与电磁换向信号做软件控制算法，让实际与控制情况相匹配，让电磁激振力效率最大化，更好满足振筛功能要求[5]。图3是稀土永磁电磁驱动系统，图4是电磁线圈驱动控制框架图。
2.3系统实际应用
稀土永磁电磁驱动簧片式振筛相比传统电机带动凸轮方式具有噪声低、耗能低、维护成本低、使用时间长等优势，具有很好批的发展趋势。
电磁驱动簧片式振筛在现场使用情况说明效果很好，能很好地满足现场烟叶筛分输送的功能需求。表1为传统驱动方式与电磁驱动方式优势比对，图5是稀土永磁电磁驱动簧片式振筛实际生产图。
3 结语
结合稀土永磁材料，根据直线电机理念，通过控制线圈磁场吸合稀土永磁机构，带动簧板往复运动，实现对烟叶筛分输送功能。
稀土永磁电磁驱动簧板式振筛具有传统电机凸轮驱动方式不可替换的优势，具有节能、降噪、环保、寿命长的特点，实际使用表明效果很好，是逐步替换传动电机凸轮驱动的最佳方式。
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