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 andtheir Application in Linear MotorsJ 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 nentmagnetmater 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 s1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32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 17NdFeB 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230.8127.41194.0549.2875.6(kA /m )最大磁能积36.687.6143.3246.7286.5(kJ /m 3)密　度(g /cm 3) 5.07.38.48.47.4居里点(℃)450800740820312磁温度系数-0.19-0.02-0.04-0.03-0.126(%/℃)使用温度(℃)200500250350130 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21.实铁心;2.永磁体;3.迭片轨道图390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33稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望优异的钕铁硼永磁。

此课题已获煤炭部“煤炭科学基金”及煤炭部“九五”攻关项目资助。

“直线电机驱动的提升系统”完全不同于传统的提升模式,有许多重大的优点。

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钕铁硼永磁材料代替铁氧体永磁,利用钕铁硼永磁的高性能,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。

4结　语稀土永磁材料的开发推动了直线电机的发展,稀土永磁直线电机以其推力大、效率高、重量轻、体积小、性能好、电机运行可靠、适用于特殊环境等优点日益受到人们重视,发展稀土永磁直线电机将成为电机发展的又一重要方向。

我国是稀土大国,占世界稀土资源总储量的80%,在开发钕铁硼永磁方面具有得天独厚的条件。

同时我国又是世界上第三个生产钕铁硼的国家,目前对钕铁硼永磁的研制居世界领先地位。

在直线电机方面我国也取得了一些卓有成效的应用成果。

资源优势与先进技术相结合,必将促进我国稀土永磁直线电机的发展。

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