稀土永磁电机正进入大发展的新时期
2011-1-24
引言
低碳经济的到来为永磁电机带来增长契机。永磁风力发电机是可再生能源的主要发展方向之一。超高效永磁电动机和调速高效永磁电动机在节能减排方面发挥重大作用。电动车用永磁电机和轨道交通用永磁电动机在替代能源方面成为行业发展的另一焦点。交流永磁伺服电动机和特种永磁电机在信息化的进程中发挥重要作用。随着需求结构的调整，用于节能环保领域的永磁电机将会出现大幅增长。
随着永磁材料性能的提高、加工工艺的完善以及现代控制技术的发展，永磁电机在工农业生产、家用电器、医疗设备、航空航天、航海、军工等各个领域均显示出了强大的生命力。永磁电机正逐渐向更高水平发展。最小外径仅为0.8mm，长1.2mm，大的外径可做到12m，几十MW（风电、舰艇等），单台重量百余吨，转速低的仅为0.2r/h，高的几十万r/min。结构也不再局限于传统结构，横向磁通的、轴向磁通的、直线的、双定子的、双转子的等等，产量也将出现大的跨越。
2 永磁风力发电机
2.1 风力发电机经历了三代：
第一代为定速定桨失速发电机组，鼠笼异步发电机，如图1所示。其优点是结构简单、可靠；部件标准化程度高，便于采购；单位kW成本造价低。缺点是风能利用率低；机组载荷冲击大；对电网冲击大，且无支持作用。
图1 异步风力发电机
第二代为变速变桨双馈发电机组，双馈异步发电机，如图2所示。优点是部件标准化程度高，便于采购；无需全功率逆变器；单位kW成本造价较低。缺点是电机集电环系统需要定期维护，故障率高；负载变化对电网冲击大；低电压穿越性能差。
图2 双馈风力发电机
第三代为变速变桨直驱/半直驱发电机组，永磁同步发电机，如图3所示。优点是多极、低速，很容易实现直驱，取消了中间的齿轮传动环节，增加了系统的可靠性和传动效率；无需励磁电源，效率高，损耗小，特别是在低负荷区效率高，适合风电特点；电能品质好，对电网无冲击；全功率变流器，低电压穿越性能好；高可靠性，免维护或少维护，适合大功率机组；效率高，机组年产能高；电机可自然冷却。缺点是质量重，体积大；需全功率逆变器；设计制造较复杂，成本较高。
图3 永磁直驱风力发电机
2.2 永磁直驱风力发电机
当前，兆瓦级风力发电机在风电场中占主导地位，而直驱永磁风力发电机组的应用越来越广泛，它省去了增速齿轮箱，大大提高了可靠性和效率，提高了单位kW的发电量。国内已成功开发出1~3MW的直驱/半直驱永磁风力发电机，正在研发5MW的风力发电机组。由于同样功率时，电机的重量与其转速成反比，MW级的直驱永磁风力发电机（每分钟只有十几转），重几十吨，运输和吊装都比较困难，如图4所示。
图4 发电机的吊装图
2.3 混合励磁发电机
在发电机运行中为了保持电压不变，需要进行电压调节。对于永磁发电机来说，转速变化、温度变化或负载电流变化都会造成输出电压的变动。但由于永磁电机的气隙磁场是由永磁体和磁路磁导决定的，调节气隙磁场困难而导致电压调节困难。
综合电励磁及永磁体励磁两种电机优点的混合励磁同步发电机可解决调压困难的问题，它的优点是：实现了无刷化，免维护；辅助电励磁部分的损耗小，具有永磁发电机的高效率特点；可以进行电压调节，解决了永磁发电机电压调节难的问题。
某混合励磁发电机定、转子实物如图5所示，转子典型结构如图6所示。