稀土永磁電機發(fā)展綜述

永磁電機專委會  唐任遠

1 引言

電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。為在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場，可以有兩種方法。一種是在電機繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生，既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動，例如普通的直流電機和同步電機；另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場，既可簡化電機結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量，這就是永磁電機。                                                                                                                           

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2 永磁電機的發(fā)展概況

永磁電機的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應用于實踐的國家，兩千多年前，我國利用永磁材料的磁特性制成了指南針，在航海、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，成為我國古代四大發(fā)明之一。

19世紀20年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。

隨著各種電機迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對永磁材料的機理、構(gòu)成和制造技術(shù)進行了深入研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼（最大磁能積約2.7 kJ/m3）、鈷鋼（最大磁能積約7.2 kJ/m3）等多種永磁材料。特別是20世紀30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85 kJ/m3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁（最大磁能積現(xiàn)可達40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機又紛紛使用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應用，產(chǎn)量急劇增加。相應地，這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性進展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。                                                                                                                           

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但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36～160 kA/m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它們在電機中的應用范圍。一直到20世紀60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機，從而使永磁電機的發(fā)展進入一個新的歷史時期。

稀土永磁材料的發(fā)展大致分為三個階段。1967年美國K.J.Strnat教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學式可表示成RCo5，簡稱1:5型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積超過199 kJ/m3(25MG·Oe)。1973年又出現(xiàn)了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化學式為R2Co17，，簡稱2:17型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積達到258.6 kJ/m3(32. 5MG·Oe)。1983年日本住友特種金屬公司和美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼（NdFeB）永磁，稱為第三代稀土永磁。由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物質(zhì)——鈷，因而引起了國內(nèi)外磁學界和電機界的極大關(guān)注，紛紛投入大量人力物力進行研究開發(fā)。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。                                                                                                                           

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