工业领域中各类加工机械设备、IC设备、电梯等伺服驱动系统,最初用的是有刷直流电动机调速系统。70年代后,变频调速异步电动机不断替代有刷直流电动机调速系统,因为变频调速异步电动机的性价比优于有刷直流电动机调速系统,具有结构简单、可靠性高、干扰小、维护少、寿命长的特点。由于永磁无刷电机具有比异步电动机体积更小,重量更轻,效率更高等优点,中小功率异步电动机变频调速系统正在逐步被永磁无刷电动机取代,如日本富士公司有0.4-300kW无刷电机系列。目前精密加工机械、IC制造设备绝大部份采用数字式永磁交流同步电动机伺服控制系统,一般工业机械采用永磁无刷直流电机驱动系统。电机永磁体采用烧结钕铁硼,绕组形式有集中绕组和分布绕组两种,主要是内转子结构。
电梯采用永磁无刷同步电动机伺服控制系统后,不仅具有体积小、节能、控制性能好的优点,又容易实现减速直接驱动,消除齿轮减速装置,低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的有刷直流电动机调速和异步电动机变频调速,适合在无机旁电梯中使用,因此永磁无刷同步电动机驱动得到各大电梯公司的青睐。
高速高精度加工机床的进给驱动,目前主要还是用传统的旋转伺服电机加精密高速滚珠丝杆结构。上世纪九十年代初开始应用直线电机直接驱动,其与传统结构相比,有速度提高30倍,加速度提高10倍,最大达10g,刚度提高7倍等一系列优点。当然直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题,如控制难度大、磁干扰、成本较高等,但是总的发展趋势是直线电机驱动占比重会越来越大,很有可能将来成为机床进给驱动的主体。由于永磁无刷同步式直线伺服电机具有效率高,推力密度大,可控性好等优点,尽管其对隔磁防尘要求高和装配较困难,但现在已成为机床用直线电机的主流。
其他领域包括武器装备、机器人、宇航等用微特电机。这些使用领域选用各类电机,品种规格繁多,如美国军用微特电机有5000多个品种,年生产量只有300万台。
随着机器人、宇航事业的发展,对微特电机的需求量将增加,要求也将提高。这些领域的伺服驱动类电机也向永磁无刷电机发展,如美国研制和生产军用、宇航用微特电机骨干单位科尔摩根公司,有两个永磁交流伺服电动机系列,M系列有5个机座号,47个品种,功率从0.54kW-15.7kW,转速从900r/min-12000r/min,连续转矩从0.89N·m-115N·m,峰值转矩从2.41N·m-326.8N·m;MT系列有4个机座号,24个品种,功率从0.231kW-6.7kW,转速从1500r/min-6000r/min,连续转矩从0.44N·m-46.8N·m,峰值转矩从1.25N·m-115.4N·m。MT系列产品比M系列产品体积更小,效率更高,转动惯量更小,接线插头可旋转,进一步提高了武器装备的快速性、小型化、可靠性和可维性,满足了武器装备伺服控制系统要求,广泛用于雷达、宇航等领域。美国已将永磁无刷电机用于装甲车作为驱动源,代替有刷直流电机,提高了装甲车性能。德国西门子公司和芬兰ABB公司生产的额定功率3820kW,额定电压2800V,额定转速135r/min的永磁无刷电机已经使用在豪华游轮、破冰船、工程船等吊舱式推进器,现正在推广到潜艇,替代有刷直流电动机,提高潜艇性能。
相关行业的技术进步为永磁无刷电机发展提供了基础
永磁无刷电机是集新型永磁材料、电力电子、集成电路、计算机及电机技术于一体的产品,相关行业的技术发展,是永磁无刷电机发展的基础。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现及高速发展,为永磁无刷电机提供高剩磁感应强度、高矫顽力、高磁能积的永磁体,其温度系数大,居里点低,容易氧化生锈的不足,得到不断的改进提高,现钕铁硼永磁材料最高的工作温度可达180℃,一般也可达到150℃,通过涂覆处理解决氧化生锈问题。永磁无刷电机大部份采用粘结或烧结钕铁硼,钕铁硼永磁材料2005年全球产量将达到2.3万吨,我国生产1.4万吨,预计2010年全球产量将达到9万吨,我国生产5万吨。
随着电力电子技术和产品换代更新,半导体开关器件性能不断提高,容量不断增大,成本不断降低。随着大规模集成电路和计算机技术的快速发展,现已有不少电机专用集成块,近几年出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的数字信号处理器DSP。集成电路和计算机技术的快速发展对永磁无刷电机控制技术起到有力的推动作用,为永磁无刷电机的发展提供了基础。
我国应重视永磁无刷电机的研究、开发和产业化
我国改革开放后,经济得到了迅速发展,但是,我国每生产价值一万美元的商品,消耗的原材料是日本的7倍,美国的6倍,甚至比印度还高2倍。2004年我国对世界经济的总贡献是4.3%,但是,我们消耗了全球30%的煤炭,27%的钢铁,25%的铝材和40%的水泥。我国已经成为世界第二大能源消费国,能源消费约占世界的11%,石油对外依存度已超过40%,预计到2010年将达到57%。
为了落实科学发展观,党的十六届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》提出了“十一五”期末单位国内总产值能源消耗降低20%左右的目标。为了建设节约型社会,国家发改委编制的中期能源节约规划中将永磁电机作为节能推广产品(电力的60%左右消耗在电机上)。因此我们应该积极加速各类永磁无刷电机的研究、开发和产业化。
我国是稀土材料储藏大国,邓小平同志南巡讲话时指出“中东有石油,我国有稀土”,江泽民同志视察包头时题词“搞好稀土开发应用,把资源优势转化为经济优势”。我们理应加强稀土永磁材料的应用研究,提高稀土材料的性能,改变目前稀土材料低价出售的局面,将丰富的资源变成高科技产品,实现科学发展观。
我国除有稀土永磁材料丰富的优势外,还有永磁无刷电机人才资源,政府应制定相应的优惠政策,实现政府推动下的产学研的联合,充分发挥各方面人才优势,进行联合开发、联合攻关,实现产业化,一定能赶上世界永磁无刷电机先进技术水平,打造出有自主知识产权的各类永磁无刷电机品牌。
我国使用的精密永磁交流伺服驱动控制系统绝大部份依赖进口,据不完全统计每年进口费用2亿美元左右,我们有责任迅速实现各类永磁无刷电机产业化,形成真正的商品,替代进口,改变依赖进口的局面,使我国不仅是微特电机生产大国,还要成为微特电机技术强国。