永磁传动技术论文十篇

永磁传动技术论文篇1

关键词:永磁传动技术材料结构应用

Abstract：Newdevelopmentonmagneticdrivinginforeigncountryissyntheticallyreviewed.

Applicationsfieldisbecomewideandtechnicalpropertyisimproved;Newtechnique,

technologyandconstructionappear;Magneticdrivepumpsbecomehighefficiency,

rliabilityandlonglifebyusingadvancedmanufacturetechniqueandmanagement.

Keywords：magneticdrive;Mag-drivepumps;newtechnique.

[中图分类号]TM351[文献标识码]B文章编号1561-0330(2003)07-00

1引言

1940年英国人Charles和GeoffreyHwward首次解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题，解决的方法是用磁力驱动泵。在以后30多年里永磁传动技术由于磁性材料的原因进步十分缓慢。1983年高性能钕铁硼（NdFeB）永磁材料的问世，为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。近年来永磁传动技术已从泵类向其它密封机械扩展，技术上集中于提高设备的可靠性、抗介质腐蚀新材料的研究，流体技术及制造装配的精度。磁力泵代表着一个国家制造技术的水平，近年来工业发达国家的磁力泵在效率、寿命、制造周期、成本、可靠性等方面有了突破性的进展。

永磁传动技术是将原动机的动力通过其轴上的外磁部件传递给工作轴上的内磁部件，内外磁部件由隔离罩分开，从而工作轴无须伸出所要封闭的空间，取消了动密封，实现无密封、零泄漏。永磁传动技术主要应用于化学工业、石油化工、医药、食品工业中的泵和压缩机、搅拌机与阀门等。目前我国流体机械大量使用的传统机械密封在国外的这些部门已逐渐被永磁传动所取代。

2应用领域拓宽、技术性能提高

2.1磁力传动是密封领域最有效最安全的解

永磁传动即永磁联轴器对于需要密封的机械，对有害、有毒、污染、危险、纯净、贵重的产品和生产过程是一最安全解，它的应用范围很宽。石油化工、医药、电影、电镀、核动力等行业中的液体大都具有腐蚀性、易燃、易爆、有毒、贵重，泄漏会带来工作液体的浪费与环境污染；真空、半导体工业要防止外界气体的侵入：饮食、医药要保证介质的纯净卫生。永磁传动技术在这些领域找到了用武之地。英国Howard机械发展有限公司(HMD)从1946年就致力于无密封泵的制造，至今在全世界37个国家已销售近7万台,每年销售额达28百万英镑[1]。美国一家制药厂有上百个装有机械密封的离心泵，处理各种酸类，这些泵由于设计问题常常干运转，仅能使用2~3个月就自行破坏，换用了Ansimag公司生产的K1516系列磁传动泵，自1993年投入运行（每天操作4.8小时每年365天）至1998年还在运行[2]。美国中西部的容器板厂，合成苛性纳是回转叶片泵密封的极大问题,这里的工程师称这些泵是“维护黑夜里的天”安装了Ansimag公司的ETFE衬里无密封磁力泵,运行11个月没有停机[3]。美国一大型化工厂面临着输送甲醇的严重困难。因甲醇易燃，60℃接近沸腾，流量仅7m3/h，压差高达250m。问题的解决靠的是Dickow磁传动多级端吸泵，它的流量是15m3/h，压差400m,确保了甲醇的零泄漏,保证操作人员与工厂的安全，并解决了甲醇中含有气泡输送问题[4]。

2.2磁力泵在技术性能上向微型,大型化发展

为满足国内外市场需要，石油化工公司成套设备向大型化发展，我国必须有一批年产千万吨级的炼油厂、百万吨级的乙烯装置。机械装备要满足重负荷、长周期、低能耗，并符合环保要求。我国在仿制国外产品中发现，制造磁力泵的材质和工艺要求是很高的。即使11~13kW的中小功率泵,其可靠性制造成本也无法让用户接受。对于耐强腐蚀、高压、高温的大功率泵尚属空白。目前磁力泵的发展极限应由HMD公司的产品来描述：流量由1m3/h到681m3/h，压差由10m到500m，温度范围由-100℃到450℃，系统压力从真空到400bar，原动机功率达350kW。微型泵是专门为某些部门研究开发出来的，例如激光器的冷却、分析仪器的供料、化学剂的补充、生物工程、冷却循环，以至于打印机的喷嘴等。齿轮泵与电机一体化封闭联接，适用24V、36V直流电源，速度人工自动控制。最低流量为10ml/min，压差7bar。日本Iwaki公司为电镀、冷却循环用的MD系列微型磁力传动齿轮泵的流量范围是7.5~288L/min，传动功率1/25~1/3马力。

2.3各种类型的泵均可改造为磁力传动泵

离心泵是磁力泵的主导产品，磁传动回转位移泵虽有25年的历史，仅近七八年在设计制造水平以及大扭矩能力方面才有广泛的基础。重点是磁力传动齿轮泵与螺杆泵，最大传动能力达400Nm,转速3500r/min时功率为150kW。地处美国边界犹地州气体动力厂，透平压缩机的泵是常轨的外啮合齿轮泵。油泵因高压差平均每两个月便过度磨损而报废，造成压缩机关闭。1992年改用磁传动三螺杆泵后，一直连续运转，不用任何维护。英国Tuthill成功地应用了它的磁传动齿轮泵为Scottish公司的过程水系统中泵入添加剂，该泵取代了螺杆泵，符合卫生安全条例。

2.4磁力传动压缩机

磁力传动的内轴承位于所密封的空间内，它用密封的介质和冷却。鉴于我国材料制造水平，磁力传动在气体输送机械中尚未应用。加拿大Nova磁有限公司生产的超压风机，在170bar氦气压力下，泄漏率小1cm3/h，轴承寿命超过10000h。另一系列的加压风机，自由排放流量750m3/h，在400m3/h流量时系统压差35MPa，实现了零泄漏。此外，磁传动的特殊性能同样应用于无泄漏的搅拌器、阀门等设备。在冷冻机中的应用还未得到相关信息，笔者为实现将磁力传动应用于冷冻压缩机正在作探索工作，因冷冻剂尤其是氟里昂的外泄会造成严重的环境问题。

3新技术、新工艺、新结构

磁力传动技术并非只是简单的利用磁体的同性相斥、异性相吸作用，它是传动技术、材料技术、制造技术的集成。世界一流的专业生产厂，他们的产品在世界享有声誉，以至于我们无法仿制，其原因就在如此。现在这些“老手”还在进行效率和质量的改进，减少成本，延长两次检修之间的平均时间。

3.1新材料、新工艺

磁性材料的选用各国基本认识统一，NdFeB材料工作温度低于150℃，SmCo材料工作温度低于250℃，对于微型泵可选用钡铁氧体。泵体材料分金属、非金属两大类。金属不锈钢不意味着对一切液体都是不锈的，它主要用于与其兼容的过程液体、贵重液体、超纯净液体。非金属是专门为腐蚀性应用而研制的。它又分为2种情况。其一是纯塑料泵，用纯聚丙稀或乙烯氟化物热塑铸模。如英国VantonCGM泵流量为136m3/h，扬程84m（温度135℃），电机功率32kW。其二是衬里泵，是目前流行的耐腐蚀泵内衬塑料的一种方法。一般泵体可用可锻铸铁制造，FEP、PP、PFA、PVDF、ETFE无缝衬里。Magnetix新的MTA系列无密封泵与其它衬里泵的关键优势是应用了它的先进PFA氟聚合物衬里，PFA以它独特的广泛的耐化学剂腐蚀的能力，比ETFE，PVDF或其它非金属材料而闻名。采用专利技术：浇铸压膜工艺，联接的PFA衬里厚而均匀，与旋转模铸相竞争。应用于高纯度和高温流体更为理想。ISO泵PTFE衬里最小厚度3mm，用榫槽压入泵壳，泵壳用硼硅玻璃制造。隔离罩是密封的关键部件，它的破裂会导致流体泄漏发生灾难性的危害。单层金属封罩应用范围很广，尽管涡流会产生热量有能量损失，若采用高强度、高电阻材料可以限制到最小损失，如：哈氏合金C-4(2.4610)。由Taiani发明的金属叠层隔离罩取得5国专利，在许多设计中已被应用，它的效率可达99%，传动功率150马力。单层陶瓷ZrO2（氧化锆）隔离罩，耐苛性溶液，酸的腐蚀，具有高硬度和良好的滑动性能，及高的机械强度和弹性（E=2×105N/mm2），已用于工作压力250bar。但陶瓷罩壁厚较大，不能塑性加工。1999年初获得美国专利的IMO泵，新的隔离罩用碳纤维与环氧树脂制造，厚度小于2.8mm，与不锈钢法兰相联。适于操作压力31bar、温度232℃，传动扭矩407Nm，在3600r/min下功率达149kW。双层隔离罩提供了双保险和可供检测的空间。日本IWAKIMDE系列泵双层罩由玻璃纤维增强塑料制造。AnSimag双层环氧树脂隔离罩磁传动泵为造纸厂输送氧化铝，运转2年没有更换任何部件。隔离罩焊接是结构的薄弱点和腐蚀的敏感源，先进的制造方法是塑性成型，如深拉、旋压、延伸旋压。轴与滑动轴承由高耐磨性SiC制造。干运转按惯例是无密封磁力泵的凶兆。精心的流体平衡设计，后部密封圈与叶轮孔联合作用，平衡液体轴向推力减小叶轮的压力。入口调整阀防止低流量时的预旋，减小湍流，保证低流量操作。两个烧结SiC轴承优化设计支承点，轴套中的螺旋槽帮助冲洗和轴径，提供干运转30min的保证，可使操作者有时间调整系统，恢复正常运转，避免灾难性破坏。德国ITTRichter公司的MNKA系列泵的纯SiC轴承，在2900r/min下可以干运转1h。

3.2新技术

以最优的物理尺寸保证经济有效地利用磁体的体积，静磁脱开扭矩与温度的相关性通过有限元计算和广泛的试验。轴向与径向轴承由泵送介质来进行。流道提供必须的流量。新的自动调节轴承可承受大的轴向推力和径向力。具有超群的抗腐蚀和耐磨能力的SiC或碳石墨制造的滑动轴承，它缩装在金属外壳内，保证机械运转的稳定性，即使轴肩破坏，仍保持轴承的可靠性和可维修性。另一技术是流体平衡，使轴承所受的力限制到最小。目前内轴承的寿命可达到10000h。高温问题：KSB热油泵用环形冷却器来包围联轴器室，保持磁体附近的温度在材料最大允许温度之下，尽管介质平均温度是350℃。HMD的涡流型联轴器具有独特的“扭矩圈”设计，扩大温度范围至450℃不需要冷却。专利技术—风机自动冷却：在各种速度范围内磁联轴器可自动冷却，不需要外部冷却系统，仅用环形气室传动子自动完成。完全可靠性：在磁联轴器上装有摩檫圈以保护磁体；为防止干运转，流量传感器可以安装在用户管线上，确定断流或低流；国外机组随机装备数字式功率控制监控器来确定超载条件，泄漏传感器、温度传感器，使用PLC（可编程控制器）实时监控磁传动的工作情况。连续监视外轴承的运转间隙，监视任一球轴泵的磨损，使轴泵在损坏前及时更换。

3.3新结构

几乎所有的磁力传动泵均采用“后拉出”结构。整个联轴器部件、轴承部件分别作为一个单元，拆卸时不必从管路、底坐上拆出泵壳，益于检修服务。例如日本富士山胶片化学公司以前使用双机械密封离心泵，由于化学品的腐蚀磨损,轴封至少一个?????????更换一次。该密封的更换是很昂贵的，通常占泵总价值的25%，更换时间要花费5个小时。改用Global磁传动泵后，运行了2年完全成功。与双机械密封相比，检修周期增加了1倍，装拆一次减少到15min。1997年年内全部输送泵均更换为磁力泵，并将泵的预期寿命（不用任何服务）规定为5年。ALLweiler理智的提出无叶轮轴设计，叶轮安装在SiC轴承中间，标准间隙正在申报专利。风机应用分开式电马达，插入式套筒内轴承，无论是检修马达还是风机轴承均可在30min内完成。零部件大范围的与EN22858/ISO2858、ANSIB73.1、API610、DIN、BS等标准泵互换。平衡按API/ISO实施。

4先进制造技术与管理

为适应全球化竞争与合作，世界泵业都在发展自已的技术优势，扩大产品范围以适应世界大市场的多样性、个性化需求。产品在满足功能要求的同时，毫无疑问应充分满足严格的安全性、可靠性和生态环保要求。先进制造技术是产品先进的主题。磁传动泵的先驱者HMD三年前推出了长远生产方式和完全的研究计划，最后重新设计它的装配设备。投资100万英镑来扩充HMD的产品能力，又花费70万用于新的高速加工系统，购买了6套加工中心。然而不单是用先进的机器来增加产量，重要的是建立挠性加工，减少循环时间。以往扭矩圈要围绕工厂传送540m，在制造链上要花费8~9周时间，今天，制造是家庭式的组织，许多机器均连于公司的CAD/CAM系统，工程师根据用户迅速对标准件做出创造性改革，直接上载到加工中心。同一扭矩圈运行30m，在线上仅需要花2天时间。由于快速制造，材料泵可以很迅速交货，某种情况下少许3天。按他们的话说“竞争优势将使我们代入下世纪，开创更多商机”。[1]先进的产品来自先进的设计与严格的试验，3D设计与模拟，无图纸加工，虚拟制造、快速成形都在进行。高强度合金材料的冶金学试验制作，泵体、叶轮及隔离套受强腐蚀作用确保长寿命：非磨损的SiC轴泵的冷却系统在化学过程工业中进行广泛的试验，包括高的系统压力345bar，自吸和热套设计。每一部件、组件和系统都周密地检查和评定。HMD认为制造与需求的原则是：超前战略性原材料；发展关键的供应关系；通过组织制造循环，减少制造周期；减少排队，加速进程。笔者在网上查询了20几家著名的磁传动公司，发现他们在世界各地均有子公司及销售网。质量设计和制造由全世界技术精湛的泵发行者来决定，才能对市场战略性地迅速作出反应。服务包括解答用户遇到的应用问题，泵的选择，特种泵专门设计，每天24小时为用户技术咨询。21世纪制造技术不但将继续制造常轨条件下运行的机器与设备，而且将制造出极端环境下运行的机械设备。21世纪制造的产品应是符合生态环保，与人友好的绿色产品，磁力传动技术正是适应这一发展态势，让我们借鉴国外先进经验推动这一技术的发展吧！

参考文献

[1]HMDSeamless.PumpManufacture,atMaximumVelocity[J].WorldPumps,1999,(7):33-36.

[2]EquipmentNews[J].WorldPumps,1998(4):36.

永磁传动技术论文篇2

【关键词】伺服系统；永磁同步电机；直流无刷电机

一、概述

从70年代后期到80年代初期，随着微处理技术，大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展，其性能价格比的日益提高，交流伺服技术－交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。目前，高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，永磁同步电机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能并可实现弱磁高速控制，能快速、准确定位的控制驱动器组成的全数字位置伺服系统。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，其在工业生产领域中的领域也越来越广泛，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。

二、永磁同步电机伺服系统的基本结构

永磁同步电机伺服系统除电机外，系统主要包括驱动单元、位置控制系统、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。

1．永磁式交流同步伺服电机。永磁同步电机永磁式同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要更多维护给应用带来不便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好，但存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差，高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等缺点。与普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

2．驱动单元。驱动单元采用三相全桥自控整流，三相正弦PWM电压型逆变器变频的AC-DC-AC结构。设有软启动电路和能耗泄放电路可避免上电时出现过大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵升电压。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)。

3．控制单元。控制单元是整个交流伺服系统的核心， 实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。具有快速的数据处理能力的数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统，集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

4．位置控制系统。对于不同的信号，位置控制系统所表现出的特性是不同的。典型的输入信号有三种形式:位置输入（位置阶跃输入）、速度输入（斜坡输入）以及加速度输入（抛物线输入）。位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂，价格昂贵。磁编码器是实现数字反馈控制性价比较高的器件，还可以依靠磁极变化检测位置，目前正处于研究阶段，其分辨率较低。

5．接口通讯单元。接口包括键盘/显示、控制I/O接口、串行通信等。伺服单元内部及对外的I/O接口电路中，有许多数字信号需要隔离。这些数字信号代表的信息不同，更新速度也不同。

三、对当前两种不同的永磁同步电机伺服系统的分析

由于转子磁钢的几何形状不同，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形就有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。

PMSM不需要励磁电流，在逆变器供电的情况下不需要阻尼绕组，效率和功率因素都比较高，体积也较同容量的异步机小。PMSM通常采用矢量控制和直接转矩两种控制方式。矢量控制借助与坐标变换，将实际的三相电流变换成等效的力矩电流分量和励磁电流分量，以实现电机的解耦控制，控制概念明确；而直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点是调节，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，其控制简单，转矩响应迅速。PMSM的矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度和位置控制，但是它的传感器则给调速系统带来了诸如成本较高、抗干扰性和可靠性不强、电动机的轴向尺寸较长等缺陷。另外，PMSM转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。

转贴于

BLDCM组成的伺服系统具有转速平滑，响应快，易于控制等特点，但若按照常规的控制方法，其转速直接与电压相关，易受电源波动和负载波动的影响。BLDCM类似于PMSM转子上也有永磁磁极，定子电枢需要交变电流以产生恒定转矩，其主要区别是前者的反电势为梯形波，而后者的反电势为正弦波。但由于电磁惯性，BLDCM的定子电流实际上为梯形波，而无法产生方波电流，并由集中绕组供电，所以BLDCM较PMSM脉动力矩大。在高精度伺服驱动中，PMSM有较大竞争力。另一方面，PMSM单位电流产生的力矩较BLDCM单位电流产生的力矩小。在驱动同容量的电动机时，PMSM所需逆变器容量大并且需要控制电流为正弦波，开关损耗也大很多。

PMSM的交轴电抗和直轴电抗随电机磁路饱和等因素而变化，从而影响输出力矩的磁阻力矩分量。PMSM对参数的变化较BLDCM敏感，但当PMSM工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，其矢量控制系统对参数变化的敏感性与BLDCM基本相同。当电机转速较高，无刷直流电机反电势与直流母线电压相同时，反电势限制了定子电流。而永磁同步电机能够采用弱磁控制，因此具有较大的调速范围。

四、永磁同步电机伺服系统的国内外发展现状

早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人对永磁同步电机的直接起动方面做了大量的研究工作。在上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电机进行了深入的研究，其供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但多数情况下无阻尼绕组。并在该时期发表了大量的有关永磁同步电机数学模型、稳态特性、动态特性的研究论文。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。

随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。可设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机。

近年来微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了十六位单片机8097作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文。

九十年代初期，R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统。刘天华等也将鲁棒控制理论应用于永磁同步电机伺服驱动。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。滑模变结构控制 由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似，并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。

随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统（ExpertSystem）;基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）的神经控制。B.K.Bose等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了可喜的研究成果。

参考文献

[1]林正，钟德刚，陈永校，等．同步型永磁交流伺服系统控制技术评述[J]．微电机，2005，（38）.

[2]高性能交流永磁同步电机伺服系统现状[J]．自动化控制系统，2007．

[3]刘嘉亮．交流永磁同步电动机伺服系统[J]．

永磁传动技术论文篇3

关键词：永磁同步电动机，电梯

 

一、永磁同步电机应用于电梯驱动技术

永磁同步电机无齿轮传动系统采用正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)，由于其减少了变速箱以及齿轮机械结构，减小了体积。论文参考网。同时永磁同步电机较之于以往交流异步电动机，应用于电梯拖动系统时有以下几个特点:

1、永磁同步电机机械噪音小，转矩波动小，转速平稳，动态响应快速准确。同步电动机比异步电动机对电压及转矩的扰动有着更强的承受能力，能做出比较快的反应。异步电动机当负载转矩发生变化时，电机的转差率也发生变化，转速也就随之变化，这样电机的转动部分的惯量就会阻碍电机做出快速的反应;而同步电机当负载转矩发生变化时，只要电机的功角做出相应的变化，而转速维持在原来的转速，这样电机转动部分的惯量就不会影响电机的快速反应。

2、相对于传统有齿轮传动系统，以永磁同步电机为主要技术的无齿轮曳引技术实现了无机房化，降低了建筑面积，整个电梯系统的成本降低，维护方便，减少了机械传动系统，噪音降低。

3、体积小，重量轻，随着高性能永磁材料的应用，转子无需励磁，相对于异步电机减少了变速用的变速箱，所以永磁同步电机功率密度不断增加，比起同容量的异步电机，它的体积，重量都要减小许多。

4、损耗小，效率高，永磁同步电机相对于异步电机无需励磁电流，无功电流分量，显著的提高了功率因数;由于高性能永磁材料的应用，提高了磁负荷，在相同功率的情况下，在设计过程中可以相应的减少电负荷，这样随之减小定子电流和定子铜耗。转子采用表面磁钢形式，在稳定运行时无转子铜损提高了效率。

5、性能价格比高。论文参考网。随着电力电子技术的成熟，电子器件的价格的降低，人们越来越多得用变频电源来驱动永磁同步电机，这就使整个驱动系统的成本不断降低。

二、国内外电梯驱动用永磁同步电动机的发展现状

国际上对电梯驱动用永磁同步电动机的研究己经进行了多年。从上世纪90年代起，电梯行业内的有关企业就开始了对电梯驱动用永磁同步电机的探索。日本三菱公司首先在高速电梯曳引机上使用永磁电机，提高了电梯的运行性能。日本在永磁电机应用于电梯的研究也己经进行了多年，并且取得了很大的成绩，其中以日本安川为代表的一些企业己经生产出了此类产品并获得了应用。他们在控制方式、转子位置检测、驱动变频器及电机本体设计等方面己经有了很多产品且申请了相关的专利。其产品经过实际测试，得到了国内同行的高度评价。论文参考网。东芝公司外旋转无齿轮永磁同步电动机曳引机的曳引轮与电机成为一体，实现了小型化、轻量化。

三、永磁同步电动机的分类

永磁同步电机按主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式;按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式;按转子上有无起动绕组，分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机);按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机(简称无邪}J直流电动机)和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。永磁同步电机无齿轮传动系统采用的正是正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。

四、变频调速永磁同步电动机的设计要求

由于采用变频器对电机实行变频变压调速时，经变频器输入电机的电源是一个含有大量谐波分量的电压或电流发生源，它对电机的性能产生很大影响，主要表现在:电机振动、电磁噪声、损耗增大、起动转矩下降，温升升高等现象，而电梯的运行恰在这几方面要求比较严格，为此必须有针对性地采取措施。

（一）电动机低速平稳性的改善

电动机服务于电梯传动系统，因此对于运行的平稳性、动态响应性能和运行中的低噪声提出了较高的要求，尤其是对电机低速运行的平稳性要求更为严格，因为低速平稳性是保证电梯电机性能的重要指标。影响电动机低速平稳性的主要原因是电动机低速运行时的脉动转矩，该脉动转矩通常分为两种:一是由感应电动势或电流波形畸变而引起的纹波转矩，二是由齿槽或铁心磁阻变化而引起的齿谐波转矩。针对这两种情况，减小电动机低速脉动转矩的措施主要有以下几点:

1、使电机空载磁场气隙磁通密度的空间分布尽量接近于正弦形，以减少由谐波磁场引起的谐波转矩以及由谐波转矩引起的电磁振动。

2、合理选择定子槽数，使在该槽数下采用绕组短距、分布的方法来有效地削弱高次谐波电动势。

3、当转子有槽时，应该选择与定子槽数相配合的转子槽数。

4、增大电机的气隙长度，以减小气隙磁场齿谐波及相应的齿谐波转矩。

5、采用定子斜槽或转子斜极削弱齿谐波电动势，从而减少相应的齿谐波转矩。

6、减小定子槽的开口宽度或采用磁性槽楔，以降低由定子槽开口引起的气隙磁导的变化，从而减小了气隙磁场齿谐波。

7、采用阻尼绕组，以减小电枢反应磁链的脉动，可以有效地减少纹波转矩。

8、增大交轴同步电抗，使凸极永磁同步电动机的交轴同步电抗与直轴同步电抗的差距增大，从而增加电机的磁阻转矩，以增强电机低速运行时的输出能力。

（二）电动机低速平稳定位转矩的抑制

高精度的调速传动系统通常要求系统具有较高的定位精度。影响永磁同步电动机停转时定位精度的主要原因是电机的定位转矩，即电机不通电时所呈现出的磁阻转矩，该转矩使电机转子定位于某一位置。定位转矩主要是由转子中的永磁体与定子开槽的相互影响而产生的。

（三）提高弱磁扩速的能力

永磁同步电动机的励磁磁场由永磁体产生，不像电励磁同步电动机那样可以调节，这样在控制手段上就只能通过增大电机的直轴去磁电流以达到弱磁扩速的目的。

针对这一情况，对永磁同步电动机本身提出的要求是:

1、增大直轴同步电抗，以增强电机直轴电流的去磁能力。

2、选用抗去磁能力强的永磁体，并在电机结构上对永磁体加强保护，以避免永磁体发生不可逆性去磁。

3、充分利用电机的磁阻转矩，使永磁磁链设计得较低，从而增强电机的弱磁扩速能力。

4、保证电机转子具有适合高速运行的足够的机械强度。

五、结论

永磁同步电动机和异步电动机不同，永磁体提供的磁通量和磁动势随着磁路的饱和程度、材料尺寸、电机的运行状态变化而变化，而且由于转子磁路结构形式多种多样，不同的转子磁路结构，其空载漏磁系数各不相同，对电机的性能有着重要影响。据有关人士预计，在2010年新增的电梯90%以上是由低速、大转矩的永磁同步电动机直接驱动的无齿轮曳引电梯，永磁同步电动机在无齿轮曳引电梯中的应用将有很好的发展前景。

参考文献:

[1]廖富全.基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统[J]兵工自动化,2005,(03).

[2]樊锋,刘强.交流直线电机矢量变换控制软换向方法及实现[J]北京航空航天大学学报,2004,(04).

永磁传动技术论文篇4

关键词：运输；永磁同步电机；蓄电池机车；应用；技术创新

中图分类号：TM3 文献标识码：A

1.现状

矿用蓄电池电机车是煤矿生产的重要运输工具之一。目前煤矿上所用到的传统蓄电池电机车普遍采用直流串激电动机作为牵引电动机，由于矿用蓄电池电机车要经常工作于加减速运行状态，因此为了限制起动电流和改变运行速度。随着电力电子技术的飞速发展，采用可控硅脉冲调速方式调速范围能够达到5％～90％，起动效率和调速效率也提高了20％左右，但是由于晶闸管的技术性能差，导通容易但不能自行关断，因而在调速过程中会出现失控现象。所以，蓄电池电机车的调速方式的改进是非常必要的。

随着交流调速技术的日趋完善，直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露出来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。CTY型永磁式电机车，采用永磁同步电动机和永磁同步电动机调速器，电动机四象限运行，实现电气制动和机械制动双制动，电气制动时电能逆变回馈电瓶，节约电能34%，调速方式永磁同步电机调速，反向制动功能，避免电机车司机打倒把损坏控制器、产生机械冲击损坏电机车。调速器具有速度、电压显示、蓄电池欠压保护功能。具备防电瓶过充过放功能保护，可延长电瓶使用寿命。

2.直流电动机与永磁同步交流电动机比较

将直流牵引调速电机车与永磁同步牵引调速电机车进行了对比，对比结果如下表所示：

序号 项目 直流牵引调速电机车 永磁同步牵引调速电机车

1 安全 直流牵引电动机系统没有电制动功能，制动完全依靠机械摩擦制动，司机的反应时间较长，制动距离长。 永磁同步牵引电动机具有电制动功能，制动力矩大，制动的反应时间短，因此相同的工况下，制动距离要短，提高了机车的安全性能。

2 牵引电机可靠性 直流牵引电动机转子线圈易因绝缘下降, 过流等原因烧损,转子换向铜头磨损,碳刷磨耗,碳粉清理不及时等原因,故障率高易损件更换维修费用大. 永磁同步牵引电动机的转子为永磁稀土材料和硅钢片等组成，没有换向铜头和线圈,密闭性好,不易因潮湿等原因降低绝缘损坏,没有碳刷的消耗,可靠性高，所以几乎没有维修量,故障率低, 运行费用低.

3 控制器维修量比较 直流牵引机车采用斩波调速控制器,实现机车的启动,调速,停车.控制器的接触组触头,截片在通,断操作过程中拉弧烧损,要经常打磨甚至更换,维修量很大. 永磁同步电动机的调速器采用无极调速，控制器采用集成度和可靠性极高的DSP控制芯片及IPM驱动模块。

4 电力消耗 直流牵引电阻调速机或斩波调速机车,没有在下坡道运行对蓄电池机车的电源装置的发电反馈功能,所以直流牵引架线电阻调速机车的电力在启动和减速制动的过程中白白的消耗在电阻上,同时直流牵引电动机系统的效率比较低。 蓄电池机车采用永磁同步电动机系统，在机车减速的过程中可以对电池组进行充电,大部分的机车势能得到回馈，可以极大的延长电池组的放电时间,提高续航里程，既节约了电力又节省了充电作业时间，同时延长电池的使用寿命.

5 调速性能 直流牵引电阻调速电机车是通过增减并电阻和牵引电机的串并联来调速,直流牵引电机的转速是随负载变化的,在下坡运行时易造成飞车出轨事故,司机操作突然加速可能造成调速器和牵引电机的损坏 永磁同步电动机系统为无级调速,调速均匀,牵引电机按调速手柄给定大小控制电动机系统的力矩增减,相当于汽车的油门控制，同时可以设定最高车速限制,即使下坡轻载也不会造成超速飞车。

6 牵引力 由于直流牵引电机的软特性,转速随负载变化,过载能力小,相同粘着条件牵引力小. 永磁同步电动机系统过载能力比较强，机车在相同的粘着条件下具有较大的牵引力,

7 经济效益 直流电阻调速机车,相同吨位蓄电池机车同样是耗电量大,维修量大运行成本高. 永磁同步电动机系统，无论是应用于架线或蓄电池式机车,突出的特点是节电,节电率可在40%以上。

3.技术关键研究

3.1适合煤矿蓄电池电机车使用电压等级和驱动能力的永磁同步电动机，采用永磁同步电动机实现煤矿电机车的驱动；

3.2以高性能数字信号处理器为核心，设计满足逆变器控制和电机车控制的调速器控制电路；

3.3解决电气制动问题，改变过去依靠机械制动方式，从而提高车辆的安全性并减少机械磨损，选用高性能的DSP为核心，设计专用控制电路实现电机车的驱动和制动控制；

3.4有效的抗振方法，提高控制器的使用可靠性和运行寿命；

3.4采用有效的散热技术，降低控制器的损耗，保证功率开关器件的安全可靠运行，满足防爆产品散热的要求；

3.6有效减少电机车的维修工作量，提高工作效率；

3.7将电池管理系统与传动控制系统相结合，有效提高电池的使用效率和使用寿命；

4.技术水平和难度、创新点

4.1技术水平和难度

目前，永磁同步电动机及其调速器，第一次将该技术应用到煤矿蓄电池电机车中，可以说，该技术的应用尚属首次，填补了煤矿运输系统的空白，在煤矿直流供电的车辆上处于国内领先水平。

该项目的技术难度表现在：

4.1.1永磁同步电动机的设计：包括电动机的电磁理论设计，低电压条件下大扭矩的永磁同步电动机的设计，永磁同步电动机隔爆设计等；

4.1.2蓄电池电机车用隔爆型调速器研制：采用目前工业领域最先进的IPM模块和DSP（高性能数字信号处理器）为核心，设计满足逆变器控制和电机车控制的调速器控制电路；

4.1.3研究有效的抗振方法，提高控制器的使用可靠性和运行寿命；

4.1.4设计专用控制电路实现电机车的驱动和制动控制：低速情况下驱动的的大力矩问题，同时解决电气制动过程中输出符合电机运行特性曲线的力矩，从而降低制动距离，提高机车的安全性能；

4.1.5低功耗技术研究：降低控制器的损耗，控制器的效率大于95%，同时研究采用有效的散热技术，保证功率开关器件的安全可靠运行，满足防爆产品散热的要求；

4.1.6蓄电池检测技术与调速器的控制技术相结合，将电池管理系统整合到传动控制系统中，确保电池不过放，制动过程中对电池进行能量回馈充电，有效提高电池的使用效率和使用寿命。

4.2技术创新

4.2.1理论创新：控制系统中通过研究控制理论和控制方法，采用电流调节器的快速调节,保证系统的快速响应，实行了电流调节器和电压调节器的双闭环控制, 从而保证了系统的电压精度和频率精度，通过对ID、IQ优化，保证了控制精度和系统效率的最优控制。

4.2.2应用创新：永磁同步电动机及其控制系统相对于直流电机及其控制系统具有效率节能、故障率低、减少机械磨损等优点，在窄轨蓄电池电机车领域还没有人研究，通过该项技术的应用，将对架线式电机车行业带来巨大的应用变革。

4.2.3技术创新：电动机采用稀土材料制成的永磁电动机，运行安全可靠、免维护，控制策略采用国内先进的矢量控制方案，利于提高各项电气性能指标。电机车采用永磁同步电机及其控制系统后，系统具有在制动过程中采取电气制动功能，大大提高机车运行安全性能。

5.社会、经济效益分析

5.1安全：按照国家煤矿行业标准MT491-1995《煤矿防爆蓄电池电机车通用技术条件》要求，5吨电机车单车的制动距离为9米，而永磁式蓄电池电机车的制动距离为3.2米；8吨电机车单车的制动距离为12米，永磁式蓄电池电机车的制动距离为4.3米；制动距离远小于普通的蓄电池电机车，提高了电机车的安全性能。

5. 2节能效果：永磁电机车额定系统效率为92.6%，远远超过现有电机车的系统效率（国家标准为60%），加上制动过程的能量回馈，系统节能将达到50%以上。当采用直流串励电动机及斩波调速系统时，蓄电池的续航里程为35公里，而采用永磁同步电动机的蓄电池电机车，其续航里程为58公里，比较而言续航里程延长了65%。

5.3延长电池使用寿命：永磁式蓄电池电机车当电池的电压低于额定电源电压的0.65倍时，电机车将报欠压并启动系统保护功能，杜绝蓄电池过放。

永磁传动技术论文篇5

关键词 轨道交通；PMSM；磁场定向；PSIM9.0

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0036-02

据统计，在我国城市公共交通系统中，80%以上的客运量主要是由公共汽车、电车来承担，大中型城市的交通客运量还是以地面常规交通为主，虽然城市环架的建设在一定程度上减轻了交通拥堵，但还是不能解决拥堵问题。但随着城市现代化的飞速发展，还是不能解决问题，同时我国城市的道路交通拥挤程度大大高于同等机动车拥有水平的国外城市。

为此国家开始把目光转向地铁、轻轨等大容量快速轨道交通，城市轻轨具有运量大、速度快、污染小、能耗少、准点运行、安全性高等优点。发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统是解决城市的交通问题的根本出路，轨道交通包括地铁、轻轨、有轨电车和磁悬浮列车。目前我国已经有13个城市有了城市轨道交通，轨道交通在我国正在迅速发展。

在轨道交通系统中，车辆电力牵引驱动系统是关键技术，纵贯历史发展，该驱动系统共经历了三个时期：20世纪70年代之前的第一代直流传动系统，到20世纪70年代到21世纪处的交流传动系统，再到现在的永磁同步电机直接驱动系统。因此控制好永磁同步电机是发展轨道交通的核心技术，而永磁同步电机系统复杂，传统控制方法无法满足要求，本文主要以磁场定向矢量控制技术对永磁电机进行控制研究。

1 永磁电机的数学模型

要对永磁同步电机进行控制，首先要对其数学模型进行分析，通过分析后的数学表达式，再对其控制方法进行设计，最后运用软件对该算法进行模拟仿真，来验证其可行性和优越性。本文采用矢量控制技术，要求其永磁体的励磁磁场在气隙中呈正弦分布，或者说电机在稳态运行时能够在相绕组中产生正弦波感应电动势，这也是永磁同步电机的一个基本特征。

1.1 永磁同步电机的电压和磁链方程

永磁同步电机的定子三相绕组的电压平衡方程为：

（1）

式（1）中，为三相等效绕组，、、为各相绕组的全磁链，、、为相电流瞬时值。

永磁同步电机的磁链方程为：

（2）

式（2）和分别代表相绕组的励磁电感和漏电感，、、为三相转子磁链。根据基尔霍夫中性线定律，带入式（2）可得：

（3）

式（3）为定子磁链和转子磁链的关系式，为等效励磁电感，，称为同步电感，。

1.2 永磁同步电机电磁转矩和运动方程

永磁同步电机转子的永磁体产生的是正弦波分布磁场，当该磁场变换到转子坐标系以后仅与定子绕组中的d绕组匝链，与q绕组没有匝链。电磁转矩方程为：

（4）

式（4）中，、分别为定子电流的dq轴分量，和为定子磁链。

根据牛顿第二定律，电动机的运动方程为：

（5）

式（5）中为电磁转矩，电机极对数。

2 永磁同步电机的矢量控制

由于永磁同步电机数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，传统的变压变频控制算法很难满足其控制要求。本文采用磁场定向矢量控制技术，其核心是在转子旋转坐标系中，分别对激磁电流和转矩电流进行闭环控制，实现电流的稳定，同时外环为转速环，用于稳定转速。这样就形成了转速外环和电流内环的双闭环控制系统，转速和电流调节器算法采用经典的PI控制器，逆变器控制采用电压空间矢量技术（SVPWM）控制算法。

根据电力电子变换知识，三相二极管不可控整流输出的直流电压平均值与三相电网电压的关系如下式所示：

（6）

根据其控制算法，得到其系统控制结构：在外环中，将检测到的PMSM转速与给定的转速进行比较，比较的差值通过PI调节器得到两相旋转坐标下的激磁电流和转矩电流。在内环中，将检测到的三相电流进行3/2坐标变换为两相旋转电流，与通过转速环得到的电流值进行比较，计算得到的差值再通过PI调节器，最后通过电压空间矢量（SVPWM）算法控制逆变桥六个IGBT的导通与关断，这样便形成了转速外环和电流内环的双闭环控制系统。

3 控制系统仿真波形

由于PSIM软件主要用于电力电子系统的仿真，本文采用较新的PSIM9.0版本对其仿真。根据控制系统结构，对该模型进行搭接，其搭接过程：时钟信号用来设置仿真步长和时间，整流电路采用六个二极管构成，通过不可控整流电路，实现三相电源到直流电源的转换，六个IGBT构成三组桥臂逆变器，实现从直流电源到交流电源的转换，C Block实现CPU的功能，可以设置多输入多输出，兼容C语言编程方式，使用起来非常方便，整个系统装置的软件编程都是由C Block来完成，包括电压空间矢量算法，磁场定向控制算法，PWM由调制电路实现，采用双极性调制方式，驱动信号经放大、增强驱动IGBT按照设定的逻辑进行通断。编码器为增量式编码器，与海德汉ER1387编码器功能类似，同时有转角信号的采集，由这几大部分共同构成了永磁同步电机的调速装置。

在对主电路进行仿真分析时，电网电源采用三相对称的相电压峰值为311 V的三相交流电源，调制波是频率5000 Hz的三角波，编码器为增量式编码器，直流储能电容的容量为

4000 uf，电机选择Elements，power，Motor Drive Module中的Permanent Magnet Sync.Machine。

图1为三相电网电压波形，从图中可以看出，三相电压幅值相等，相位角互差120°，频率都为50 Hz，符合三相对称电源的要求。三相电源经二极管整流后，从直流电压的测量值可以看出，其值为540 V，根据电力电子技术计算得到的直流电压与用仿真软件得到的电压均为540 V，因此其整流部分满足控制

要求。

图1 三相对称电网电压

对于电流内环，选择合适的比例和积分系数后，d轴和q轴电流的瞬时值会快速跟踪设定电流，图2（a）为d轴电流的跟踪情况；图2（b）为q轴电流的跟踪情况；其中d轴电流的设定值由转速误差经PI调节器后得到，q轴的电流设定值为0。

电机转速特性曲线如图3所示。当设定电机转速为40rpm时，电机转速波形先上升到一定值时，再下降，最后稳定在40rpm，当设定电机转速为-40rpm时也能满足其控制要求，从图中可以看出，电机在初始状态时，有所一定量的超调，但很快能够稳定在设定的值，因此可以得出在此控制方法下电机正反转时速度响应快，正常运行后电机转速运行稳定。

（a）d电流跟踪 （b）q轴电流跟踪

图2 电流跟踪情况

图3 设定转速为40rpm时转速曲线

4 结论

本文首先通过现代城市交通出现的拥堵问题，反映出实现城市轨道交通的重要性，能够解决进而提出电力牵引驱动系统是轨道交通的重要技术，强调了驱动系统中PMSM稳定控制的重要性，然后通过分析PMSM的数学模型，采用了基于磁场定向矢量控制技术为核心，且控制结构采用转速外环和电流内环的双闭环控制系统。最后通过PSIM9.0软件对其整个控制结构搭接了模型，并对其进行了仿真，通过直流电压、电流跟踪、转速曲线的波形结果验证了该控制方法的可行性和优越性。

参考文献

[1]袁登科，陶生桂.交流永磁电机变频调速系统[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]苏艳辉.基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[3]彭力.基于状态空间理论的PWM逆变电源控制技术研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

[4]魏克新，张刚，杜明星，牛智博，基于滞环空间矢量三相PWM整流器的研究[J].电气传动，2009（9）：1-4.

永磁传动技术论文篇6

关键词 循环水；离心泵；永磁调速；节能

中图分类号TH311 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）89-0199-01

0 引言

燕山石化水气管理中心第七供水车间二循共有3台循环水泵，为化工二厂三聚装置提供循环水，正常运行时两用一备。

1 运行中存在的问题

化工二厂三聚装置用水量在2 500m3/h～3 500m3/h，单泵运行时无法保证装置的用水，给安全生产造成设备隐患；双泵运行，管网压力高0.65MPa～0.70 MPa，超过工艺控制范围0.40MPa～0.60MPa，双泵并联运行效率低，装置通过调节阀门控制循环水量，能耗浪费严重。

从流体力学原理可知，使用感应电动机驱动水泵负载，轴功率P与流量Q扬程H的关系为：P∝Q×H，即当电动机的转速n1变化到n2时，Q、H、P与转速的关系如下：输出流量Q与转速n成正比：输出压力（扬程）H与转速n的平方成正比：输出轴功率P与转速n的立方成正比：例如当需要50%的额定流量时，通过调节水泵的转速至额定转速的50%，这时所需功率仅为原来的（50%）3，即12.5%。当转速越低时其节能效果越明显。

2 调速方案、原理

传统的变频技术是20世纪80年代兴起的新技术，其变频原理是根据三相异步电机的转速，通过半导体电子元件构成电力变频器，连续调节电动机的频率，进而相应改变电动机的转速，以达到节能的目的。变频改造需更换电机和水泵，改造费用高，周期长。本次改造采用水冷型永磁调速驱动器的方式，在电机和水泵间增加永磁调速驱动器，调速系统主要包括永磁调速驱动器、PLC、压力传感器等组成的闭环控制部分以及配套的配电、管网等。

2.1 永磁调速工作原理

永磁调速驱动器主要有导体转子、永磁转子和控制器三部分组成。导体转子固定在电机轴上，永磁转子固定在负载（水泵）转轴上，导体转子和永磁转子之间有间隙（称为气隙）。这样电机和负载由原来的硬（机械）链接转变为软（磁）链接，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实现负载转速变化。

永磁调速通过供水系统管网上的压力传感器对管网的水压进行采样，将压力信号转换为电信号，并将其送至PLC控制端，PLC将压力信号与用户设置的压力值进行比较和运算，在将结果转换为调节信号送至永磁调速驱动器。永磁调速驱动器根据接收到的调节信号调整气隙，从而实现调整水泵转速，进而达到调节供水管网压力的目的。

2.2 永磁调速特点

1）调速范围广、精度高。永磁调速可以精确的调节水泵转速，闭环控制是时，转速调节范围可由1%～100%，精度可为±1%，采用PLC自动控制，大大提高了调节精度，减轻了操作人员的劳动强度；

2）运行可靠、维护方便费用低。永磁调速通过改变永磁体间隙的方式进行调节，平稳运行时完全不耗电，不采用电子元件进行变频，耐冲击、耐振动，基本无需维护，维修费用低；

3）电机损耗小、效率高。采用永磁调速，电动机的损耗小、效率高，水泵转速丢转率小于3%；

4）节电效果显著。采用永磁调速，可以按负荷的大小自动调节转速负荷，达到经济运行，避免了靠调节阀门所造成的极大浪费；

5）改造简单、周期短、费用低。采用永磁调速的改造方案，只需在水泵和电机间增加永磁调速驱动器，改造时只需将电机基础增大，无需重新购置变频电机和水泵，减少了大量的改造费用；

6）具有过载保护功能，从而提高了整个系统的可靠性，完全消除了系统因过载而导致的损坏；

7）使用寿命长，设计寿命为30年，并可延长系统中其他零部件的使用寿命。

3 永磁调速的效益

改造后二循将供水压力控制在0.58MPa进行闭环控制，水泵电机电流由42A下降至31A，消耗功率由370.9kW降低至272.1kW，节省了98.8kW，按照每年运行8 000小时，预计每年可节电790 400度，可节省电费52.8万元。

4 结论

循环水供水的工艺控制调节多采用调节阀门开度完成，很大程度上存在控制不方便、水泵电机效率低的弊端，二循通过永磁调速改造，取得了良好的节电效果，稳定了管网的运行。本系统通过PLC实现恒压控制，极大地方便了岗位人员的操作，降低了岗位人员的劳动强度。系统的结构、软件及主要技术环节的设计，都实现了生产过程的自动控制，提高了生产效率，提高了供水质量，同时永磁调速驱动器的冷却系统需要进一步的改进。

参考文献

[1]孟宇.变频调速在供水系统中的应用[J].科技创新导报，2011，23.

永磁传动技术论文篇7

                                    抚顺石油学院  王 玉 良

Wang Yuliang

    摘  要:综述了国外永磁传动技术的最新发展。应用领域拓宽、技术性能提高；出现一些新技术、新工艺、新结构；应用先进制造技术与管理，使磁力泵更加高效、可靠与耐用。

    关键词:永磁传动  技术  材料   结构   应用

Abstract：New development on magnetic driving in foreign country is synthetically reviewed. 

Applications field is become wide and technical property is improved; New technique, 

technology and construction appear; Magnetic drive pumps become high efficiency,

 rliability and long life by using advanced manufacture technique and management.

Key words：magnetic drive; Mag-drive pumps; new technique. 

[中图分类号]TM351     [文献标识码]B    文章编号 1561-0330(2003)07-00

1引言

 1940年英国人Charles和Geoffrey Hwward首次解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题，解决的方法是用磁力驱动泵。在以后30多年里永磁传动技术由于磁性材料的原因进步十分缓慢。1983年高性能钕铁硼（NdFeB）永磁材料的问世，为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。近年来永磁传动技术已从泵类向其它密封机械扩展，技术上集中于提高设备的可靠性、抗介质腐蚀新材料的研究，流体技术及制造装配的精度。磁力泵代表着一个国家制造技术的水平，近年来工业发达国家的磁力泵在效率、寿命、制造周期、成本、可靠性等方面有了突破性的进展。  

    永磁传动技术是将原动机的动力通过其轴上的外磁部件传递给工作轴上的内磁部件，内外磁部件由隔离罩分开，从而工作轴无须伸出所要封闭的空间，取消了动密封，实现无密封、零泄漏。永磁传动技术主要应用于化学工业、石油化工、医药、食品工业中的泵和压缩机、搅拌机与阀门等。目前我国流体机械大量使用的传统机械密封在国外的这些部门已逐渐被永磁传动所取代。  

2 应用领域拓宽、技术性能提高  

2.1磁力传动是密封领域最有效最安全的解  

    永磁传动即永磁联轴器对于需要密封的机械，对有害、有毒、污染、危险、纯净、贵重的产品和生产过程是一最安全解，它的应用范围很宽。石油化工、医药、电影、电镀、核动力等行业中的液体大都具有腐蚀性、易燃、易爆、有毒、贵重，泄漏会带来工作液体的浪费与环境污染；真空、半导体工业要防止外界气体的侵入：饮食、医药要保证介质的纯净卫生。永磁传动技术在这些领域找到了用武之地。英国Howard机械发展有限公司(HMD)从1946年就致力于无密封泵的制造，至今在全世界37个国家已销售近7万台,每年销售额达28百万英镑[1]。美国一家制药厂有上百个装有机械密封的离心泵，处理各种酸类，这些泵由于设计问题常常干运转，仅能使用2~3个月就自行破坏，换用了Ansimag公司生产的K1516系列磁传动泵，自1993年投入运行（每天操作4.8小时每年365天）至1998年还在运行[2]。美国中西部的容器板厂，合成苛性纳是回转叶片泵密封的极大问题,这里的工程师称这些泵是“维护黑夜里的天”安装了Ansimag公司的ETFE衬里无密封磁力泵,运行11个月没有停机[3]。美国一大型化工厂面临着输送甲醇的严重困难。因甲醇易燃，60℃接近沸腾，流量仅7m3/h，压差高达250m。问题的解决靠的是Dickow磁传动多级端吸泵，它的流量是15m3/h，压差400m,确保了甲醇的零泄漏,保证操作人员与工厂的安全，并解决了甲醇中含有气泡输送问题[4]。 

2.2磁力泵在技术性能上向微型,大型化发展  

    为满足国内外市场需要，石油化工公司成套设备向大型化发展，我国必须有一批年产千万吨级的炼油厂、百万吨级的乙烯装置。机械装备要满足重负荷、长周期、低能耗，并符合环保要求。我国在仿制国外产品中发现，制造磁力泵的材质和工艺要求是很高的。即使11~13kW的中小功率泵,其可靠性制造成本也无法让用户接受。对于耐强腐蚀、高压、高温的大功率泵尚属空白。目前磁力泵的发展极限应由HMD公司的产品来描述：流量由1m3/h到681m3/h，压差由10m到500m，温度范围由-100℃到450℃，系统压力从真空到400bar，原动机功率达350kW。微型泵是专门为某些部门研究开发出来的，例如激光器的冷却、分析仪器的供料、化学剂的补充、生物工程、冷却循环，以至于打印机的喷嘴等。齿轮泵与电机一体化封闭联接，适用24V、36V直流电源，速度人工自动控制。最低流量为10ml/min，压差7bar。日本Iwaki公司为电镀、冷却循环用的MD系列微型磁力传动齿轮泵的流量范围是7.5~288L/min，传动功率1/25~1/3马力。  

2.3各种类型的泵均可改造为磁力传动泵  

    离心泵是磁力泵的主导产品，磁传动回转位移泵虽有25年的历史，仅近七八年在设计制造水平以及大扭矩能力方面才有广泛的基础。重点是磁力传动齿轮泵与螺杆泵，最大传动能力达400Nm,转速3500r/min时功率为150kW。地处美国边界犹地州气体动力厂，透平压缩机的润滑泵是常轨的外啮合齿轮泵。油泵因高压差平均每两个月便过度磨损而报废，造成压缩机关闭。1992年改用磁传动三螺杆泵后，一直连续运转，不用任何维护。英国Tuthill成功地应用了它的磁传动齿轮泵为Scottish公司的过程水系统中泵入添加剂，该泵取代了螺杆泵，符合卫生安全条例。 

2.4磁力传动压缩机

    磁力传动的内轴承位于所密封的空间内，它用密封的介质润滑和冷却。鉴于我国材料制造水平，磁力传动在气体输送机械中尚未应用。加拿大Nova磁有限公司生产的超压风机，在170bar氦气压力下，泄漏率小1cm3/h，轴承寿命超过10000h。另一系列的加压风机，自由排放流量750m3/h，在400m3/h流量时系统压差35MPa，实现了零泄漏。此外，磁传动的特殊性能同样应用于无泄漏的搅拌器、阀门等设备。在冷冻机中的应用还未得到相关信息，笔者为实现将磁力传动应用于冷冻压缩机正在作探索工作，因冷冻剂尤其是氟里昂的外泄会造成严重的环境问题。  

3 新技术、新工艺、新结构  

    磁力传动技术并非只是简单的利用磁体的同性相斥、异性相吸作用，它是传动技术、材料技术、制造技术的集成。世界一流的专业生产厂，他们的产品在世界享有声誉，以至于我们无法仿制，其原因就在如此。现在这些“老手”还在进行效率和质量的改进，减少成本，延长两次检修之间的平均时间。  

3.1新材料、新工艺 

    磁性材料的选用各国基本认识统一，NdFeB材料工作温度低于150℃，SmCo材料工作温度低于250℃，对于微型泵可选用钡铁氧体。泵体材料分金属、非金属两大类。金属不锈钢不意味着对一切液体都是不锈的，它主要用于与其兼容的过程液体、贵重液体、超纯净液体。非金属是专门为腐蚀性应用而研制的。它又分为2种情况。其一是纯塑料泵，用纯聚丙稀或乙烯氟化物热塑铸模。如英国Vanton CGM泵流量为136m3/h，扬程84m（温度135℃），电机功率32kW。其二是衬里泵，是目前流行的耐腐蚀泵内衬塑料的一种方法。一般泵体可用可锻铸铁制造，FEP、PP、PFA、PVDF、ETFE无缝衬里。Magnetix新的MTA系列无密封泵与其它衬里泵的关键优势是应用了它的先进PFA氟聚合物衬里，PFA以它独特的广泛的耐化学剂腐蚀的能力，比ETFE，PVDF或其它非金属材料而闻名。采用专利技术：浇铸压膜工艺，联接的PFA衬里厚而均匀，与旋转模铸相竞争。应用于高纯度和高温流体更为理想。ISO泵PTFE衬里最小厚度3mm，用榫槽压入泵壳，泵壳用硼硅玻璃制造。隔离罩是密封的关键部件，它的破裂会导致流体泄漏发生灾难性的危害。单层金属封罩应用范围很广，尽管涡流会产生热量有能量损失，若采用高强度、高电阻材料可以限制到最小损失，如：哈氏合金C-4(2.4610)。由Taiani发明的金属叠层隔离罩取得5国专利，在许多设计中已被应用，它的效率可达99%，传动功率150马力。单层陶瓷ZrO2（氧化锆）隔离罩，耐苛性溶液，酸的腐蚀，具有高硬度和良好的滑动性能，及高的机械强度和弹性（E=2×105N/mm2），已用于工作压力250bar。但陶瓷罩壁厚较大，不能塑性加工。1999年初获得美国专利的IMO泵，新的隔离罩用碳纤维与环氧树脂制造，厚度小于2.8mm，与不锈钢法兰相联。适于操作压力31bar、温度232℃，传动扭矩407Nm，在3600r/min下功率达149kW。双层隔离罩提供了双保险和可供检测的空间。日本IWAKI  MDE系列泵双层罩由玻璃纤维增强塑料制造。AnSimag双层环氧树脂隔离罩磁传动泵为造纸厂输送氧化铝，运转2年没有更换任何部件。隔离罩焊接是结构的薄弱点和腐蚀的敏感源，先进的制造方法是塑性成型，如深拉、旋压、延伸旋压。轴与滑动轴承由高耐磨性SiC制造。干运转按惯例是无密封磁力泵的凶兆。精心的流体平衡设计，后部密封圈与叶轮孔联合作用，平衡液体轴向推力减小叶轮的压力。入口调整阀防止低流量时的预旋，减小湍流，保证低流量操作。两个烧结SiC轴承优化设计支承点，轴套中的螺旋槽帮助冲洗和润滑轴径，提供干运转30min的保证，可使操作者有时间调整系统，恢复正常运转，避免灾难性破坏。德国ITT Richter公司的MNKA系列泵的纯SiC轴承，在2900r/min下可以干运转1h。 

3.2新技术 

    以最优的物理尺寸保证经济有效地利用磁体的体积，静磁脱开扭矩与温度的相关性通过有限元计算和广泛的试验。轴向与径向轴承由泵送介质来进行润滑。润滑流道提供必须的流量。新的自动调节轴承可承受大的轴向推力和径向力。具有超群的抗腐蚀和耐磨能力的SiC或碳石墨制造的滑动轴承，它缩装在金属外壳内，保证机械运转的稳定性，即使轴肩破坏，仍保持轴承的可靠性和可维修性。另一技术是流体平衡，使轴承所受的力限制到最小。目前内轴承的寿命可达到10000h。高温问题：KSB热油泵用环形冷却器来包围联轴器室，保持磁体附近的温度在材料最大允许温度之下，尽管介质平均温度是350℃。HMD的涡流型联轴器具有独特的“扭矩圈”设计，扩大温度范围至450℃不需要冷却。专利技术—风机自动冷却：在各种速度范围内磁联轴器可自动冷却，不需要外部冷却系统，仅用环形气室传动子自动完成。完全可靠性：在磁联轴器上装有摩檫圈以保护磁体；为防止干运转，流量传感器可以安装在用户管线上，确定断流或低流；国外机组随机装备数字式功率控制监控器来确定超载条件，泄漏传感器、温度传感器，使用PLC（可编程控制器）实时监控磁传动的工作情况。连续监视外轴承的运转间隙，监视任一球轴泵的磨损，使轴泵在损坏前及时更换。  

3.3新结构  

    几乎所有的磁力传动泵均采用“后拉出”结构。整个联轴器部件、轴承部件分别作为一个单元，拆卸时不必从管路、底坐上拆出泵壳，益于检修服务。例如日本富士山胶片化学公司以前使用双机械密封离心泵，由于化学品的腐蚀磨损,轴封至少一个?????????更换一次。该密封的更换是很昂贵的，通常占泵总价值的25%，更换时间要花费5个小时。改用Global磁传动泵后，运行了2年完全成功。与双机械密封相比，检修周期增加了1倍，装拆一次减少到15min。1997年年内全部输送泵均更换为磁力泵，并将泵的预期寿命（不用任何服务）规定为5年。ALLweiler理智的提出无叶轮轴设计，叶轮安装在SiC轴承中间，标准间隙正在申报专利。风机应用分开式电马达，插入式套筒内轴承，无论是检修马达还是风机轴承均可在30min内完成。零部件大范围的与EN22858/ISO2858、ANSIB73.1、API610、DIN、BS等标准泵互换。平衡按API/ISO实施。  

4 先进制造技术与管理  

    为适应全球化竞争与合作，世界泵业都在发展自已的技术优势，扩大产品范围以适应世界大市场的多样性、个性化需求。产品在满足功能要求的同时，毫无疑问应充分满足严格的安全性、可靠性和生态环保要求。先进制造技术是产品先进的主题。磁传动泵的先驱者HMD三年前推出了长远生产方式和完全的研究计划，最后重新设计它的装配设备。投资100万英镑来扩充HMD的产品能力，又花费70万用于新的高速加工系统，购买了6套加工中心。然而不单是用先进的机器来增加产量，重要的是建立挠性加工，减少循环时间。以往扭矩圈要围绕工厂传送540m，在制造链上要花费8~9周时间，今天，制造是家庭式的组织，许多机器均连于公司的CAD/CAM系统，工程师根据用户迅速对标准件做出创造性改革，直接上载到加工中心。同一扭矩圈运行30m，在线上仅需要花2天时间。由于快速制造，材料泵可以很迅速交货，某种情况下少许3天。按他们的话说“竞争优势将使我们代入下世纪，开创更多商机”。[1]先进的产品来自先进的设计与严格的试验，3D设计与模拟，无图纸加工，虚拟制造、快速成形都在进行。高强度合金材料的冶金学试验制作，泵体、叶轮及隔离套受强腐蚀作用确保长寿命：非磨损的SiC轴泵的润滑冷却系统在化学过程工业中进行广泛的试验，包括高的系统压力345bar，自吸和热套设计。每一部件、组件和系统都周密地检查和评定。HMD认为制造与需求的原则是：超前战略性原材料；发展关键的供应关系；通过组织制造循环，减少制造周期；减少排队，加速进程。笔者在网上查询了20几家著名的磁传动公司，发现他们在世界各地均有子公司及销售网。质量设计和制造由全世界技术精湛的泵发行者来决定，才能对市场战略性地迅速作出反应。服务包括解答用户遇到的应用问题，泵的选择，特种泵专门设计，每天24小时为用户技术咨询。21世纪制造技术不但将继续制造常轨条件下运行的机器与设备，而且将制造出极端环境下运行的机械设备。21世纪制造的产品应是符合生态环保，与人友好的绿色产品，磁力传动技术正是适应这一发展态势，让我们借鉴国外先进经验推动这一技术的发展吧！  

参考文献  

[1]HMD Seamless. Pump Manufacture,at Maximum Velocity[J]. World Pumps, 1999,(7):33-36.  

[2]Equipment News[J]. World Pumps, 1998(4):36.  

[3]Ansimag Inc. Acidic Pumpage Plays Havoc with Rotary Lobe Units[J].World Pumps, 1997,(5):26  

[4]Michael Smith. Side Channel Pump Solves Methanol Transfer Problem[J]. Wed Page, 2001.  

作者简介

王玉良(1943-) 男  教授 1967年毕业于东北工学院冶金机械专业。中国机械工程学会高级会员,现从事机械设计与制造专业教学与科研工作，重点是磁性材料的应用，并取得了3项专利。出版著作3部，30余篇。

永磁传动技术论文篇8

关键词：高效 永磁同步电机 乳化液泵站 验证

1.引言

乳化液泵站是用来向综采工作面液压支架或高档普采工作面单体液压支柱等输送高压乳化液的设备，是机械化采媒工作面的主要装备之一。现有乳化泵站一般采用Y系列三相异步电机驱动，在泵站为负载系统充液、补液及卸荷工况下电机均以基本恒定的转速工作，无法在泵站卸荷工况下减小泵站输出流量，造成大量的能量损耗。本文用永磁同步电机调速系统作为泵站的动力装置进行应用研究，并与普通异步电机驱动系统同时进行能耗试验，以验证节能效果。

2.高效永磁同步电机驱动的乳化液泵站驱动系统原理方案

高效永磁同步电机驱动系统主要由永磁同步电机、电机控制器、减速器、柔性联轴器和冷却水路等部分组成，系统工作原理示意图见图1。

图1 驱动系统工作原理示意图

永磁同步电机的输出经过减速器减速后将扭矩传递给乳化液泵，作为泵站工作的动力；电机控制器用来接收并处理泵站负载系统中压力传感器采集的压力信号，判断乳化液泵的最优工况，从而根据乳化液泵的工况控制电机的输出转速，电机控制器还可进行交流电转换直流电；柔性联轴器用来连接减速器输出轴和乳化液泵输入轴；冷却水路通过水循环系统确保电机及电机控制器在适宜的工作温度下工作。

3.驱动系统选配

3.1.驱动系统参数确定

乳化液泵主要技术参数要求见表1。

表1 乳化液泵主要技术参数要求

根据以上参数要求，选择公司自主研制的型号为220ST-X41的调速永磁同步电机，其性能参数见表。根据电机参数，选择匹配的控制器，型号为DKQ4635-A31，输出容量为100KVA，水冷冷却。

表2 220ST-X41电机参数

3.2.3.压力传感器

压力传感器用来采集负载系统压力，并把压力信号反馈给电机控制器，电机控制器据此判断乳化液泵站工况，然后调节电机输出转速以满足不同工况的需求。压力传感器反馈的信号为DC24V，4～20mA对应系统的压力为0～60MPa。

4.试验验证

2012年6月13日，公司与平煤机械共同对使用永磁同步电机调速系统的泵站和使用普通异步电机的泵站进行了能耗对比测试。测试的内容为两套系统在保压工况下的能耗对比，试验过程见表3。

表3 试验过程

试验结果：永磁同步电机驱动乳化液泵站能耗为6.6KW，普通异步电机能耗为8.4KW，前者相比后者节能21.4%。

5.结论与展望

通过试验对比可以看出，永磁同步电机驱动系统在乳化液泵站中应用节能效果明显，具有较强的经济效益和社会效益。

同时永磁同步电机驱动系统的节能效果还可以进一步提升，实例中采用恒压控制，若修改电机转速的控制逻辑，使系统的压力在保压过程中也在一个区间内波动，将会在一定程度上提高系统效率。

参考文献：

永磁传动技术论文篇9

1中国磁体产业的发展历程

目前，全球的经济已进入了一个信息时代，作为一种功能材料，磁性材料所占的地位越来越重要。当前主要的商品磁体共有4类：20世纪30年代开发的铝-镍-钴永磁（AlNiCo）；50年代初期开发的铁氧体磁体；60年代末开发的钐-钴磁体（Sm-Co），包括第一代稀土永磁－SmCo5和第二代稀土永磁－Sm2Co17；80年代初开发的稀土永磁钕铁硼（Nd-Fe-B）。而稀土永磁，特别是钕铁硼是磁性材料里最重要的一部分，在永磁材料中发展最快，平均以每年10％的速度增长。中国磁体产业在中国的出现远较西方发达国家晚，起始期是1969年到1987年之间。因为当时的稀土永磁钐钴磁体的高成本、国内市场的需求量少，所以到八十年代初还没有形成自己的磁体工业。1987～1996的十年是中国磁体产业开始发展的第一阶段，其特点是起点低：由于投资小，设备简陋，生产设备基本完全是国产的，经营理念落后，仍局限于小生产的模式。

1997～2002的五年是中国磁体产业发展的第二阶段，其特点是起点远高于前一阶段：投资强度大，引进一部分国外的先进技术设备，能够按先进的工艺路线组织生产，产品质量一般属中低档。2003年起，中国磁体产业的发展将进入第三阶段。企业建立的特点将是“三高”，即高起点、高投入、高回报：1）产品瞄准特定用途所需的高档磁体；投资规模巨大，引进整条先进生产线；2）按现代化管理的理念，组织集约式分段联营的大生产：磁体生产分为两段—母合金/粉料的生产和磁体制备，投资显著降低，效益则大为提高；3）按资本运作的规律运营，从而保证磁体产业较高的回报率。特别是有可能从国外引进最先进的或采用国产先进生产线，生产高档的磁体产品。

进入21世纪，发达国家的磁体生产由于成本过高，已难以为继，世界磁性材料行业纷纷向中国或第三世界地区转移，中国作为首选的国家。世界一些著名的磁性材料制造企业看好中国，如日本的TDK、FDK、EPSON、日立金属、住友特殊等，韩国的梨树、三和、磁化等，欧洲的PHILIPS、德国的VAC、EPCOS，美国的ARNORD、MAGNEQUENCH已经转移到中国。世界磁性材料生产向中国转移，增强了中国磁性材料工业的整体实力，提高生产技术，加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售市场的建设。

2.中国稀土永磁――钕铁硼的发展

某个国家或地区磁体产量约占全球总产量的一半时，即成为“全球磁体产业的中心”。二次世界大战前的欧洲，二次大战后的美国，70年代以后的日本均堪称当时“全球磁体产业的中心”。新世纪伊始，“全球磁体产业的中心”已转到中国。据统计，直到1999年，铁氧体磁体的产值始终占全球磁体总值的一半以上，堪称磁体市场的主题。2000年稀土磁体（NdFeB+SmCo）产值首次超过了铁氧体的，此趋势与日俱增。换言之，稀土磁体在21世纪将唱主角。代表当今磁体最高性能的NdFeB稀土永磁的80年代初问世时，正好赶上计算机产业的微型化，故该磁体立即成为制造诸如磁盘驱动器等计算机外设的关键材料。NdFeB更广泛用于各类音响/影像等消费电子器件中，90年代以来在全球迅速普及的移动通讯设备—手机也离不开NdFeB的重要贡献。

钕铁硼专利[1]

钕铁硼硬磁制造方法分为烧结和粘结两种，专利所有者分别为住友特殊金属株式会社（日本）和麦格昆磁（MQ）公司（美国）。同时MQI公司又是全球唯一的粘结钕铁硼原材料（磁粉）供应商。其在欧洲和日本的成分专利和生产制造工艺专利均已经失效，美国的专利在06年和07年分别失效。在中国制造、销售和使用钕铁硼磁体并不涉及任何专利问题，但是其产品不能出口到专利覆盖区，否则构成侵权。中国拥有住友与MQI覆盖全球的专利许可的烧结NdFeB磁体企业共五家：三环新材料高技术公司（三环），于1993年5月取得专利许可；北京京磁公司（BJMT），于2000年3月取得专利许可；银纳金科磁技术公司（THINOVA），于2000年9月取得专利许可；宁波韵升磁公司（韵升），于2001年3月取得专利许可；安泰科技股份有限公司（AT&M）,于2003年3月继承了台湾海恩金属公司2000年5月取得的专利许可。这五家公司的烧结NdFeB磁体的生产能力将近10,000吨/年，五家公司中的三家是上市公司，即安泰科技、三环与韵升。

烧结钕铁硼

图1是全球及中国、日本、美国、欧洲烧结NdFeB磁体的总产量，其中2004年中国生产烧结NdFeB磁体27,510吨，毛坯46,1500吨。与2003年相比产量增长49%。而产量与产值存在的巨大差距正是中国稀土磁体产业面临的主要问题。改进产品性能，提高产品档次是解决此矛盾的唯一出路，就是说，要尽快消除存在于中国磁体产业与西方国家之间的技术差距[2]。

烧结NdFeB磁体在中国的用途可分为三类:

1.高技术领域的应用,诸如MRI,VCM,CD传感器,CD-ROM,DVD-ROM,手机,电池驱动工具,EB,EAV,EV。

2.传统用途,诸如扬声器,耳机,话筒等音响器件，磁选机/磁分离器，各类磁化器包括民用水脱垢器,油田用的脱腊器,酒厂用的陈化器等。

3.低档用途,诸如慈溪等地生产的磁性纽扣。图2是2003年中国烧结NdFeB磁体的用途分布情况。

中国烧结钕铁硼产地遍及11个省和京津地区（见图3）。浙江省的烧结NdFeB磁体生产发展最快，其产量占全国总量的47.1%。山西地区由于得天独厚的自然和低成本条件，目前已与沪杭地区、京津地区形成了中国三角鼎立的稀土永磁产业格局。山西烧结NdFeB磁体生产占全国产量的21.7%。京津地区的产量居第三位，占全国的11.7%。其余总量19.5%则散布在华东、华北、华中和西北等苏、冀、内蒙、鲁、豫、川、陕、甘、宁九省以及东北地区。众所周知，NdFeB对环境（温度、湿度）极为敏感，浙江产量虽大，但品质不高。一般而言，气候干燥的山西、甘肃、宁夏等地，用同样工艺设备生产磁体，其性能则优于南方的。当然，关键仍在于采用专门针对NdFeB的设备并按先进工艺进行磁体生产，才能稳定地批量生产高牌号磁体。濒临渤海的烟台首钢磁材公司，它引进先进设备大批量生产顶级烧结NdFeB磁体，就是一例。

2004年国内烧结钕铁硼行业热情空前高涨，新增生产能力大幅提高，中科三环公司通过长期努力，第一次进入到为日本、欧洲等发达国家磁材企业所垄断的钕铁硼高端应用领域――计算机硬盘驱动器音圈电机（VCM）应用市场；在另外的一个高端应用领域――汽车应用领域方面，中科三环的钕铁硼磁体也成功应用在点火线圈、电动助力转向、气囊传感器等汽车零部件中，同时还进入了核磁共振成像仪领域。对于上述几个稀土永磁高端应用市场的进入，标志着中国的稀土永磁产品结束了大部分只局限于中低端应用市场的不利局面，真正开始与日、欧发达国家磁材巨头争夺高端应用市场。

粘结钕铁硼

在激烈的市场竞争中，在粘结钕铁硼方面，美国和欧洲的生产企业基本退出了该行业，到2003年只剩下一两家生产粘结NdFeB的制造厂了，2004年美国和西欧的永磁材料产量只占全球的10％之内。因此在该行业中，全球的生产能力大部分集中在日本企业[3]。其中有代表性的两家企业，一家是精工爱普生，他们的磁材生产已经全部转到中国上海爱普生磁性器材有限公司了；另一家大的粘结磁体企业－日本大同公司。在计算机硬盘驱动器（HDD）的主轴电机应用方面，大同和上海爱普生两家企业就占据了整个市场份额的90％以上。2002年底，中科三环参股了上海爱普生磁性器件有限公司，2004年3月进一步扩大股权，目前中科三环已持有该公司的70％股权，成为其第一大股东。安泰科技2003年3月收购了海恩公司，其深圳的爱恩美格也是一个技术水平很高的粘结磁体工厂，加上国内成长起来的成都银河，粘结磁体企业除日本的大同外，其余产能基本分布在中国。图4是日本粘结协会统计的有关资料，从图中可以看到这种优势。从2001年开始，中国粘结钕铁硼的优势逐渐显露出来，2002年后中国远远超过了日本，处于了第一位。粘结钕铁硼磁体1996年全球产量为1320顿，中国的产量仅为50吨；2000年全球粘结钕铁硼产量达到3550吨，中国的产量为620吨，虽然占世界总产量的比例仅为20%,但年平均增长率去达到了60％，有了长足的发展。据最新统计，2004年中国粘结钕铁硼磁体产量达到了1350吨。

尽管中国已经是生成粘结钕铁硼永磁的第一大国，但只是占原材料和人工成本的优势，由于设备、生产技术以及管理能力有限，只能生产一些中低档的产品，像HDD这类高档和高利润产品仍由日本企业掌控，所以在中国出现生产量增加很快，产值特别是利润的增长却不成比例。粘结钕铁硼磁体产业在我国的规模还小，还有很大的发展空间。估计年递增速率在20%以上。到2005年，我国粘结钕铁硼磁体年产量将达到2000吨左右。全球对粘结稀土永磁需求的增长幅度不是很大，其主要原因是由于粘结钕铁硼永磁的主题市场是IT行业密切相关的各种微型马达，IT行业的不景气直接影响对粘结钕铁硼永磁的需求[3]。

3中国新型稀土永磁材料的研究开发现状[4]

在新型稀土永磁材料研究方面，我国科学家无时不出现于国际前沿。在ThMn12结构金属间化合物研究方面，我国是最早开展这方面研究的国家之一，在结构与磁性，超精细相互化合物方面，我国最早报道了RF11TiNy的研究成果，开辟了ThMn12结构间隙化合物研究领域；在Nd3(Fe,Ti)29新相研究方面，我国科学家首先发现了Sm3(Fe,Ti)29单相化合物及其氮化物，并研究了它的磁性。近年来，利用快淬工艺制备各向异性稀土永磁材料方面做了一些探索。最近，中国科学院物理所利用快淬工艺成功的合成出具有高磁能积的磁各向异性Sm-Co稀土永磁材料，其室温磁性能可达18.2MGOe，剩磁比为0.9，并且通过球磨后制备的粘结磁体仍旧保持各向异性，具有高的磁能积。同时发现碳元素能够控制易磁化轴在快淬带中的织构方向并细化晶粒可进一步提高其硬磁性能。

北京大学，研制成功了具有自主知识产权的ThMn12结构氮化物稀土永磁材料[5]。目前，已开发出磁能积为15～20MGOe左右的R（Fe,M）12Ny(R=Pr,Nd;M=Mo,Ti,V)间隙化合物稀土永磁材料，已建成年生产能力100吨的中试生产线，进行产业化推广[6]。2004年10月，深圳北大双极高科技股份有限公司与深圳中核集团公司签约，合作建立新型稀土永磁材料基地，将根据市场发展需要，拟在深圳建设年产1000吨钕铁氮磁粉的产业化示范生产线。此签约项目涉及3.5亿元的巨大数额。该磁粉在质量上和性能上居世界领先地位，这项成果是把基础研究成果转化为现实生产力的成功典范。目前，国内外一些知名企业正在利用钕铁氮制造磁体产品。该项目得到了国家发改委、科技部、教育部和北京市科委的立项支持。

钢铁研究总院，开展了高使用温度稀土永磁材料的制作技术和工艺的研究，进一步研究不同材料的阶段性热处理退火工艺、胞相和胞状结构与温度磁性能的关系。获得Sm2Co17高温磁体的性能450℃时(BH)max≥9MGOe，Hic≥7.9kOe。

上海大学材料研究所申请并承担各向异性钕铁硼磁体的国家自然基金、上海科委和教委纳米专项等多项课题，进行粘结各向异性钕铁氮复合磁体研究开发。北京科技大学利用HDDR（hydrogendisproportionationdesorptionrecombination）工艺也进行了开发各向异性钕铁硼粘结磁体的研究。

近来有一些国外磁体专用设备厂家联合推出，按最佳工艺路线配套的一条全封闭、全自动化的完整生产线：原料从生产线的一端投入，在另一端出来的已是磁体最终产品，包括磁体的涂层。设备厂商能保证磁体产品极低的氧含量（O2≤1000ppm）和极高的磁能积（（BH）max=52MGOe））。据了解，如此先进而完备的生产线在西方国家尚不存在。更为重要的是，此生产线的报价远低于单机报价的总和！报价不仅包括设备硬件，也包括技术软件。换言之，设备厂家不仅提供成套设备，更保证用户能生产出最高牌号的稀土磁体！

值得一提的是，国内磁体专家有感于国内生产设备与国外的差距，经数年的潜心钻研与实践，终于在2003年中研制出一整套具有中国特色的烧结NdFeB磁体生产线，并付诸实施。用它可稳定生产高挡NdFeB磁体，整条年产300吨烧结NdFeB磁体生产线的价格仅是国外相应设备的1/4～1/6。此生产线的涂层完全摈弃了导致磁体氢化的电镀，而采用无污染的Dacro技术，耐蚀性良好，成本低廉。近年来，我国的稀土永磁的生产装备也有了长足的发展。特别是在满足一些新的生产工艺方面的装备有了突破。例如国产速凝薄片炉和氢破碎炉已在一些磁体生产厂使用。一些国外发达国家的永磁设备制造商也瞄准了中国这块宝地，纷纷在中国设立生产基地，同样给我国的永磁设备制造商带来了机遇和挑战。2004年9月，沈阳中北真空技术产业开发区兴建国内先进的真空炉生产基地，引进世界最先进的液晶显示、等离子真空热处理技术，这必将对我国烧结钕铁硼的生产技术水平的提高产生积极的影响。

4中国磁体产业发展思路和前景预测

跨入21世纪，中国的磁性材料产业得到了进一步发展，年增长超过20%[7]。初步统计，2004年中国烧结铁氧体[8]达到350，000吨(占全球总量的51%)，粘结铁氧体50，000吨(占全球总量的32%)；烧结钕铁硼永磁[9]达到27,510吨(占全球总量的81%)，粘结钕铁硼永磁[10]达到1350吨(占全球总量的35%)；铸造磁体3,500吨(占全球总量的56%)[11]。世界磁性材料生产向中国转移，增强了中国磁性材料工业的整体实力，提高了生产技术，加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售市场的建设。

稀土永磁的发展和前景

作为朝阳产业，稀土永磁产业是磁性材料产业的重中之重，其新的应用成长点在不断涌现，特别是信息产业为代表的知识经济的发展，给稀土永磁等功能材料不断带来新的用途。除了在计算机、打印机、移动电话、家用电器、医疗设备等方面的广泛应用外，汽车中的发电机、电动机和音响系统的应用已经开始，这将极大的带动钕铁硼产业的发展。由于我国丰富的稀土资源，较低的人工成本和广阔的市场，从而在未来的五年至十年内，国外的钕铁硼制造业继续逐步向中国转移的态势势不可挡，中国必将吸引大量国外先进的钕铁硼永磁材料制造商，比如美、日、欧等国家、地区的企业进入，一方面会对中国稀土永磁企业带来挑战，另一方面也会将先进的技术、管理经验带入中国，从而进一步推动中国稀土永磁产业的发展。“十五”期间，我国钕铁硼磁体的总产量超过了5万吨，烧结钕铁硼磁体产业会保持继续增长的势头，年增长率仍会保持在20～30%以上，粘结钕铁硼磁体产业在我国的规模还小，还有很大的发展空间。预计到2005年，我国烧结钕铁硼磁体年产量将达到3万吨左右，粘结钕铁硼磁体年产量将达到2000吨左右。预计到2010年，我国烧结钕铁硼磁体产量将达到7万吨，占全球产量的75%；粘结钕铁硼磁体产量将达到1万吨，占全球产量的50%。中国磁性材料行业的大发展“十一五”时期，是中国磁性材料工业大发展时期，世界磁性材料产业中心已经转移到中国[12]。

(1)家电领域。中国电视行业预测到2010年，中国彩电总量达到1亿台，占世界产量的63%。据此估计，全球需要软磁铁氧体6万吨，永磁铁氧体8万吨。

(2)信息化领域。电脑的普及带动了相关外置设备的发展，尤其是硬盘驱动器（HDD），预计到2010年全球产量超过5亿只；DVD、DVD-ROM和刻录机，到2010年全球的产量超过10亿。这是钕铁硼磁体应用的大市场，全球需要量在2万吨。

(3)汽车领域。汽车已经成为中国国民经济发展的第五大支柱工业，到2010年，中国的汽车产量达到1000万辆，如每辆汽车用电机数在30只，扬声器在5只，将需要永磁体10万余吨。由于能源的紧张和环保要求，电动汽车的开发在加速，预测到2010年全球产量在350万辆，需要钕铁硼磁体4200吨。

(4)其他配套领域。由于世界各类磁体配套件市场向中国转移，例如电动自行车的需求量越来越大。据中国助力车专业委员会不完全统计，2004年中国电动自行车产量约达500万辆。以每辆电动自行车平均需要0.3公斤烧结钕铁硼计算，需用磁体1500吨（折合毛坯近2500吨）；由于国外劳动力成本等因素，加上中国磁体价廉物美，一些涉及劳动密集型的行业，如电子变压器、电机、电感、电声，均转移到中国或第三世界国家，同时磁体的销售市场也在中国。

结语

中国磁性材料行业要从大国向强国转变，就要加速行业内的规模经济建设，发展强强联合，要有若干个年销售收入达到100亿的企业。中国企业必须要走出国门，收购或合资国外企业，建立跨国公司，树立国际名牌。中国企业必须投入应用开发领域，配合整机开发磁性材料配套部件和组件，到2010年全行业争取达到产值400亿人民币.

我国的磁性材料产业需要通过技术创新，继续加强稀土永磁材料的探索、加强高档稀土永磁材料的开发，使我国稀土永磁材料能保持持续发展。从整体上看中国磁性材料技术水平接近国际水平，但没有自已的知识产权和创新的产品。重点扶植中国专利产品，如钕铁氮磁体，但必须要全行业和相关的配套行业一起合作。同时还有产业的结构调整，中国的磁性材料企业一定要有自己特色的产品，在某一方面（价格、质量、市场占有率）领先全行业，使国内外其他企业无法竞争。中国的磁性材料产品特点要低价优质，才能参于国际竞争。我国的磁性材料企业，加强自身的整合，不断提高管理和技术水平，通过与国外先进磁性材料企业加强合作，互助互利，使磁性材料产业更好的扎根于中国，使中国的磁性材料产业更好的服务于全球。

参考文献：

[1]罗阳，围绕NdFeB磁材的专利态势分析,新世纪NdFeB磁体的发展,北京2002.4p80~88

[2]罗阳，21世纪中国磁体产业展望，中国磁性材料产业中长期发展战略研讨会，上海2004.11p1~41[3]蒋龙，粘结NdFeB永磁产业及安泰科技的战略，2004年中国稀土永磁材料论坛，p24~30

[4]王震西，胡伯平，稀土永磁的产业现状及应用，2004年中国稀土永磁材料论坛，北京2004.11p1~7[5]杨应昌，开发中的新型永磁材料：稀土-铁-氮间隙型化合物，中国稀土学报，1994(12)p513~519[6]喻晓军，王冬玲等，稀土永磁材料的技术发展近况，2004年中国稀土永磁材料论坛，北京2004.11p42~48

[7]十一五”磁性材料行业发展规划纲要，中国磁材商情网，

[8]TerryK.Clagett,Proc.of2004BMSyMPOSIUM(Tokyo,Dec.3,2004)

[9]罗阳，2004中国国际新材料产业研讨会(Sept.23.2004北京)，磁性材料专业论坛文集，p.64~80.

永磁传动技术论文篇10

关键词：遗传算法；永磁屏蔽电机；优化设计

1 引言

石化行业使用的永磁屏蔽电机具有效率高、反应速度快以及低速大转矩的优势，大大拓宽了屏蔽泵的应用前景。但由于电机在定子内腔和转子外表面各用一层非磁性不锈钢薄套将定子和转子部分屏蔽起来，而且它所使用的稀土永磁材料在电机成本中占有一定的比例[1]。因此从优化设计角度研究一种既能满足特殊工况要求，又能减小磁钢用量的永磁屏蔽电机，具有十分重要的应用价值。

永磁屏蔽电机优化设计的目标函数和约束条件均为设计变量的非线性数值函数和多峰值函数，因此采用传统的优化方法很难从根本上解决电机优化设计中的全局最优解问题。遗传算法[2]是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。该算法能较好地解决了控制参数的动态自适应性及较优值如何重复迭代等在优化设计中影响收敛速度和最终优化结果的问题。

文章将遗传算法引入到永磁屏蔽电机的优化设计领域，并结合永磁屏蔽电机的设计特点，对一台5.5kW的永磁屏蔽电机进行优化设计，提高了屏蔽泵的输出性能。

2 永磁屏蔽电机优化设计模型

2.1 设计变量

然后再将这些新生成的子群体合并成一个完整的群体，在这个群体中进行交叉和变异运算，最终可求出多目标优化问题的Pareto最优解。由于权重系数的随机性，算法将得到多个不同权重系数下的优良解，因此保证了群体中对应搜索方向的多样性和最终优化结果的准确性。

3.4 约束条件的处理

永磁屏蔽电机的约束主要是不等式约束，但遗传算法是无约束优化方法，因此需要将有约束优化问题转化为无约束优化问题。罚函数法是处理非线性约束优化问题比较广泛的一种方法，尤其是在对解空间中无对应可行解的个体计算其适应度时，可以降低该个体的适应度，从而使该个体被遗传到下一代群体中的概率减小。

5 结束语

文章应用遗传算法对永磁屏蔽电机的永磁体体积和电机效率两个目标进行了多目标优化设计，得到优化后的具体结构和性能参数。

（1）与传统算法相比，遗传算法能同时搜索解空间中的许多点，且搜索过程是通过适应度函数来实现对群体中的个体进行优胜劣汰操作，因而能较大概率地获取全局最优解。

（2）针对多目标工程优化问题，文章采用统一目标法中的线性加权和法和罚函数法对永磁屏蔽电机的多目标问题进行优化，减少了永磁体用量，并且提高了电机效率。

参考文献

[1]季建刚，孔繁余，孔祥花.屏蔽泵发展综述[J].水泵技术，2006，1：15-20.Ji Jiangang，Kong Fanyu，Kong Xianghua. Development Survey of Shield Pump[J].Pump Technology，2006，1：15-20.

[2]王小平，曹立明. 遗传算法-理论、应用于软件实现[M]. 西安：西安交通大学出版社，2002.Wang Xiaoping，Cao Liming.Genetic Algorithms-Theory and Application In The Software Implementatio[M].Xi An：Xi'An JiaoTong University Press，2002.

[3]唐任远.现代永磁电机-理论和设计[M]. 北京：机械工业出版社，1997. Tang Renyuan.Modern Permanent Magnet Motor-Theory and Design[M].Beijing：China Machine Press，1977.

[4]傅丰礼，唐孝镐. 异步电动机设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002. Fu Fengli，Tang Xiaogao.Asynchronous Motor Design Manual[M].Beijing：China Machine Press，2002.