由于稀土永磁材料的磁性能优异,它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场,用来替代传统电机的电励磁场所制成的稀土永磁电机不仅效率高,而且结构简单、运行可靠,还可做到体积小、重量轻。
稀土永磁电机行业概况
稀土永磁电机是70年代初期出现的一种新型永磁电机,由于稀土永磁体的高磁能积和高矫顽力(特别是高内禀矫顽力),使得稀土永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点。由于稀土永磁材料的磁性能优异,它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场,用来替代传统电机的电励磁场所制成的稀土永磁电机不仅效率高,而且结构简单、运行可靠,还可做到体积小、重量轻。
稀土永磁电机的工作原理与电励磁同步电机相同,区别在于前者是以永磁体替代励磁绕组进行励磁。当永磁电机的三相定子绕组(各相差120°电角度)通入频率为f的三相交流电后,将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下,主极磁场随着旋转磁场同步转动,因此转子转速亦是同步转速,定子旋转磁场恒与永磁体建立的主极磁场保持相对静止,它们之间相互作用并产生电磁转矩,驱动电机旋转并进行能量转换。
既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能(如特高效、特高速、特高响应速度),又可以制成能满足特定运行要求的特种电机,如电梯曳引电机、汽车专用电机等。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合,更使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平。从而提高所配套的技术装备的性能和水平,是电机行业调整产业结构的重要发展方向。
稀土永磁电机的应用范围极为广泛,几乎遍及航空、航天、国防、装备制造、工农业生产和日常生活的各个领域。它包括永磁同步电动机、永磁发电机、直流电动机、无刷直流电动机、交流永磁伺服电动机、永磁直线电机、特种永磁电机及相关的控制系统,几乎覆盖了整个电机行业。与传统的电励磁电机相比,永磁电机,特别是稀土永磁电机具有结构简单,运行可靠;体积小,质量轻;损耗小,效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛,几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用场合。
永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置,结构简单,减少了故障率。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密,并把电机转速提高到最佳值,提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的150kVA14极12000r/min~21000r/min和100 kVA60000r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3kW20000r/min的永磁发电机。
在全球稀土永磁电机行业不断发展中,日本、德国、美国、英国、瑞士、瑞典等国家知名品牌公司凭借其数十年的永磁电机生产制造经验和关键工艺技术,掌控者大部分高档、精密、新型稀土永磁电机的技术和产品。2021年全球稀土永磁电机市场规模受新能源汽车市场增至243.32亿美元,2022年全球新能源汽车再创新高,市场规模超280亿美元。
数据显示,2015年我国稀土永磁电机产量为7.68亿台,2021年产量增长至15.25亿台,期间产量复合增速达到10.67%,2022年我国稀土永磁电机产量增长至15.25亿台,下游微特电机产品应用领域的快速发展成为推动行业产量增长的推力。需求变动而言,2021-2022年我国稀土永磁电机需求量分别为11.93亿台和12.83亿台左右。
根据中研普华产业研究院发布的《2023-2028年中国稀土永磁电机行业深度调研与发展趋势预测研究报告》显示:
在新能源体系中,稀土永磁材料会越来越重要,中国工程院院士干勇日前表示,稀土永磁电机有望每年节省电量2500多亿度。在新材料中,稀土永磁材料占63.4%,通过应用于制造业的永磁电机和变频家电中,替代传统电机和家电的60%,每年可节约电量2500多亿度电,减少3.5亿吨碳排放,进一步助力我国“双碳”目标的实现。
稀土永磁体的生产技术的成熟,渗透率提升为行业发展提供了较大助力,2021年受新能源汽车领域与变频空调领域需求大幅影响,行业规模显著扩大,从2020年的467.37亿元增长至了2021年的659.04亿元,2022年我国稀土永磁电机市场规模约735.16亿元。
虽然目前存在不用稀土的永磁电机的技术路径,使用稀土原料的永磁同步电机仍最具优势。多家新能源车企技术部负责人士接受采访时称,从综合性能来看,目前如果不用稀土,势必会影响新能源汽车整车续航;若不使用重稀土,不但会增加验证,而且客户会借此砍价。
对于未来的发展目标,业内人士表示提出,中国将在2025年实现稀土永磁电机、大尺寸碳化硅单晶等关键核心技术的突破,推动新型太阳能电池、热电材料、固态电池、钠离子电池实现产业化,使国内相关企业形成核心竞争力,达到国际领先水平。同时还有望在2030年建成世界级电池、电机、电控研发平台,实现新型太阳能电池、固态电池、钠离子电池、稀土永磁电机、碳化硅高功率器件的大规模应用,最终推动“电动中国”理念的达成。
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