永磁電機行業發展概述

文／西安微電機研究所 張樸 羅潤娟／

永磁電機是微特電機的一個重要發展領域，占其總量90%以上，因此對于微特電機行業而言，“十二五”期間要大力推進永磁電機的技術進步，在抓緊量大面廣產品發展的同時，又要加快稀土永磁電機的研發。

我國早已成為永磁電機生產和出口大國，大功率永磁電機現已開始出口至歐洲和北美，因此，作為永磁電機企業應該盡快從傳統手工業提升到現代工業裝備制造，向規模化方向發展，為國民經濟發展提供合格產品，又為外貿出口做出貢獻。筆者結合近年來的行業發展情況，簡單介紹永磁電機的基本情況。

目前，國家正加快轉變經濟發展方式、調整優化經濟結構；微特電機行業，也正處在調整產業結構時期，每個企業應該在此時期，從微觀經濟的角度出發，找到一些新的商機。永磁電機是微特電機的一個重要發展領域，占其總量90%以上，因此對于微特電機行業而言，“十二五”期間要大力推進永磁電機的技術進步，在抓緊量大面廣產品發展的同時，又要加快稀土永磁電機的研發。我國早已成為永磁電機生產和出口大國，大功率永磁電機現已開始出口至歐洲和北美，因此，作為永磁電機企業應該盡快從傳統手工業提升到現代工業裝備制造，向規模化方向發展，為國民經濟發展提供合格產品，又為外貿出口做出貢獻。筆者結合近年來的行業發展情況，簡單介紹永磁電機的基本情況。

1.微特電機市場規模

隨著經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高，對微特電機的需求量大增，例如城市家庭各種電器中的微特電機平均達到20臺，農村家庭為10臺；又如汽車中使用的低壓永磁直流電機平均為20臺左右。我國加入世貿組織后，微特電機出口量也逐年上升。我國早已成為微特電機世界生產第一大國。

據2010年調查統計，目前我國大陸微特電機生產企業超過1100家，從業人員38萬，銷售收入過千億元。從2004年到2010年，微特電機產量和出口量分年增長率達10%以上。目前，我們初步估計微特電機年產量約為80億臺左右，出口約為40億臺。

以下是國內近三年來年幾個典型領域使用微特電機數量的平均統計數據：

車輛：電動自行車2288萬臺；電動摩托車415萬臺；汽車1億零74萬臺；

辦公自動化：手機5.5億臺，PC機9.567億臺，筆記本電腦7.6億臺，打印機1.73億臺，傳真機1.5億臺，復印機2.9億臺，合計24.9億臺。

視聽設備：錄音機0.68億臺，收音機6億臺，音響2.2億臺，汽車音響1.1億臺，家庭影院0.3億臺，DVD機3.9億臺，合計8.8億臺。

2.永磁電機的發展

用永磁體來產生勵磁磁場的電機稱為永磁電機。世界上最早的電機原型就是永磁電機，只是當時永磁材料性能不良，讓電磁電機占了主流。永磁電機歷史悠久，但真正發展是近年來隨著高性能永磁材料的發展而發展起來的。與傳統的電磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機，具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高等顯著特點，并且其形狀和尺寸可以靈活多樣，因而應用范圍極為廣泛，產量也最大。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過1000kW，最高轉速已超過300000r/min,最低轉速低于0.01r/min,最小電機外徑只有0.8mm,長度為1.2mm。

據統計，500W以下的直流電機中永磁電機占90%以上。如汽車使用的全是永磁直流電機，計算機外圍設備絕大部分使用永磁步進電機、有刷和無刷永磁電機，電動自行車大多采用無刷永磁電機，手機振動電機目前直徑已做到4毫米以下等等。另外，大功率電機近20年也向永磁化發展，產量增加，電機功率也越來越大，唐任遠院士已經做過超過1000千瓦的永磁電機，應當說永磁電機的發展勢頭正勁，將來隨著稀土永磁材料性能的不斷提高及價格的降低，預計各種伺服電機不論是直流和交流的還是步進電機最終都將過渡到永磁電機，甚至應用領域很廣的交流異步電機最終也會被永磁電機所替代。

永磁電機理論發展促進了生產力的提高。永磁電機理論發展大大促進了產品的發展，其中像包括唐任遠院士的《現代永磁電機理論與設計》等許多專家的理論在指導行業進步中起到了非常重要的作用。從高等院校師生發表的有關永磁電機論文的參考文獻統計，《現代永磁電機理論與設計》的被引率是很高的，這對永磁電機的研發無疑起到極大的推動作用。

電力電子技術加快了永磁電機產業化步伐。近年來電力電子技術的發展，推進了永磁同步電機的產業化步伐。永磁無刷直流電機價廉物美，應用場合不受條件限制，如電動自行車、電動汽車、除草機、高爾夫球車、建筑工程車。異步起動永磁同步電機既節能又簡便，可保證設備工藝穩定性不受電壓波動、負載變化的影響；伺服永磁同步電動機控制系統可以精確定位，電機可以縮小3-4號機座，它不僅僅是引領高端產品的先鋒，還帶來了一場機械革命。如無齒曳引機、低速大轉矩電機，不用減速機直接傳動，提高了傳動系統的效率、可靠性，降低了噪音，改善了設備的環境（漏油）。永磁同步電機發電機體積小、可靠性高、使用方便，不僅可作副勵磁發電機，而且在北美還用于數百kW以上的大功率發電機。

永磁電動機在傳統裝備業改造應用如下：

在化工化纖行業，永磁同步變頻電機具有結構簡單、故障少的特點，不僅大量節約了寶貴的能源，最主要的是紡出的長絲品質已經達到和接近天然纖維（棉花、羊毛、桑蠶絲等），因而得到了大量廣泛的應用。

機床行業的電主軸電機采用永磁同步伺服電機取代傳統的直流電機、滑差調速電機、異步電機，可保證機床本身的精度和加工精度，機床的電氣化和自動化程度提高。采用變頻伺服調速系統，可把進給精度由原來的微米級提高到脈沖信號級，借助永磁同步電機剛硬的特性，能提高進刀量、縮短回車時間以及提高工件表面粗糙度等。由于伺服電機系統采用無齒傳動，具有噪音小，傳動比大，工作穩定，結構緊湊的特點。因此，中高檔全功能數控車床、中高檔數控銑床、車削/銑削加工中心、車磨合一數控機床、數控立車等都無一例外地采用永磁伺服電機。隨著機床行業快速的技術進步，以及國際數控機床的發展，我國的機床正在向著多功能、全功能方向發展，機床主軸向著伺服化、高速化、更寬頻恒功率調速方向發展，對永磁電機也帶來機遇和挑戰。

無齒輪曳引機，傳統的電梯所用的曳引機是由變頻調速系統來拖動異步電動機，這種驅動方式的電動機的轉速都比較高，而電梯實際運行的速度比較低，所以要加減速機來實行減速，而由于減速機構的存在，使得曳引系統呈現結構復雜、體積大、傳動效率低、運行噪聲高、漏油、安裝維修難等特點。而永磁同步電動機采用高性能永磁材料和特殊的電機結構，具有節能、高效、結構簡單等特點，從而獲得廣泛應用。

3.稀土永磁電機的發展情況

眾所周知，電機是以磁場為媒介進行電能與機械能相互轉換的電力機械。磁場可以由電流勵磁產生，也可以由永磁體產生。但一般的永磁體,由于磁能密度低，因而建立的能量轉換所必需的氣隙磁場強度也較低，所以只能制造一些容量小的永磁電機，如目前大量生產的鐵氧體永磁電機。高性能稀土永磁材料，特別是釹鐵硼永磁問世后，情況發生了重大變化。高性能釹鐵硼磁體產生的磁場，不僅可以達到電流勵磁所產生的磁場強度，而且還遠遠超過電流勵磁。

粘接稀土永磁材料最適合高精度精密微特電機。它具有高的磁能積，可使電機小型化，輕重量，高性能。第二，能支撐環形磁鐵，使電機氣隙減小，氣隙磁通密度提高，利于高性能化。第三，隨氣隙磁場的增大，永磁體剩磁和矯頑力同時增大，可得到平衡的磁特性。能有效利用各向同性磁材的優點，即無需磁場趨向成形效率高，成形設備和模具簡單，容易實現多極充磁。

高性能稀土永磁電機是許多新技術、高技術產業的基礎。它與電力電子技術和微電子控制技術相結合，可以制造出各種性能優異的機電一體化產品，如數控機床、加工中心、柔性生產線、機器人、電動車、高性能家用電器、計算機等等。

稀土永磁電機最顯著的性能特點是輕型化、高性能化、高效節能。

采用稀土永磁體可以明顯減輕電機重量，縮小體積。這在較大功率電機中尤為明顯。例如10kW發電機，常規發電機重量為220kg，而永磁發電機重量僅為92kg，相當于常規發電機重量的45.8%。又如計算機磁盤驅動器，上個世紀60年代采用鐵氧體，尺寸為14in，而采用釹鐵硼后只有3.5in，現在己達到2.5in。再如，荷蘭菲利蒲公司以70W微電機作過比較，稀土永磁電機體積為電流勵磁電機的1/4，為鐵氧體勵磁電機的1/2。總之，稀土永磁電機輕型化是個非常明顯的特點。

高性能化也是稀土永磁電機的突出優點，有些性能是傳統標準電機所不能及的。例如，數控機床用稀土永磁伺服電機，調速比高達1：10000。稀土永磁電機可以實現精密控制驅動，轉速控制精度可達到0.1‰，在機械特性方面，稀土永磁電機可以實現低速大轉矩運行，可在負載轉矩下直接起動。此外，稀土永磁電機還具有運行精度高（如計算機硬盤驅動器的擺動電機端面與磁盤之間的跳動量要求達到0.1~0.3μ）、運行噪聲小、平穩性好、過載能力大等特點。

稀土永磁電機又是一種高效節能產品，平均節電率高達10%以上，專用稀土永磁電機可高達15%~20%。美國GM公司研制的釹鐵硼永磁起動電機，與老式串激直流起動電機相比，不僅重量由原來的6.21kg降低到4.2kg，體積減少了1／3，而且效率提高了45%。在水泵、風機、壓縮機需要無級變頻調速的場合，異步變頻調速可節電25%左右，而永磁變頻調速節電率高達30%以上。

家用電器的節能潛力很大，現在普通的家用電器選用的均為單相小型電機，這類電動機額定效率很低，如0.18kW單相電動機額定效率只有55%。相同容量的稀土永磁無槽無刷直流電機，額定效率可達90%，相差24%。

變頻調速將在電機產業廣泛推廣應用。就家電產品而言，異步電機變頻調速、傳統直流電機調速、稀土永磁無刷直流電機調速中，以無刷直流電機節能效果最為顯著。除稀土永磁電機額定效率明顯高于交流電機外，在調速過程中，隨著轉速調低，交流電動機效率明顯下降，而稀土永磁電機效率卻變化不大。

稀土永磁電機應用領域包括：

電動自行車電機。燃油摩托車和助力車是城市大氣污染的主要來源之一，因此積極發展電動自行車是減少污染、滿足和方便廣大群眾措施之一。世界上許多國家或地區都很重視。我國2002年電動自行車產量僅35萬輛，產值7000萬元，到2009年全國電動自行車產量逾2200萬輛，已經形成一個較大的行業。

目前我國生產的電動自行車電機有兩大類，一類是永磁有刷直流電機，有盤式結構和圓柱結構兩種，另一類永磁無刷直流電機。

視聽產品包括錄像機，錄放機、激光唱機、隨身聽、VCD、DVD等。我國已是生產視聽產品大國。視聽產品使用的電機量占整個微特電機總量的25%，其中大部分是稀土永磁微特電機。在信息化時代，視聽產品向數字化方向發展，因此數字化視聽產品發展很快。DVD市場銷售量看漲，每臺DVD需配套3臺電機，用于主軸、加載裝置、播音器上。該領域目前使用的微特電機大部分是有刷永磁直流電機，但主軸電機是無刷的。隨著視聽產品小型化和數字化，對微特電機有更高的要求。高性能，如主軸電機轉速高達7000r／min，軸的垂直精度要求達到μ級。低噪聲，音響設備對噪聲要求很嚴格。高可靠性，要求產品質量可靠，雖然產品處于高速旋轉狀態，但電機的壽命必須保證與主機壽命相同，沒有易損零件，一般地不進行中修。

稀土永磁電機還大量應用于宇航和軍事裝備等行業。這類電機的品種有控制微電機和機電一體化、光機電一體化和智能電機。隨著現代軍事裝備的發展，對軍用微特電機提出高性能、高精度、高可靠性和輕型化的嚴格要求，同時提出耐惡劣環境的要求，如高低溫、高空、振動沖擊和三防等特殊要求。我國自主開發的軍用微特電機基本上滿足我國現代化武器裝備的配套需要，而且也帶動了民用產品的發展。

隨著技術的發展和高性能永磁材料的不斷降價，稀土永磁電機在家電、汽車、辦公自動化等領域今后也必將占有越來越大的份額。

4.目前制約永磁電機行業發展的因素

經過近幾年的調研，我們總結了目前制約我國微電機行業中永磁電機產業發展的主要原因如下：

1) 生產廠家眾多，但力量分散，技術力量薄弱，發展后勁不足。

2) 企業規模不大，無法同萬寶至、德昌、日本電產、日本伺服等知名企業相比。

3) 產品可靠性同工業發達國家差距較大。高性能伺服系統和執行機構與國外差距更大。

4) 企業短期行為依然嚴重。

5) 國家對中小企業的支持力度仍不大，資金仍然是制約其發展的重要因素。

隨著微電機行業企業的產品結構調整和技術水平的不斷創新，我國的永磁電機生產企業也會越來越多的出現高水平、高技術附加值的產品，更好的服務于國民生產生活的各個環節。