永磁電機概況及發展趨勢分析

編者按：近階段，永磁電機在國內算是遍地開花，一是受益於國內政策鼓勵，配置永磁電機的車輛有更多空間提供給動力電池。二是受益於國內健全的稀土行業，能夠以較低的成本生產永磁定子。現如今，永磁電機火熱程度不減，並在減速機行業得到了極高的關注，今天「今日減速機」小編就帶您了解一下永磁電機。

 

一、永磁電機介紹

永磁電機從大類上分主要有永磁直流機（如汽車起動馬達）和永磁同步機兩種形式。目前所說的永磁電機絕大多數說的是交流永磁電機。

自起動永磁同步電動機在 20世紀 80年代和 90年代在我國有較多的開發研究，並有了一定的生產產品。但由於這種永磁電機轉子上帶有類似於異步電機的鼠籠條，造成轉子發熱，極易使磁鋼退磁；並且由於鼠籠條的存在，起動過程類似於異步電機，其起動電流是額定電流的8~10倍，對電網的衝擊較大，因而並沒有得到廣泛的應用。

永磁伺服電機、永磁無刷直流機與變頻永磁同步電機都屬於調速永磁電機。永磁伺服電機主要用於控制領域，如機器人。永磁無刷直流機與變頻永磁同步電機主要用於驅動領域。隨著電力電子技術的發展，電力電子控制設備成本的下降，使得調速永磁電機及其驅動系統得到了許多行業的認可。目前，調速永磁電機驅動系統以其優越的性價比而在許多行業開始取代傳統的異步電機驅動和異步電機變頻驅動。

 

（一）永磁同步電機驅動系統的特點：

結構簡單、靈活，適用於各種應用場合，尤其是特種應用（低轉速、高響應、有位置控制精度要求等）

體積小、重量輕，安裝簡便快捷

高系統效率、高功率因數

過載能力強，零速加載，起動時間短，起動電流小，配電容量減小

控制和調節特性優越

系統可靠性提高，壽命延長

 

（二）結構簡單、緊湊

永磁同步電機採用永磁體產生氣隙磁場，即不是像換向器電動機那樣用勵磁線圈產生氣隙磁場，也不像感應電機那樣用定子電流的勵磁分量產生氣隙磁場，而且結構簡單、損耗小、效率高。永磁同步電機可以分為表面貼裝式永磁同步電機(SPM)和內埋式永磁同步電機（IPM)兩種型式。

 

（三）高效率、高功率因數

永磁同步電機綜合了傳統異步電機與電勵磁同步電機的優點，並可獲得相似甚至超過直流電機的調速特性，在性能上得到了全面提升。

永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減少定子電流和定子銅耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，由於總損耗的降低而減小了電機冷卻系統的容量，從而減小了相應的附加損耗。因而，其效率比同規格的異步電動機提高 2~15個百分點。

 

（四）動態響應與過載能力強

同步電動機比異步電動機對轉矩的擾動具有更強的承受能力，能做出比較快的反應。當異步電動機的負載轉矩發生變化時，要求電機的轉差率也跟著變化，即電機的轉速發生相應的變化，但是系統轉動部分的慣性阻礙電機響應的快速性。同步電動機的負載轉矩變化時，只要電機的功角做適當變化，而轉速始終維持在原來的同步速不變，轉動部分的慣性不會影響電機對轉矩的快速響應。永磁同步電動機的最大轉矩可以達到額定轉矩的 3倍以上，對電機系統在負載轉矩變化較大的工況下穩定運行非常有利。

 

（五）體積小與重量輕

近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電動機的功率密度得到很大提高。與同轉速同容量的異步電動機相比，體積和重量都有較大的減少，從而使其在許多特殊場合得到應用。

 

（六）可靠性高、運行維護費低

與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，永磁同步電機沒有電刷，簡化了結構，增加了可靠性。

直驅系統取消了減速機，減少了故障點，提高了系統可靠性。同時也降低了運行維護費用。

 

（七）永磁同步電機驅動系統的節能方式

永磁同步電機驅動系統的節能主要體現在三個方面：

1）電機本身的高效率；

2）通過調速實現工況變化；

3）簡化傳動鏈取消減速機（或增速機）。

除此之外，永磁直驅系統由於取消了減速機，因而還可在運行維護方面降低費用。

 

（八）電機節能和線路節能

永磁同步電機效率高；高效區寬，電機損耗小。

永磁同步電機功率因數高，不用進行無功補償，可以節約因無功補償造成的有功損耗。

永磁同步電機電流小，線路損耗小。

 

(九)傳動鏈節能

由於採用永磁同步電機直接驅動，可以省去減速機（或增速機）帶來的功率損耗，機械傳動效率接近100%。並可以省去附屬的潤滑裝置和冷卻裝置帶來的功率消耗，大大降低設備用電量。

 

（十）通過變速實現變工況節能

針對風機或泵類：風機或泵屬於離心負載，採取永磁同步電機變頻調速運行時，滿足離心負載特性：流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方正成比，功率與轉速的立方成正比，所以功率與流量的立方也成正比。風機或泵在設計選型確定後，流量調節主要是通過調節閥門或風門的開度，電機的轉速和功率變化不大。在實際運行時，需求流量經常會小於設計流量，此時若通過降低轉速的方式，電機實際消耗功率會大大降低。

針對皮帶機和磨機：皮帶機或磨機屬於恆轉矩負載，其功率與轉速成正比，採用變頻調速方式，可以讓磨機始終工作在高效區。在輕載時通過降低設備轉速，減小功率輸出，可大大節約能源，達到節能降耗的目的，同時還能減輕皮帶或磨輥的磨損。由於皮帶機、磨機的負荷經常變化，如速度不能變化，既浪費了能源，又增加了皮帶和磨輥的磨損，降低了使用壽命。

 

（十一）永磁同步驅動系統的應用

永磁同步電動機由於轉子結構極其多樣，並有高精度、高可靠性、低損耗等特性，產生了特點和性能各異的許許多多品種。

在應用方面，主要有以下幾個類別：

二、2018年永磁電機行業市場現狀與發展趨勢分析

（一）行業產銷規模穩步增長

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，讓電磁電機佔了主流。近年來，隨著高性能永磁材料的發展，永磁電機重新得到重視。與此同時，永磁電機理論發展促進了生產力的提高，電力電子技術加快了永磁電機產業化步伐。

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，並且其形狀和尺寸可以靈活多樣，因而應用範圍極為廣泛。

例如，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，不僅節約了大量的能源，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）；在工具機行業，採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，可保證工具機本身的精度和加工精度，工具機的電氣化和自動化程度提高。

隨著永磁電機得到廣泛應用，永磁電機行業銷售規模亦水漲船高。根據國家統計局數據顯示，2013~2017年，中國永磁電機行業銷售規模整體呈穩步增長態勢。2017年，永磁電機行業銷售收入已達888.4億元，同比增長1.10%；2018年銷售收入超過930億元。

各省市來看，2017年，江蘇省銷售收入比重最大，佔全行業比例超過三成，是我國永磁電機行業的最主要集聚區；其次是浙江省，佔比達到10.81%；山東省排在第三，佔比8.04%；其餘省份佔比均在6.5%以下。

永磁電機產量規模也逐步擴大，供給不斷增加。2017年，我國永磁電機產量首次突破1000萬千瓦，達到1107.1萬千瓦，較2016年增長18.14%；2018年，永磁電機產量將增至1166.2萬千瓦。

雖然永磁電機產銷規模均有較大提升，但行業發展仍存在不少問題，其中較為突出的有兩大方面。一方面是產品檔次、技術水平有待加強，企業開發能力不強，自主創新能力不足。目前我國整個永磁電機行業新技術、新產品開發和技術創新處於起步階段，尚未形成強大的生產力，因此，產品檔次不高，高端市場佔有率低。

另一方面，行業內大量存在經營規模過小的中小企業，行業整合有待加強。就全行業而言，經過多年的發展，中國永磁電機行業雖已形成了比較完整的工業體系，但總體規模仍然偏小。在眾多永磁電機生產企業中，大部分中小企業的單位生產成本過高，不能發揮規模經濟效益。

（二）永磁電機應用範圍將擴大

首先，隨著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地出現高水平、高技術附加值的產品，更好地服務於國民生產生活的各個環節，並在中、低檔產品方面與外商獨資企業展開競爭。

其次，在技術的發展和高性能永磁材料的不斷降價趨勢下，稀土永磁電機在家電、汽車、辦公自動化等領域今後也必將佔有越來越大的份額，同時稀土永磁電機還將大量應用於宇航和軍事裝備等行業。

最後，伴隨著節電、環保意識日益增強，永磁電機發展的前途一片光明，尤其是在高效節能領域，隨著技術的快速發展和日漸成熟，結構形式將日趨多樣化，將會贏得更為廣泛的發展空間，以及獲得更加廣泛的應用。

三、2018年全球永磁電機行業發展概況與市場趨勢分析

（一）發達國家掌控高端市場

全球經濟隨著信息技術的快速發展，各國先後已進入工業自動化、辦公自動化、家庭現代化、農業現代化及軍事武器裝備現代化的技術階段和普及階段。永磁電機作為這些技術和系統中重要的基礎元件，需求量不斷增加，市場空間逐年擴大，發展勢頭良好。

在全球永磁電機行業不斷發展中，日本、德國、美國、英國、瑞士、瑞典等國家知名品牌公司憑藉其數十年的永磁電機生產製造經驗和關鍵工藝技術，掌控者大部分高檔、精密、新型永磁電機的技術和產品。

例如，日本在永磁電機高效率化、靜音化、工業伺服用永磁電機高性能化諸方面進行了大量研發工作，因此在技術上具有很大的優勢，生產出來的微電機設備具有高控制精度、低功耗、長壽命和低成本小尺寸等競爭優勢，並且在技術的行列也走在世界的前沿，佔據了世界高檔永磁電機的大部分市場。

目前，日本主要永磁電機製造廠商有日本電產株式會社、日本阿斯莫株式會社、日本電裝株式會社、日本萬寶至馬達株式會社等。

美國的電機開發比日本晚。在美國，感應電機的設計及其控制策略的發展較為成熟，所以電動車驅動電機還主要以感應電機為主。但美國也進行了永磁同步電機的研究，且進展迅猛，如SatCon公司研製的永磁同步電機採用定子雙套繞組技術，既擴大了電機的轉速範圍，又有效利用了逆變器的電壓，繞組電流低，電機效率高。目前，美國永磁電機市場上的主要製造廠商Gettys、A-B、I.D、OdawaraAutomarion和Magtrol等。

不過，美國的永磁電機行業發展主要著重於軍用微電機方面，美國軍用微電機的科研和產品水平處於世界領先地位，西方國家軍事裝備和電子裝置中應用的各類微電機絕大部分由美國幾個主要廠商供應，微電機美軍標準已成為國際標準。

除了美國、日本之外，瑞士ABB、瑞士瑞諾集團、德國嘯馳等公司也具備較強的競爭力，佔據全球市場較大的份額。

此外，由於技術的擴散逐步向發展中國家轉移，以中國為代表的新興國家也在全球永磁電機領域佔據重要地位。根據統計，2017年，我國永磁電機產量首次突破1000萬千瓦，成為全球永磁電機的主要生產國。

（二）電機永磁化仍將持續

首先，永磁電機具有效率高、比功率較大、功率因數高、可靠性高和便於維護的優點。採用矢量控制的變頻調速系統，可使永磁電動機具有寬廣的調速範圍。因此，電機的永磁化成為電機驅動技術的重要發展方向之一。

尤其是在電動汽車電機驅動技術方面，受到車輛空間限制和使用環境的約束，電動汽車用電機驅動系統不同於普通的電傳動系統，它要求性能更高、體積/重量密度更高、環境溫度更高，用於普通電機驅動的電力電子與電機技術已經不能適應其要求。因此，永磁化將成為未來汽車電機的發展方向之一。

根據工信部數據統計，2018年12月，中國新能源乘用車搭載電機超過16萬臺，其中永磁同步電機佔比高達92.3%。

其次，隨著永磁材料性能的提高、加工工藝的完善以及現代控制技術的發展，永磁電機在工農業生產、家用電器、醫療設備、航空航天、航海、軍工等各個領域的應用將更加深入，並展示出強大的生命力。

最後，伴隨著節電、環保意識日益增強，用於節能環保領域的永磁電機將會出現大幅增長。可以預見，低碳經濟的到來為永磁電機帶來增長契機，而超高效永磁電動機和調速高效永磁電動機在節能減排方面將發揮重大作用。

 

四、永磁電機發展趨勢

伴隨著節電、環保意識日益增強，用於節能環保領域的永磁電機將會出現大幅增長。可以預見，低碳經濟的到來為永磁電機帶來增長契機，而超高效永磁電動機和調速高效永磁電動機在節能減排方面將發揮重大作用。

國內開發的永磁同步電機是轉子鐵心內部埋入永磁鐵的內埋式永磁同步電機（IPM）。對 IPM電機由於永磁體埋入於轉子內部，鐵芯對永磁體起到了較好的保護，可有效防止離心力、腐蝕以及其他生產過程中可能出現的對永磁體的損害。IPM電機具有較強的磁場凸極性，通過控制可充分利用磁阻轉矩，以獲得更高的轉矩輸出。同時，由於凸極效應而使電機的弱磁控制範圍大大增加，從而使電機的轉速範圍大大增加。

作為動力驅動的永磁電機，由於其結構多樣性，高功率密度、高轉矩密度等特點使其在工業、運輸、國防以及日常生活等諸多領域得以廣泛應用。

主要的應用技術發展趨勢有三個方面：

1）直驅技術；

2）集成技術；

3）智能控制技術。

直驅技術取消了傳動鏈中的減速箱或增速箱等中間環節，將電機直接與負載相連，既提高了系統效率，又增加了可靠性。直驅技術在低速領域轉速可低到每分鐘十幾轉，在高速領域轉速可達每分鐘幾十萬轉。

集成技術主要分兩種集成方式。一個是永磁電機與變頻控制集成（變頻一體機）；另一個是與負載集成，如滾筒電機，大大縮小了設備的體積和安裝空間。

智能控制技術主要體現在電機控制的網絡化、遠程化，並正在逐步向遠程故障診斷方向發展。

永磁傳動技術是電機系統整體能效提升的新技術，它包括有永磁渦流柔性傳動節能裝置、永磁電機、永磁聯軸器、永磁耦合器等，是電機系統的重要組成部分。對於整體提升電機系統的安全運行、節能降耗有著積極的作用。節能減排是社會發展的永恆主題，電機及系統節能是工業節能減排的主戰場，而技術創新、技術引領是實現節能減排、實現電機能效提升的重要手段。

根據歐盟《提高高效電動機和驅動的市場份額》的研究報告顯示，工業用電動機消耗電能佔工業用電消費的73%。其中，歐盟工業部門中，各電動驅動系統消耗電能的比例為：泵類22%、風機16%、空壓機18%、製冷壓縮機7%、輸送機2%、其他電機為35%，即風機、泵類及壓縮機佔總消耗電能的63%。數據顯示，2013年我國電機保有量約21億kW，總耗電約3.5萬億kWh，佔全社會總用電量的64%，其中工業領域電機總用量為2.6萬億kWh，約佔工業用電的75%。工業領域電機能效每提高1%，可年節約用電量260億kWh左右。從整體上提升電機系統效率5%～8%，可實現年節電1300～2300億kWh，相當於2～3個三峽電站的發電量。

永磁傳動技術使電機與負載之間無剛性連接，通過永磁體和導體的相對運動，實現了能量在氣隙中的傳遞，它解決了旋轉負載系統的對中、起動、減震、調速及過載保護等問題，使磁力傳動的效率達到99%。實現電機的緩衝起動，因為電機不需要克服負載慣性，大大減小了峰值電流，減少電耗，達到節約能源，減少設備磨損的效果。從節能減排的角度來講，用永磁電機代替異步交流電機，體積小、效率可實現100%，電機輸出轉速達到300r/s為最佳工作狀態，這時在電機後蓋上背一個小的星行減速機，輸出轉速可達幾到幾十r/s，滿足各種工況下的需要，如電廠、鋼廠、水泥廠、石化及化工等場合，針對電機驅動的風機、水泵、皮帶輸送機和球磨機等設備提出的節能傳動解決方案，達到40%的節電的效果。比如說球磨機，球磨機驅動系統屬於典型的低速大轉矩傳動系統，永磁電機可以實現低速大轉矩的持續運行，異步電動機和直流電動機無法實現，這種特性使得永磁電機在低速大轉矩的傳動系統應用非常廣闊。