钕铁硼永磁电机在电动工具中的应用

编辑：朝阳矿用变压器厂家 日期：2019-01-11 人气：410

　　1钕铁硼材料概述具有体积小、重量轻和磁性强等特点，是迄今发现的磁性材料中磁性最强的一种（能吸起自身质童1000倍的铁块），被誉为“永磁王”。钕铁硼晶体结构为四方对称，由2个钦原子14个铁原子和1个硼原子组成。钕铁硼材料具有较高的“剩磁”、“矫顽力”及“最大磁能积”

　　等，表1为常见钦铁硼材料的主要性能指标。钦铁硼的磁性能比广泛应用的铁氧体大10倍，比第一代、第二代稀土磁体约高1倍。

　　表1常见钕铁材料的主饔性能指标等剩磁矫顽力最大磁能积（U/m3）工作温度级标称最小标称最小标称最小刍80笤80按照不同生产工艺，钦铁硼可分为烧结和粘结。烧结用粉末冶金工艺，将各种原材料按照一定的配方比例在真空熔炼炉中篼温熔炼、制粉，在压机的磁场作用下成形，制成毛坯，然后经真空烧结等工序形成钦铁硼毛坯。粘结则采用快粘冷凝工艺。由于烧结所达到的磁能积较粘结要高得多，所以钦铁硼多用烧结成形。粘结钕铁硼较适合形状复杂或厚度要求极薄的部件。

　　钕铁硼永磁材料应用于电机上可以明显减轻电机的重量，缩小电机的外型尺寸，还能获得高节能效果和提高电机的性能。有人预测高性能永磁体的出现，将引起电机行业的较大变革，预计不论是电机还是电机，最终都将过渡到稀土永磁电机。有专家预言，稀土永磁材料将在本世纪对电机的应用与发展起着革命性的作用。钕铁硼还是制造高效能、体积小、重量轻的磁性功能器件的理想材料。钕铁硼电机可广泛应用于电动自行车、汽车、音响、电脑硬盘、玩具等产品中。

　　2钕铁硼永磁电机在电动工具中的应用2.1我国钕铁硼产业现状我国稀土资源丰富，稀土储量占世界总储量的80%，金属钦产童则占世界总量的94%；加上较低的人工成本和广阔的市场，全球钕铁硼产业逐步向中国转移，2005年中国钕铁产量己经占到全球产童的70%以上。日本的TDK、FDK、EPSON，荷兰的PHILIP及美国的Magnequench等公司纷纷到中国建厂，我国正在成为全世界钦铁硼永磁材料的制造中心。

　　2.2钕铁硼材料的专利专利是阻碍中国钕铁硼材料进驻国际市场钕铁永磁电机在电动I具中的应用的最大障碍，严重困扰了我国钕铁硼乃至稀土产业的发展。钦铁硼专利既有成分专利又有工艺专利。成分专利的主要持有者是日本的NEOMAX和美国的Magnequench，专利几乎覆盖全球。NEOMAX在日本、美国和欧洲的专利于2003年到期；Magnequench在日本和欧洲的专利于2004年到期，其在美国的专利将在2006-2007年间到期。当然，除了这些主要的专利外，还有许多辅助专利仍未过保护期。我国中科三环等一些钦铁硼企业，只能通过支付巨额专利许可费来占取市场份额。

　　随着相关主要专利的陆续到期及我国钕铁硼产童的不断加大，钦铁硼价格将随之下降，钕铁明的应用领域将进一步扩大。

　　2.3钕铁硼永磁电机在电动工具中的应用消费者对电动工具尤其是手持式电动工具的基本要求就是操作舒适、工作效率高。设计时要考虑外形小、重量轻和功率大等。为此，近年来在电动工具上不断使用新材料、新工艺、新技术，以实现这一目的。镁合金、锂离子电池的应用大大减轻了工具重量；在电机方面，体积小、效率篼的稀土元素永磁电机也是发展趋势。

　　当价格不再成为“瓶颈”，钕铁硼永磁电机在电动工具中的应用将趋必然。表2是对串励电机、铁氧体永磁电机及钕铁硼永磁电机所作简单对比。钦铁硼永磁电机体积最小而功率最大，铁氧体永磁电机成本最低但功率也最小，钕铁硼永磁电机成本上较串励电机高10%左右，但随钕铁硼价格降低也会有所降低。此外，钕铁硼永磁电机还具有效率高、噪声低等优点。

　　表2几神电机对比实例电机种类串励电机铁氧体永磁电机钕铁砸永磁电机转子规格转子成本定子规格定子成本功率一4钕铁硼材料也存在一些不足。由于剩磁过大易造成转子的磁饱和现象，电机温度过高会出现高温时钦铁硼去磁，这可通过设计从结构上来控制。另外还有火花较大等，也需设计时加以考虑。3钕铁硼永磁电机在电池式电动工具中的应用电池式电动工具近年来可谓飞速发展，其在电动工具中的应用比重也逐年加大，甚至有人预言：“当前的发展趋势是向电池式工具发展”。

　　电池式电动工具已有电钻、电锤、电动扳手、曲线锯、电圆锯、电刨、角向磨光机、打草机等50多个品种。电池式电动工具由于不需要外接电源，使用方便，有着非常广阔的市场。以电池式电动扳手为例，年增长率超过25%.电池式电动工具之所以有如此快速发展，与电池、充电器及电机等不断创新分不开。国内外各大电动工具制造商都非常重视电池式电动工具的创新。电池方面从镍镉电池发展到镍氢电池、彦离子电池；电子控制快速充电器使得充电时间由几小时缩短到15min；电机磁性材料开始使用稀土永磁材料。电池式电动工具正朝外形小、大动力、大容量（电池）及快充电方向发展。为几款品牌电池式电动扳手，机身短小、重量轻、扭矩大。表3为部分参数的对比。此3个电池式电动扳手的扭力均超过了IOONt，Bosch的最大扭力甚至达到175Nm，机身长度只有165mm左右而重童都在1.8kg以内，其中电机是关键。

　　电池式电动扳手表3几神电池式电动捩手参对比品牌电压（V）最大扭矩（N，m）重量（kg）电池式电动工具的永磁电机所用磁性材料主要是铁氧体，但铁氧体永磁电机很难在如此小机身上实现上述扭矩。稀土永磁材料的出现大大提高了磁性材料的性能。如前述Panasonic的这款12V电池式电动扳手的电机就是稀土钐永磁电机（见），与铁氧体永磁电机相比，扭矩大有提高，重量轻44%，体积小15%，但钐的资源相对不足而成本较高。第三代稀土永磁材料钦铁硼资源丰富，并能进一步提高电机性能，以直径24mm、长35mm、电压5.0V、转速5000r/min的永磁电机为例，所用永磁材料由铁氧体改为钦铁硼后，输出功率由1.26W提高到2.56W，输出转矩由2.4N.m提高到4.9N.in，效率则由39提高到61.钦铁硼永磁电机应用于电池式电动工具具有篼效率、小体积、轻型化等优点。

　　由2稀土钐（Samarium厂永磁电机4钕铁硼永磁电机在电动工具中的应用电动工具所用电源为单相电，所用电机大多为单相串励电机。单相串励电机具有转速高（lOOOOr/min以上）、体积小、重童轻等优点。单相串励电机还具有“软”的机械特性，转速随负载增加有较大下降，额定负载转速较空载转速下降40%左右，这对于某些工具如磨削类工具较为不利，并且空载时噪声也较大。早在1989年国内就有工厂进行过钕铁硼永磁电机制作电钻的研究，所用电源仍为电源，工具内需增加硅整流元器件，由于当时的钦铁硼材料价格较高未能打开市场。

　　制作钕铁硼永磁电机电动工具具有以下优点：（I）空载转速较低，降低了空载噪声；（2）机械特性趋向“硬”，提高了某些工具的性能；（3）可实现较小体积与重量。通过在某个850W、230V电锤上进行钦铁硼永磁电机的对比试验，得到所示负载特性曲线。图中曲线n为采用钦铁硼永磁电机的转速-扭矩曲线，虚线为原串励电机的转速-扭矩曲线。钦铁硼永磁电机电锤空载转速（M=0）n= 728r/min，达到额定输入功率（朽=1050W）时转速，i=675r/min，转速下降仅7.3%；串励电机电锤空载转速（M=）YSSSr/min，达到额定输人功率（/，=1050W）时转速n=454r/min，转速下降了46.9%，钦铁硼永磁电机电锤较原串励电机电锤转速-扭矩曲线平缓许多。采用钕铁硼永磁电机后由于没有励磁损耗，电机的效率也大为提篼。

　　850W钕铁硼永磁电机电锤负蒌特性曲线5结束语我国钕铁硼稀土资源较为丰富，“中东有石油，中国有稀土”。钦铁硼永磁电机在电动工具中的应用，将有助于提高电动工具的技术水平和有效利用我国稀土资源。近年来有关钕铁硼的新技术层出不穷，必须提高我国的钕铁硼材料的研究与应用水平。

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