发展稀土永磁电机，推动节能降耗，保护环境

郭春生

（全国稀土永磁电机协作网）

 

来源：永磁电机会议论文集，编辑：闫晶芬

 

目前我国稀土永磁材料生产已占世界第一位。稀土永磁体具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积的优异磁性能，用它制成各种电机产品，具有高性能，轻型化，高效节能等特点。

高性能是稀土永磁电机的突出特点，例如，数控机床用伺服电机，调速比高达1：10000，永磁伺服电机可以实现精密控制驱动，转速控制精度可达0.1‰。它还具有运行精度高的特点，如计标机磁盘驱动器的摆动电机端面与磁盘之间的跳动量要求达到0.1μ～0.3μ。此外，稀土永磁电机还具有运行噪声小，运行平稳等特点。

轻型化是永磁电机的突出优点。例如，计表机磁盘，上世纪60年代采用铁氧体永磁，尺寸为14in，采用钕铁硼后只有3.5in，现在已经达到2.5in。再如，德国制成的六相的1095kW变频调速电动机，与过去使用的直流电动机相比，体积重量均减小60%，总损耗降低20%左右，而且省去了电刷和换向器，维护方便，用于舰船推进。荷兰菲利蒲公司对70W微电机作过比较，稀土永磁微电机体积为电励磁电机的1/4，为铁氧体电机的1/2。

稀土永磁电机又是一种高效节能产品，0.55kW～18.5kW永磁电机比Y系列电机效率高5%，中型电机高3%左右。一些特种电机，节能效果更突击，美国GM公司研发的汽车起动电机，与串励直流电机相比，不仅重量由原来的6.21kg降低到4.2kg，体积减小了1/3，效率提高了45%。在风机、水泵、压缩机需要无级调速的场合，异步电机变频调速可节电30%左右，稀土永磁无刷电机可节电35%以上。

一、2006年稀土永磁电生产情况：据不完全统计，以下几类稀土永磁电机生产情况如下：

1、电动自行车：740万辆，产值148000万元，钕铁硼用量2220吨

2、稀土永磁同步电动机，主要为油田抽油机配套，年产1万台30万kW。产值10000万元，钕铁硼用量90吨。

3、数控机床用伺服电机2万台，产值16400万元，磁钢用量14吨。

4、纺织及化纤电机动车辆2万台，产值10185万台，磁钢用量15.6万吨。

5、微特电机，我们普查两次，但回应比较少，我们查到十几家工厂，年产量为5000万只，年产值20000万元。很清楚这个数字不准确。现今有400～500个微电机厂，我们只查到十几个生产厂，当然不全面。

据统计分析2006年稀土永磁电机钕铁硼用量2365吨。比2005年增加1031吨，增长的幅度为77.3%,占国内制成品量的31.5%，这个数字也是估算的。

稀土永磁电机所采用的主要功能材料是稀土永磁体。稀土永磁材料的性能、质量、成本将转移为稀土永磁电机的性能、质量、成本。也就是说只有性能先进、质量可靠、价格合理的永磁材料，才能生产出高性能、高质量、价格又能为市场所能接受的各种稀土永磁电机。当前特别强调要保证磁体的热稳定性、防护性、一致性。举一个应用例子，如电动自行车，运行时有抗冲击振动的要求，在北方有-40℃的要求，其他大部分地区有40℃要求，沿海地区有防盐雾的要求，南方有防湿热的要求。在这样严酷条件下，保证安全可靠是十分重要的。

二、发展稀土永磁电机技术经济分析。

“节能、降耗、减排”是我国经济发展的基本方针，是实现国民经济可持续发展的重要保证。然而我们在能源消费方面，存在着严重浪费现象。

据2004年统计，我国GDP占世界总量3.75%，但电力消耗却占10%。GDP单位能耗为美国的3倍，德国的5倍，日本的6倍，甚至为印度的1.5倍，是属于过度能源消耗型经济。

我们年年讲要大力发展可再生能源，可是可再生能源的比重却逐年下降，以燃煤为主的火电比重却逐年上升。例如我国2003年火电占74.28%，2006年上升到77.82%，比2003年上升了3.54%。相反水电的比重却从23.97%下降到20.67%。2006年风力发电总装机容量为187万kW，仅占0.3%。国务院决定“十一五”期间GDP单位能耗，五年降低20%，每年平均降低4%，而2006年上半年，不但没有降低，反而增加了0.7%，这说明，只有一般号召不行，要有具体的落实措施，要有责任制。在进行稀土永磁电机社会效益和经济效益分析之前，有必要把电力生产情况介绍一下，发电和用电，生产和消费，开源和节流，关系十分密切。

 

2006年电力生产概况

项目

万kW

%

年均运行时间小时

平均投资量

元/kW

年发电5000kW×h

需投资 元

发电装机容量

62200

100

5200

7000

 

水电

12857

20.67

3000

10000

18330

火电

48405

77.82

5700

6000

5724

核电

685

1.1

6700

10000

8000

风电

187

0.3

2100

7000

16800

 

从上表可知，发电机组的构成，火电占77.82%，核电占1.1%。从构成上看高耗能、高排放的火电比例太高，可再生的水电、风电、光电、生物质发电比例太少。从投资强度看，火电最低，每kW6000元，水电、核电最高，为10000元。风力发电为7000元。除电站建设外，输变电建设kW约1000元。发电厂建设加权平均每kW投资7000元，再加上输变电投资，每kW电力建设投资约8000元。

由于每种发电的方式所处的自然条件不同，所以每年机组运行时间也不相同。核电最高，年运行时间约6700小时，并有望提高到7300小时，其次是火电，约5700小时，水电约3000小时，太阳能和风力发电运行时间最低，分别为2000小时和2100小时。

从用电角度考虑，需要的是电力的产量，也就是发电量，而不是装机容量。如果年生产电力5000kW×h。风力发电须建设2.4kW，太阳能需建设2.5kW，而核电只需建0.8kW，水电需建1.833kW。按此计算投资强度，火电为5724元，核电为8000元，风电为16800元，水电为18330元，而太阳能发电为75000元。要降耗、减排、发展核电和可再生能源是一条可行的路子，但须大幅度的增加投资，从而提高发电成本。

根据电力生产总成本估算，可再生能源水电、风电、太阳能发电，由于投资强度大，运行时间短，因而年均设备折旧费、修理费（占折旧费30%），以及长期借款利息所占比重大，但随着项目的执行，以上费用的净植将逐年降低，随着时间的推移，运行成本差距将越来越小。但我国目前风力发电上网电高达0.6元/kW×h比火电高一倍，而美国风力发电上网价为7美分/kW×h，与火电接近。我们应当从管理上、技术上找出原因，认真加以改进，提高风力发电的水平，降低成本，否则必将影响风力发电的发展，我们电机工作者应当做出努力，今后应当研制出好造、好修、好用的永磁发电机。

目前我国火电的投资强度低，只有6000元/kW，所以发展很快，构成比从2003年的74.28%到2006年快速上升到77.82%，目前火电的技术水平比较低，能耗高，平均煤耗为392克/kW.h，比日本高24.1%（日本为316克/kW.h）。厂用电平均为8.1%，比国外先进水平高3个百分点左右。厂用电高的主要原因是磨煤机转速低，耗电量大，其次是风机、水泵系统效率低，消耗能量大。如果能广泛推广高效变频电机，节能可达30%，沈阳工业大学开发的300kW稀土永磁无刷电机，用于电厂，节电高达42%。如果厂用电降低1%，全国就可以节电242万kW×h电力。降低厂用电的主要环节是火电厂，因为水电、风电没有燃煤处理系统。火电另一个最大的问题是燃料费用高，每kW×h燃煤费用0.137元，占发电成本30%以上，而核电的燃料费只占3%，水电、风电、太阳能发电基本没有燃料费。从将耗、减排角度分析，增加核电和可再生能源是十分必要的。核电、水电比较能够集中，但风电和太阳发电比较分散，而且占地面积比较大，维护工作量大。

现在让我们来分析一下用电设备电动机的概况。2006年全国共生产各种电动机1.1亿kW，其中中小型电动机年产量约占总产量的70%～80%。0.55kW～18.5kW的小型电动机占中小型电动机产量52%，22kW～200kW占48％。中小型电动机耗电量占总发电量的50％，加上大型电动机和微电机，耗电量达60%，是电力生产部门最大的用户。

要“节能，降耗、减排”必须抓好两个环节。这两个环节是火电和电力拖动。火电厂耗煤占全国总耗煤量的40%。在电力拖动方面，我国生产的0.55kW～18.5kW小型电机效率比国外高效电机低4%，中型电机比国外高效电机低2%～3%。稀土永磁小型同步电机（0.55kW～18.5kW）效率比普通电机高5%，稀土永磁中型电机比普通电机效率高3%左右。

发展变频调速电机，特别是稀土永磁无刷电机，节能效果特别显著。据日本有关资料介绍，采用变频调速技术，钢厂扎辊冷却水泵节电45%，空调泵节电58%，送风机节电39%。在调速方案中，稀土永磁无刷电机与一般异步电机调速相比，前者本体效率高3%～5%。在运行中，稀土永磁电机的效率变化很小，但异步变频调速电机的运行效率变化很大。例如，一台轴功率为100kW的风机，配110kW异步电机，在n¢/n=1时，电机的运行效率为93%，在n¢/n=50%时，电机的运行效率从93%下降到84%，在n¢/n=30%时，电机的运行效率只有54%，而稀土永磁无刷电机运行效率始终保持在90%左右。因此，采用变频调速传动，用于水泵、风机，异步电机变频调速可节电30%左右，而稀土永磁无刷电机可节电35%以上，两种调速方案的价格相差不多。所以稀土永磁无刷电机是新的一代机电一体化高技术产品。

我们以11kW四极为例，分析计算稀土永磁电机经济效益，对于单台电动机可用下式计算

式中：

—年节电量，kW×h；

—电机的容量，kW；

—负载率，％；

—年运行时间，h ；

—普通电机的效率， ％；

—节能电机的效率， ％。

例如，有两台电动机，均为11kW，4P，当运行于65%负载时，其中一台Y系列电机效率是88%；另一台稀土永磁同步电机效率为92.72％，如果运行2500小时，Y系列电机运行效率有所降低为86%。则年节电额为：

从以上计算结果说明，随着负载的变化，电动机的运行效率也随着变化，导致年节电量变化量也很大。1台11kW4P Y系列普通电动机，年平均耗电量为32340kW×h，每kW耗电量为2940kW×h，采用稀土永磁同步电机，每kW平均可节约144.6kW×h。

异步高效电机虽然效率比稀土永磁同步电机低1％～2％，但它的成本低，可靠性高。稀土永磁同步电机与高效异步电机相比，稀土永磁电机材料消耗可比异步高效电机少用20％～30％，而且，还可以提高一个功率等级。稀土永磁电机比高效异步电机由于增加了钕铁棚永磁材料，成本高出10％～15％，所以稀土永磁同步电机应用前景很好，但需要改进起动性能，适用于各种负载变化较大的专用电机。

稀土永磁无刷电机起动平稳，节电率比异动变频机组高5％以上，成本也低于异步变频机组。

现在我们再以11kW4P电机为例，估算每kW电动机的年消耗电能。我们假设电机负栽率为65％，运行效率由88％下降为86％，年运行2500h，则年消耗电能为：

平均每kW耗电量为：207848÷11=1889.5kW×h

我们经过计算和运行实验，稀土永磁无刷电机可节电35％～40％。以节电35％计算，推广1kW稀土永磁无刷电机，每年节电为661.3kW×h。按北京电价0.48/kW×h计算，推广1kW稀土永磁无刷电机，年节约为317.4元。

由于采用稀土永磁无刷电机，3～55kW稀土永磁无刷直流电机，每kW为882.9元，比Y系列电机高出652.9元。投资回收期为652.9/317.4=2.057年。

在降耗、减排方面，效果也很显著，年节约661.3kW×h电量，可以减少239.2kg炭排量。根据《京都议定本》，每吨炭排量可以销售到15～18美元，中国和联合国正在北京筹建炭交易中心，预计2012年，中国炭排量定额占41%，也就是说超过41%，要花钱买炭排量，低于41%，可以卖出。

推广1kW稀土永磁无刷电机，可以节约3.588～4.3美元，合人民币27.6～33.11元。

能源建设与节约并重，把节能放在首位。现在我们分析一下发展稀土永磁电机，节约电能与电力建设的关系。我们已经分析得出：建设1kW的电力，年可产出5000kW×h电能，扣除8%的电厂自用电和7%的线损，送到用电终端只剩4250kW.h。我们要把4250kW×h的电节省下来，需要生产4250/661.3=6.43kW永磁无刷电机需要投资6.43×652.9=4198元，仅为电力投资的4198/8000=0.524。然而不仅在投资方面，推广稀土永磁无刷电机比火电投资省，而且在降耗、减排方面效果更佳。1kW火电年发电5000kW.h，消耗煤1960kg，产生CO23724kg，产生SOX29g；NOX11.5g，污染十分严重，节能就可以消除这些污染物。那么是否可以先污染后治理呢？此路不通，据欧盟专家分析计算，火电厂减少1吨CO2排放，需投资40欧元。那么减少1kW火电年产生的COZ，需投资148.9欧元，合人民币1500元。使电价上涨0.3元/kW×h。

关于GDP单位能耗问题。经有关设计院计算分析，生产1kW 的电动机需21元燃料动力费。生产1kW普通电机、稀土永磁同步电机、稀土永磁无刷电机，燃料及动力费分别占总成本的9.13％、3.4％、2.38％。普通电机的GDP单位能耗为稀土永磁无刷电机的3.18倍。

永磁无刷电机是机电一体化产品，技术含量和产品附加值高，比普通电机每kW高出652.9元，但其节能、降耗效果好。目前由于铜、铝、硅钢片等材料价格大幅度上杨，电动机价格也随之上涨，而电力电子装置，随着技术水平的迅速提高，变频器的价格会大幅度下调，预计“十一五”期间，每kW有可能降低至500元以下。由于永磁无刷电机与普通电机价差逐步降低，推广的前景也非常看好，由于永磁电机附加值高，使电机产品的GDP提高283.9％。GDP成倍提高，而能耗总量几乎不变，当然GDP单位能耗会成倍下降，这是一个良性循环。

推广稀土永磁无刷电机，研究有多大空间，有多大潜力。根据能源发展研究一书介绍。美国1997年电力电子技术在电力处理的比例为40％，预计到2010年美国80%的电力将采用电力电子技术，重点应用在风机水泵类设备。《节能技术手册》也介绍技术发达国家变频调速已达到75％。我国没有准确的统计，处于起步时期，但说明我国与国外技术先进水平差距甚大。目前我国年生产各种电动机1.1亿kW，在用的各种电动机约8亿kW。若能每年推广1000万kW，占年产1.1亿kW的9%，占电机拥有量的1.25％，这一目标实现以后将取得如下的社会效益和经济效益。

节电：发展和推广1000万kW永磁无刷电机，可节电661000万kW×h。

降耗：发展和推广1000万kW永磁无刷电机，可以减少燃煤2591吨。

减排：减少燃煤2591吨，相当减少CO24923吨。