電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）近日，華中科技大學宣布，該校國家脈沖強磁場科學中心工程技術團隊成功實現(xiàn)20MW全球最大單機功率風力發(fā)電機轉子的整體充磁，成為全球首個能對兆瓦級永磁風力發(fā)電機全系列機型整體充退磁的技術團隊。

這一技術實現(xiàn)了永磁磁極先安裝再充磁，促進了永磁電氣裝備的高效、高性能制造，也推動了我國風電綠色制造實現(xiàn)里程碑式高質量發(fā)展。

全球唯一！兆瓦級大型永磁設備整體充退磁技術實現(xiàn)

永磁風力發(fā)電機是目前用于風力發(fā)電的主力機型，眾所周知，永磁磁極是永磁發(fā)電機的核心部件。永磁磁極在燒結出來以后，具備了保存磁性的能力，但是燒結過程本身是不可能產(chǎn)生磁性的。那么整個永磁設備想要正常工作，就需要對磁極進行充磁操作。

對于小功率的永磁磁極來說，這一過程并不復雜，通過將電源直接連接到永磁體兩端的方法就可以完成充磁。而大型永磁設備的磁極，尤其是兆瓦級別的永磁設備，其磁極是由很多磁鋼組成的，所需的磁場強度非常大，需要使用專用的永磁充磁設備來完成充磁操作。

傳統(tǒng)的制造方案，是先對磁鋼進行充磁，然后再將磁鋼組裝在一起。磁鋼充磁后帶有強磁性，每塊磁鋼相互間存在巨大的排斥力，這就導致磁極組裝難度極大，而且裝配精度難以控制的問題，裝配精度低就無法保證磁場強度和方向的準確性和穩(wěn)定性。此外，充磁后的組裝安全風險較大，容易引發(fā)電擊等事故。

對此，基于國家脈沖強磁場科學中心技術積累，華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心李亮教授團隊在國際上率先提出大型永磁電機“無磁裝配—整體充磁”方法。經(jīng)過多年的科研攻關，該團隊于2021年6月研制出中國首臺大型永磁電機整體充磁裝備，完成2.5兆瓦直驅永磁風力發(fā)電機轉子的整體充磁。

不久前，團隊在中車永濟電機有限公司實現(xiàn)了20MW全球最大單機功率風力發(fā)電機轉子的整體充磁，一個小時就可以完成20MW單機功率風力發(fā)電機轉子充磁。

直觀來看，單片磁鋼充磁后再組裝的路線一致性難以控制，而且需要檢測的數(shù)量太多，組裝繁瑣且不安全。整體充磁在前序操作上都是無磁進行，簡單方便，整體充磁的一致性更有保障，既提高效率又改善了品質，還能降低成本。

不僅是充磁，整體退磁技術同樣帶來了更高效的效益。傳統(tǒng)退磁需要將數(shù)百噸轉子加熱到300℃以上，并長時間保持高溫。這種退磁技術消耗的能耗非常大，而且磁極的報廢率也很高，會達到40%左右。華科大團隊新的退磁技術不僅使能耗大幅下降，退磁時間也大幅縮短，磁極的報廢率下降至1%。

這項突破性的進展可以說在高性能永磁電機發(fā)展里是里程碑式的，華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心團隊也是目前全球唯一能對兆瓦級永磁風力發(fā)電機全系列機型整體充退磁的技術團隊。

突破大功率充退磁技術難點，推進高性能永磁電機加速發(fā)展

充磁技術的原理雖然簡單粗暴，就是通過電流產(chǎn)生一個強大到飽和的磁場，磁化永磁體后永磁體保留下剩磁場，但是想要實現(xiàn)大功率的稀土永磁材料的充磁卻遠沒有這么簡單。

從磁材料角度來分析，金屬永磁合金是第一代永磁材料，到以氧化鐵為主要原料的第二代永磁體。到稀土永磁材料，目前主要的稀土材料已經(jīng)從釤鈷永磁發(fā)展到燒結釹鐵硼。燒結釹鐵硼是現(xiàn)在最熱門的稀土永磁材料，不管是磁性能、矯頑力還是磁能積。都有著遠超其他材料的性能，在各類永磁電機中有著旺盛的需求。

以氧化鐵為主要原料的第二代永磁體的磁場相對較弱，充磁機能夠相對容易地通過電機外殼、定子對轉子表面的磁體充磁。但即便如此，整體充磁技術仍然不好控制永磁體充磁磁場分布，定子、轉子磁路多少都會對充磁磁場有影響。

而稀土永磁矯頑力更大，所需的充磁磁場更強，而且還是針對大功率永磁發(fā)電電氣設備的充磁，涉及各種極端條件、嚴苛的工業(yè)標準以及高頻運轉需求，充磁技術難度要求直線上升。而且如何確保充磁設備的磁場能夠穿透整個轉子，使得每個磁鋼都能夠受到充分的磁化也是難題。

在華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心團隊攻克的項目中，永磁發(fā)電機采用高功率半直驅機型，相比傳統(tǒng)直驅機型，磁極體積和極面曲率更大，充磁難度又提高了一檔。

華科大團隊創(chuàng)新地使用主—輔兩級線圈方案及多維加固技術，飽和充磁的線圈能耗、應力水平和溫升都做到了更低。一個小時即可完成20MW單機功率風力發(fā)電機轉子充磁，而且還是100%的有效充磁。

這項大功率整體充退磁技術的突破表明了我國在大型永磁風力發(fā)電機高性能制造上處于國際領先水平。雖然目前華科大團隊的大功率充退磁一體化裝備都應用在永磁風力發(fā)電上，但它對所有永磁電氣設備都有著深遠的影響。

永磁電氣部件在很多重要設備上都有應用，電動汽車、高鐵驅動電機、磁懸浮列車、永磁核磁共振成像儀、飛輪儲能電機等設備上都需要高性能的永磁部件。

電動汽車的續(xù)航能力就和高性能的永磁電機密切相關，充磁不充分的磁材料磁強度更弱，這意味著電機需要額外消耗大量能量維持磁場強度，這勢必會大大減少續(xù)航能力。

磁懸浮列車同樣需要通過電磁力實現(xiàn)列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導向，再利用直線電機產(chǎn)生的電磁力牽引列車運行。懸浮系統(tǒng)就是利用了磁鐵同性相斥異性相吸的原理，毫無疑問這需要永磁材料在充磁中保證強大的磁強度。推進系統(tǒng)則是通過永磁同步牽引電機來使得列車保持運動，和電動汽車永磁電機同理。而且，這些大型設備對永磁電機的震動和噪聲要求都非常高，十分看重電機轉子的動平衡精度。

傳統(tǒng)充磁技術不可避免地會影響平衡精度，華科大團隊的大功率充退磁技術完美解決了永磁材料充磁的難題，無疑將帶動我國永磁電機向更高性能水平發(fā)展。

寫在最后

大功率充退磁技術的突破進一步打開了永磁電機的大容量高性能上限，不僅給高性能高品質永磁電機的設計提供了更多可能，對已有永磁電機的退磁綠色再制造也將起到關鍵作用，對整個永磁電機行業(yè)意義非凡。

目前，該技術已經(jīng)在國內多家大型電機公司成功應用，隨著技術的進一步推進，高鐵、磁懸浮列車、船舶驅動電機、航空航天高速電機等高端應用領域也有望使用該技術來提升設備的整體性能。