磁性材料：节能减排大显身手

发布时间：2008/4/11 7:37:13

能源是人类社会活动的物质基础，也是推动社会发展的基本条件之一。当今世界面临的人口增加、耕地减少、环境污染等问题，引起了各国的极大关注。保护人类赖以生存的自然环境和资源是全世界都共同关心的课题。然而目前的环境问题大都是由对能源资源的利用所引起的，所以合理开发利用自然资源，大力发展可再生的新能源和节能新技术刻不容缓。磁性材料在环境保护及节能减排中发挥着重要作用。 

磁性材料是电能应用*好*节能的恒磁场 

今天，我们生活在电气化时代。但是电能是如何得到的？一般说来，电能是从其他能量如热能、水的动能、风能、原子能等转换成电能的，即先将这些能量通过热机或水力机转换为机械(动)能，再把机械能转换为电能。这种将机械能转换为电能的机械称为发电机。在电能应用中，很多是应用于动力机械，就是将电能转换为机械(动)能。将电能转换为机械动能的机械称为电动机。 

不管是机械能转换成电能，还是电能转换成机械能，均离不开电磁场，而磁性材料是*好*节能的恒磁场。为了减少电能在长途传送途中的损失，必须将电能的电压提高、电流减小，这就需要把电压升高的升压变压器，或称高压变压器。当电能经高压输送到使用地后，为了使用方便和用电安全，又必须把高压电的电压降低。这就需要把电压降低的降压变压器，或称低压变压器。不论升压变压器或降压变压器都离不开磁的应用。 

1.发电机的应用。发电机是由磁铁系统、在磁性材料上绕有电流线圈的电枢和使电枢转动的转动机械构成的。发电机工作时，转动机械使电枢旋转，电枢上的线圈在磁铁系统产生的磁场中旋转，切割磁场的磁力线时，由于电磁感应作用原理，便会在线圈中产生感应电动势，电流线圈为通路时便会产生电流。这样发电机便开始发电了。 

2.电动机的应用。电动机的构造是同发电机的构造相似的，也是由磁铁系统、在磁性材料上绕有电流线圈的电枢和使电枢转动的转动机械构成的。但电动机工作时，是从外部电源在电枢的电流线圈中通过电流，根据电动机作用原理，电枢便会受磁场作用而转动。 

3.变压器的应用。变压器的构造是在磁性材料制成的磁芯上绕上两组通电流的线圈，称为绕组，其中一组是输入电流，称为输入绕组或称初级绕组；另一组是输出电流，称为输出绕组或称次级绕组。输入电压和电流通过电磁感应使变压器磁芯磁化，磁化的变压器磁芯又通过电磁感应使次级绕组产生输出电压和电流。根据电磁感应原理，输入电压与输出电压之比同输入绕组匝数与输出绕组匝数成正比，而输入电流与输出电流之比则同输入绕组匝数与输出绕组匝数成反比。配电变压器的损耗是*大的问题，目前国外广泛应用非晶配电变压器取代硅钢配电变压器，前者的空载损耗比后者降低70%-80%，这在很大程度上提高了电力分配中的效率并降低了电力分配中的损失，从而节约了大量的发电量。发电量的节约意味着发电燃料的节省，相应的也减小了温室气体的排放量，从而保护了环境。 

抗电磁干扰与环保汽车离不开磁性材料 

现在各种电气设备中广泛采用开关电源，而开关电源导通和关断时产生共模噪声干扰，也称电磁污染。因产生的电磁波对各类电器的干扰，造成环境电磁污染，国外已经把绿色环保提到首位，禁止出售无电磁兼容和抗电磁干扰的电器。 

通常可在电源输入端增加一个磁性电感，消除或抑制外界共模噪声干扰通过电源线进入开关电源，同时也可以防止开关电源内产生的共模噪声干扰进入电网。当今，照明节能领域中广泛使用电子节能灯，其电子镇流的开关功率管和整流管快速变化的高压切换电流和脉冲短路电流会引起噪声干扰。解决这一问题的有效措施是采用磁性非线性电感来抑制整流管反向恢复电流的尖峰，即在整流管回路中串联一个磁性非线性饱和电感。 

现在汽车的发展，加重了电磁环境污染，汽车电子系统越*、越复杂，电磁兼容问题就越突出，可以说汽车是流动的电磁污染源。汽车有数量多达70个由众多的模块和元器件构成的控制单元，在工作时都很容易产生或受到电磁噪声的干扰。汽车有很多噪声源，如刮水器电动机、燃油泵、火花点火线圈、空调启动器、交流发电机线缆连接的间歇切断，以及某些无线电子设备，如手机和寻呼机等。为了确保汽车电子系统的不受相互干扰和抑制产生的电磁干扰，必须采取有效措施，对抗电磁干扰来说，锰锌系高磁导率软磁铁氧体则是*适合的材料。 

近年来，由于环保的要求，电动汽车和混合动力汽车的开发成为新的热点，稀土磁体是电机驱动和发动机驱动系统的核心，当然环保汽车也离不开作为电压变换的软磁材料。 

混合动力汽车(HEV)是由内燃机和电池两种动力驱动的汽车，具有节能、低排放、低噪音等优点，并且保持了传统的由内燃机驱动的汽车续驶里程长的固有特点，因此具有巨大的发展潜力和十分看好的市场前景。如*有代表性的丰田Prius里安装了一台4缸1.5升汽油发动机和一个200V/6.5Ah高压镍氢蓄电池组。 

该电池输出的直流通过一个双向DC-DC转换器升压成*高为500V的直流，驱动直流无刷电动机，进而驱动车轮，该电动机的*大功率可达到50kW；汽油发动机带动发电机产生*高为400V的交流电，既可以整流后通过上述DC-DC转换器驱动电动机，也可以向电池组充电。 

在起步、行车、加速和停车时，由动力控制系统(ECU)自动判断和控制使用何种动力，使汽车的能源消耗和排放指标控制在*佳范围内。另外，由于传统的车载电子系统都采用12V的低压电源，所以HEV还要通过一个DC-DC转换器，把动力蓄电池组200V的高压转换为12V低压电，并储存到低压辅助电池组中，作为HEV的仪表、照明和信号等系统的工作电源。 

为了实现上述复杂的动力转换和传输功能，普力斯电动汽车动力系统内使用了多件功率转换用变压器和扼流圈。为了确保在恶劣的环境下长期可靠运行，并保持高效率，这些变压器和扼流圈的磁芯均采用高性能宽温低损耗功率铁氧体材料制成。 

纯电动汽车(EV)是用高能充电电池作为动力源驱动的汽车，EV电池充电方式分为接触式和感应式两种。前者用电缆直接连接EV和充电站。 

充电站实际上是一个软磁铁氧体组成的AC-DC变换器，把交流市电转变为400伏左右的直流，向EV电池组充电，其优点是构造简单，造价较低，缺点是导线插头裸露不安全，经常拔插会造成磨损，导致接触不良，影响充电的效率和可靠性。 

感应式充电系统克服了接触式的缺点，安全可靠，性能稳定，代表着充电技术的发展方向。在这种充电方式中，充电站端和汽车端各有一个用软磁铁氧体材料制成的大型扁平罐形磁心，其中嵌绕线圈。充电时两线圈靠近构成一个变压器，靠初次级间磁感应耦合将高频交流电能由充电站馈送至电池组。 

今年风电需永磁材料1000吨以上 

风电应用的市场背景在于风电产业在全球乃至于国内所拥有的广阔发展空间，它是清洁、无污染的可再生能源。根据全球风能理事会的报告，2006年全世界新增风电装机容量15197兆瓦，到2020年全世界风能装机容量将达到12.31亿千瓦，年均增速高达20%。 

根据测算，我国陆地可以安装14亿千瓦的风力发电设备，如果考虑海上总资源量，将达到20亿千瓦以上，而截止到2006年年底，我国大陆共建成风电场91个，安装风电机组3311台，总装机容量为2596兆瓦。我国作为一个风力资源丰富的国家，风能开发利用水平不高，中国风能资源储量是印度的30倍，德国的5倍，但目前装机仅为印度的2/5，德国的1/8。 

使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15瓦的灯泡直接用电，经常一明一暗会损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。 

山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约能源而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。如风电组成一个发电群体站，就可以并入电网为城市和厂矿供电，减少热电厂发电的电能和产生的环境污染。 

与磁材料有关的风电技术类型为直驱永磁风电机组。与励磁电机相比，永磁电机特别是稀土永磁电机不仅具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著特点，而且在额定的低转速下输出功率较大，效率较高。我国低风速的三类风区占到全部风资源的50%左右，适合使用永磁电机风电机组。我们预计2008年国内1.5兆瓦级风电机组的装机规模为1000-1500台。而1台1.5兆瓦级风电机需使用的永磁材料约为1吨。由此测算2008年国内由风电应用带动的永磁材料需求量为1000吨-1500吨，如果以350元/公斤的单价计，则对应的销售金额为3.50亿元-5.25亿元。