磁性材料：節(jié)能減排大顯身手 （1） 
   作者：陳琳 陳國華

    能源是人類社會活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是推動社會發(fā)展的基本條件之一。當(dāng)今世界面臨的人口增加、耕地減少、環(huán)境污染等問題，引起了各國的極大關(guān)注。保護人類賴以生存的自然環(huán)境和資源是全世界都共同關(guān)心的課題。然而目前的環(huán)境問題大都是由對能源資源的利用所引起的，所以合理開發(fā)利用自然資源，大力發(fā)展可再生的新能源和節(jié)能新技術(shù)刻不容緩。磁性材料在環(huán)境保護及節(jié)能減排中發(fā)揮著重要作用。

    磁性材料是電能應(yīng)用最好最節(jié)能的恒磁場

    今天，我們生活在電氣化時代。但是電能是如何得到的？一般說來，電能是從其他能量如熱能、水的動能、風(fēng)能、原子能等轉(zhuǎn)換成電能的，即先將這些能量通過熱機或水力機轉(zhuǎn)換為機械(動)能，再把機械能轉(zhuǎn)換為電能。這種將機械能轉(zhuǎn)換為電能的機械稱為發(fā)電機。在電能應(yīng)用中，很多是應(yīng)用于動力機械，就是將電能轉(zhuǎn)換為機械(動)能。將電能轉(zhuǎn)換為機械動能的機械稱為電動機。

    不管是機械能轉(zhuǎn)換成電能，還是電能轉(zhuǎn)換成機械能，均離不開電磁場，而磁性材料是最好最節(jié)能的恒磁場。為了減少電能在長途傳送途中的損失，必須將電能的電壓提高、電流減小，這就需要把電壓升高的升壓變壓器，或稱高壓變壓器。當(dāng)電能經(jīng)高壓輸送到使用地后，為了使用方便和用電安全，又必須把高壓電的電壓降低。這就需要把電壓降低的降壓變壓器，或稱低壓變壓器。不論升壓變壓器或降壓變壓器都離不開磁的應(yīng)用。

    1.發(fā)電機的應(yīng)用。發(fā)電機是由磁鐵系統(tǒng)、在磁性材料上繞有電流線圈的電樞和使電樞轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動機械構(gòu)成的。發(fā)電機工作時，轉(zhuǎn)動機械使電樞旋轉(zhuǎn)，電樞上的線圈在磁鐵系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場中旋轉(zhuǎn)，切割磁場的磁力線時，由于電磁感應(yīng)作用原理，便會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電流線圈為通路時便會產(chǎn)生電流。這樣發(fā)電機便開始發(fā)電了。

    2.電動機的應(yīng)用。電動機的構(gòu)造是同發(fā)電機的構(gòu)造相似的，也是由磁鐵系統(tǒng)、在磁性材料上繞有電流線圈的電樞和使電樞轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動機械構(gòu)成的。但電動機工作時，是從外部電源在電樞的電流線圈中通過電流，根據(jù)電動機作用原理，電樞便會受磁場作用而轉(zhuǎn)動。

    3.變壓器的應(yīng)用。變壓器的構(gòu)造是在磁性材料制成的磁芯上繞上兩組通電流的線圈，稱為繞組，其中一組是輸入電流，稱為輸入繞組或稱初級繞組；另一組是輸出電流，稱為輸出繞組或稱次級繞組。輸入電壓和電流通過電磁感應(yīng)使變壓器磁芯磁化，磁化的變壓器磁芯又通過電磁感應(yīng)使次級繞組產(chǎn)生輸出電壓和電流。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，輸入電壓與輸出電壓之比同輸入繞組匝數(shù)與輸出繞組匝數(shù)成正比，而輸入電流與輸出電流之比則同輸入繞組匝數(shù)與輸出繞組匝數(shù)成反比。配電變壓器的損耗是最大的問題，目前國外廣泛應(yīng)用非晶配電變壓器取代硅鋼配電變壓器，前者的空載損耗比后者降低70%-80%，這在很大程度上提高了電力分配中的效率并降低了電力分配中的損失，從而節(jié)約了大量的發(fā)電量。發(fā)電量的節(jié)約意味著發(fā)電燃料的節(jié)省，相應(yīng)的也減小了溫室氣體的排放量，從而保護了環(huán)境。

    2 抗電磁干擾與環(huán)保汽車離不開磁性材料

    現(xiàn)在各種電氣設(shè)備中廣泛采用開關(guān)電源，而開關(guān)電源導(dǎo)通和關(guān)斷時產(chǎn)生共模噪聲干擾，也稱電磁污染。因產(chǎn)生的電磁波對各類電器的干擾，造成環(huán)境電磁污染，國外已經(jīng)把綠色環(huán)保提到首位，禁止出售無電磁兼容和抗電磁干擾的電器。

    通�？稍陔娫摧斎攵嗽黾右粋�磁性電感，消除或抑制外界共模噪聲干擾通過電源線進入開關(guān)電源，同時也可以防止開關(guān)電源內(nèi)產(chǎn)生的共模噪聲干擾進入電網(wǎng)。當(dāng)今，照明節(jié)能領(lǐng)域中廣泛使用電子節(jié)能燈，其電子鎮(zhèn)流的開關(guān)功率管和整流管快速變化的高壓切換電流和脈沖短路電流會引起噪聲干擾。解決這一問題的有效措施是采用磁性非線性電感來抑制整流管反向恢復(fù)電流的尖峰，即在整流管回路中串聯(lián)一個磁性非線性飽和電感。

    現(xiàn)在汽車的發(fā)展，加重了電磁環(huán)境污染，汽車電子系統(tǒng)越高級、越復(fù)雜，電磁兼容問題就越突出，可以說汽車是流動的電磁污染源。汽車有數(shù)量多達70個由眾多的模塊和元器件構(gòu)成的控制單元，在工作時都很容易產(chǎn)生或受到電磁噪聲的干擾。汽車有很多噪聲源，如刮水器電動機、燃油泵、火花點火線圈、空調(diào)啟動器、交流發(fā)電機線纜連接的間歇切斷，以及某些無線電子設(shè)備，如手機和尋呼機等。為了確保汽車電子系統(tǒng)的不受相互干擾和抑制產(chǎn)生的電磁干擾，必須采取有效措施，對抗電磁干擾來說，錳鋅系高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體則是最適合的材料。

    近年來，由于環(huán)保的要求，電動汽車和混合動力汽車的開發(fā)成為新的熱點，稀土磁體是電機驅(qū)動和發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)的核心，當(dāng)然環(huán)保汽車也離不開作為電壓變換的軟磁材料。

    混合動力汽車(HEV)是由內(nèi)燃機和電池兩種動力驅(qū)動的汽車，具有節(jié)能、低排放、低噪音等優(yōu)點，并且保持了傳統(tǒng)的由內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車續(xù)駛里程長的固有特點，因此具有巨大的發(fā)展?jié)摿�和十分看好的市場前景。如最有代表性的豐田Prius里安裝了一臺4缸1.5升汽油發(fā)動機和一個200V/6.5Ah高壓鎳氫蓄電池組。

    該電池輸出的直流通過一個雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器升壓成最高為500V的直流，驅(qū)動直流無刷電動機，進而驅(qū)動車輪，該電動機的最大功率可達到50kW；汽油發(fā)動機帶動發(fā)電機產(chǎn)生最高為400V的交流電，既可以整流后通過上述DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電動機，也可以向電池組充電。

    在起步、行車、加速和停車時，由動力控制系統(tǒng)(ECU)自動判斷和控制使用何種動力，使汽車的能源消耗和排放指標(biāo)控制在最佳范圍內(nèi)。另外，由于傳統(tǒng)的車載電子系統(tǒng)都采用12V的低壓電源，所以HEV還要通過一個DC-DC轉(zhuǎn)換器，把動力蓄電池組200V的高壓轉(zhuǎn)換為12V低壓電，并儲存到低壓輔助電池組中，作為HEV的儀表、照明和信號等系統(tǒng)的工作電源。

    為了實現(xiàn)上述復(fù)雜的動力轉(zhuǎn)換和傳輸功能，普力斯電動汽車動力系統(tǒng)內(nèi)使用了多件功率轉(zhuǎn)換用變壓器和扼流圈。為了確保在惡劣的環(huán)境下長期可靠運行，并保持高效率，這些變壓器和扼流圈的磁芯均采用高性能寬溫低損耗功率鐵氧體材料制成。

    純電動汽車(EV)是用高能充電電池作為動力源驅(qū)動的汽車，EV電池充電方式分為接觸式和感應(yīng)式兩種。前者用電纜直接連接EV和充電站。

    充電站實際上是一個軟磁鐵氧體組成的AC-DC變換器，把交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)?00伏左右的直流，向EV電池組充電，其優(yōu)點是構(gòu)造簡單，造價較低，缺點是導(dǎo)線插頭裸露不安全，經(jīng)常拔插會造成磨損，導(dǎo)致接觸不良，影響充電的效率和可靠性。

    感應(yīng)式充電系統(tǒng)克服了接觸式的缺點，安全可靠，性能穩(wěn)定，代表著充電技術(shù)的發(fā)展方向。在這種充電方式中，充電站端和汽車端各有一個用軟磁鐵氧體材料制成的大型扁平罐形磁心，其中嵌繞線圈。充電時兩線圈靠近構(gòu)成一個變壓器，靠初次級間磁感應(yīng)耦合將高頻交流電能由充電站饋送至電池組。

    3 今年風(fēng)電需永磁材料1000噸以上

    風(fēng)電應(yīng)用的市場背景在于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在全球乃至于國內(nèi)所擁有的廣闊發(fā)展空間，它是清潔、無污染的可再生能源。根據(jù)全球風(fēng)能理事會的報告，2006年全世界新增風(fēng)電裝機容量15197兆瓦，到2020年全世界風(fēng)能裝機容量將達到12.31億千瓦，年均增速高達20%。

    根據(jù)測算，我國陸地可以安裝14億千瓦的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，如果考慮海上總資源量，將達到20億千瓦以上，而截止到2006年年底，我國大陸共建成風(fēng)電場91個，安裝風(fēng)電機組3311臺，總裝機容量為2596兆瓦。我國作為一個風(fēng)力資源豐富的國家，風(fēng)能開發(fā)利用水平不高，中國風(fēng)能資源儲量是印度的30倍，德國的5倍，但目前裝機僅為印度的2/5，德國的1/8。

    使用風(fēng)力發(fā)電機，就是源源不斷地把風(fēng)能變成我們家庭使用的標(biāo)準市電，其節(jié)約的程度是明顯的。而現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機比幾年前的性能有很大改進，以前只是在少數(shù)邊遠地區(qū)使用，風(fēng)力發(fā)電機接一個15瓦的燈泡直接用電，經(jīng)常一明一暗會損壞燈泡。而現(xiàn)在由于技術(shù)進步，采用先進的充電器、逆變器，風(fēng)力發(fā)電成為有一定科技含量的小系統(tǒng)，并能在一定條件下代替正常的市電。

    山區(qū)可以借此系統(tǒng)做一個常年不花錢的路燈；高速公路可用它做夜晚的路標(biāo)燈；山區(qū)的孩子可以在日光燈下晚自習(xí)；城市小高層樓頂也可用風(fēng)力電機，這不但節(jié)約能源而且是真正綠色電源。家庭用風(fēng)力發(fā)電機，不但可以防止停電，而且還能增加生活情趣。在旅游景區(qū)、邊防、學(xué)校、部隊乃至落后的山區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機正在成為人們的采購熱點。無線電愛好者可用自己的技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電方面為山區(qū)人民服務(wù)，使人們看電視及照明用電與城市同步，也能使自己勞動致富。如風(fēng)電組成一個發(fā)電群體站，就可以并入電網(wǎng)為城市和廠礦供電，減少熱電廠發(fā)電的電能和產(chǎn)生的環(huán)境污染。

    與磁材料有關(guān)的風(fēng)電技術(shù)類型為直驅(qū)永磁風(fēng)電機組。與勵磁電機相比，永磁電機特別是稀土永磁電機不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著特點，而且在額定的低轉(zhuǎn)速下輸出功率較大，效率較高。我國低風(fēng)速的三類風(fēng)區(qū)占到全部風(fēng)資源的50%左右，適合使用永磁電機風(fēng)電機組。我們預(yù)計2008年國內(nèi)1.5兆瓦級風(fēng)電機組的裝機規(guī)模為1000-1500臺。而1臺1.5兆瓦級風(fēng)電機需使用的永磁材料約為1噸。由此測算2008年國內(nèi)由風(fēng)電應(yīng)用帶動的永磁材料需求量為1000噸-1500噸，如果以350元/公斤的單價計，則對應(yīng)的銷售金額為3.50億元-5.25億元。