磁性材料：節能減排大顯身手 （1） 
   作者：陳琳 陳國華

    能源是人類(lèi)社會(huì )活動(dòng)的物質(zhì)基礎，也是推動(dòng)社會(huì )發(fā)展的基本條件之一。當今世界面臨的人口增加、耕地減少、環(huán)境污染等問(wèn)題，引起了各國的極大關(guān)注。保護人類(lèi)賴(lài)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(wèn)題大都是由對能源資源的利用所引起的，所以合理開(kāi)發(fā)利用自然資源，大力發(fā)展可再生的新能源和節能新技術(shù)刻不容緩。磁性材料在環(huán)境保護及節能減排中發(fā)揮著(zhù)重要作用。

    磁性材料是電能應用最好最節能的恒磁場(chǎng)

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

    不管是機械能轉換成電能，還是電能轉換成機械能，均離不開(kāi)電磁場(chǎng)，而磁性材料是最好最節能的恒磁場(chǎng)。為了減少電能在長(cháng)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(chēng)高壓變壓器。當電能經(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(chēng)低壓變壓器。不論升壓變壓器或降壓變壓器都離不開(kāi)磁的應用。

    1.發(fā)電機的應用。發(fā)電機是由磁鐵系統、在磁性材料上繞有電流線(xiàn)圈的電樞和使電樞轉動(dòng)的轉動(dòng)機械構成的。發(fā)電機工作時(shí)，轉動(dòng)機械使電樞旋轉，電樞上的線(xiàn)圈在磁鐵系統產(chǎn)生的磁場(chǎng)中旋轉，切割磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)時(shí)，由于電磁感應作用原理，便會(huì )在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，電流線(xiàn)圈為通路時(shí)便會(huì )產(chǎn)生電流。這樣發(fā)電機便開(kāi)始發(fā)電了。

    2.電動(dòng)機的應用。電動(dòng)機的構造是同發(fā)電機的構造相似的，也是由磁鐵系統、在磁性材料上繞有電流線(xiàn)圈的電樞和使電樞轉動(dòng)的轉動(dòng)機械構成的。但電動(dòng)機工作時(shí)，是從外部電源在電樞的電流線(xiàn)圈中通過(guò)電流，根據電動(dòng)機作用原理，電樞便會(huì )受磁場(chǎng)作用而轉動(dòng)。

    3.變壓器的應用。變壓器的構造是在磁性材料制成的磁芯上繞上兩組通電流的線(xiàn)圈，稱(chēng)為繞組，其中一組是輸入電流，稱(chēng)為輸入繞組或稱(chēng)初級繞組；另一組是輸出電流，稱(chēng)為輸出繞組或稱(chēng)次級繞組。輸入電壓和電流通過(guò)電磁感應使變壓器磁芯磁化，磁化的變壓器磁芯又通過(guò)電磁感應使次級繞組產(chǎn)生輸出電壓和電流。根據電磁感應原理，輸入電壓與輸出電壓之比同輸入繞組匝數與輸出繞組匝數成正比，而輸入電流與輸出電流之比則同輸入繞組匝數與輸出繞組匝數成反比。配電變壓器的損耗是最大的問(wèn)題，目前國外廣泛應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，從而節約了大量的發(fā)電量。發(fā)電量的節約意味著(zhù)發(fā)電燃料的節省，相應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(chē)離不開(kāi)磁性材料

    現在各種電氣設備中廣泛采用開(kāi)關(guān)電源，而開(kāi)關(guān)電源導通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生共模噪聲干擾，也稱(chēng)電磁污染。因產(chǎn)生的電磁波對各類(lèi)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(wú)電磁兼容和抗電磁干擾的電器。

    通�？稍陔娫摧斎攵嗽黾右粋�(gè)磁性電感，消除或抑制外界共模噪聲干擾通過(guò)電源線(xiàn)進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源，同時(shí)也可以防止開(kāi)關(guān)電源內產(chǎn)生的共模噪聲干擾進(jìn)入電網(wǎng)。當今，照明節能領(lǐng)域中廣泛使用電子節能燈，其電子鎮流的開(kāi)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(huì )引起噪聲干擾。解決這一問(wèn)題的有效措施是采用磁性非線(xiàn)性電感來(lái)抑制整流管反向恢復電流的尖峰，即在整流管回路中串聯(lián)一個(gè)磁性非線(xiàn)性飽和電感。

    現在汽車(chē)的發(fā)展，加重了電磁環(huán)境污染，汽車(chē)電子系統越高級、越復雜，電磁兼容問(wèn)題就越突出，可以說(shuō)汽車(chē)是流動(dòng)的電磁污染源。汽車(chē)有數量多達70個(gè)由眾多的模塊和元器件構成的控制單元，在工作時(shí)都很容易產(chǎn)生或受到電磁噪聲的干擾。汽車(chē)有很多噪聲源，如刮水器電動(dòng)機、燃油泵、火花點(diǎn)火線(xiàn)圈、空調啟動(dòng)器、交流發(fā)電機線(xiàn)纜連接的間歇切斷，以及某些無(wú)線(xiàn)電子設備，如手機和尋呼機等。為了確保汽車(chē)電子系統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(lái)說(shuō)，錳鋅系高磁導率軟磁鐵氧體則是最適合的材料。

    近年來(lái)，由于環(huán)保的要求，電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的開(kāi)發(fā)成為新的熱點(diǎn)，稀土磁體是電機驅動(dòng)和發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)系統的核心，當然環(huán)保汽車(chē)也離不開(kāi)作為電壓變換的軟磁材料。

    混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)是由內燃機和電池兩種動(dòng)力驅動(dòng)的汽車(chē)，具有節能、低排放、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，并且保持了傳統的由內燃機驅動(dòng)的汽車(chē)續駛里程長(cháng)的固有特點(diǎn)，因此具有巨大的發(fā)展潛力和十分看好的市場(chǎng)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(dòng)機和一個(gè)200V/6.5Ah高壓鎳氫蓄電池組。

    該電池輸出的直流通過(guò)一個(gè)雙向DC-DC轉換器升壓成最高為500V的直流，驅動(dòng)直流無(wú)刷電動(dòng)機，進(jìn)而驅動(dòng)車(chē)輪，該電動(dòng)機的最大功率可達到50kW；汽油發(fā)動(dòng)機帶動(dòng)發(fā)電機產(chǎn)生最高為400V的交流電，既可以整流后通過(guò)上述DC-DC轉換器驅動(dòng)電動(dòng)機，也可以向電池組充電。

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

    為了實(shí)現上述復雜的動(dòng)力轉換和傳輸功能，普力斯電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統內使用了多件功率轉換用變壓器和扼流圈。為了確保在惡劣的環(huán)境下長(cháng)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(dòng)汽車(chē)(EV)是用高能充電電池作為動(dòng)力源驅動(dòng)的汽車(chē)，EV電池充電方式分為接觸式和感應式兩種。前者用電纜直接連接EV和充電站。

    充電站實(shí)際上是一個(gè)軟磁鐵氧體組成的AC-DC變換器，把交流市電轉變?yōu)?00伏左右的直流，向EV電池組充電，其優(yōu)點(diǎn)是構造簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，缺點(diǎn)是導線(xiàn)插頭裸露不安全，經(jīng)常拔插會(huì )造成磨損，導致接觸不良，影響充電的效率和可靠性。

    感應式充電系統克服了接觸式的缺點(diǎn)，安全可靠，性能穩定，代表著(zhù)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(chē)端各有一個(gè)用軟磁鐵氧體材料制成的大型扁平罐形磁心，其中嵌繞線(xiàn)圈。充電時(shí)兩線(xiàn)圈靠近構成一個(gè)變壓器，靠初次級間磁感應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)電應用的市場(chǎng)背景在于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在全球乃至于國內所擁有的廣闊發(fā)展空間，它是清潔、無(wú)污染的可再生能源。根據全球風(fēng)能理事會(huì )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%。

    根據測算，我國陸地可以安裝14億千瓦的風(fēng)力發(fā)電設備，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(chǎng)91個(gè)，安裝風(fēng)電機組3311臺，總裝機容量為2596兆瓦。我國作為一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國家，風(fēng)能開(kāi)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準市電，其節約的程度是明顯的。而現在的風(fēng)力發(fā)電機比幾年前的性能有很大改進(jìn)，以前只是在少數邊遠地區使用，風(fēng)力發(fā)電機接一個(gè)15瓦的燈泡直接用電，經(jīng)常一明一暗會(huì )損壞燈泡。而現在由于技術(shù)進(jìn)步，采用先進(jìn)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，并能在一定條件下代替正常的市電。

    山區可以借此系統做一個(gè)常年不花錢(qián)的路燈；高速公路可用它做夜晚的路標燈；山區的孩子可以在日光燈下晚自習；城市小高層樓頂也可用風(fēng)力電機，這不但節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、邊防、學(xué)校、部隊乃至落后的山區，風(fēng)力發(fā)電機正在成為人們的采購熱點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者可用自己的技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電方面為山區人民服務(wù)，使人們看電視及照明用電與城市同步，也能使自己勞動(dòng)致富。如風(fēng)電組成一個(gè)發(fā)電群體站，就可以并入電網(wǎng)為城市和廠(chǎng)礦供電，減少熱電廠(chǎng)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(lèi)型為直驅永磁風(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構簡(jiǎn)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(zhù)特點(diǎn)，而且在額定的低轉速下輸出功率較大，效率較高。我國低風(fēng)速的三類(lèi)風(fēng)區占到全部風(fēng)資源的50%左右，適合使用永磁電機風(fēng)電機組。我們預計2008年國內1.5兆瓦級風(fēng)電機組的裝機規模為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年國內由風(fēng)電應用帶動(dòng)的永磁材料需求量為1000噸-1500噸，如果以350元/公斤的單價(jià)計，則對應的銷(xiāo)售金額為3.50億元-5.25億元。