能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是推動(dòng)社會(huì)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(wèn)題，引起了各國(guó)的極大關(guān)注。保護(hù)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(wèn)題大都是由對(duì)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(hù)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*好*節(jié)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(zhuǎn)換成電能的，即先將這些能量通過(guò)熱機(jī)或水力機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械(動(dòng))能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)械稱為發(fā)電機(jī)。在電能應(yīng)用中，很多是應(yīng)用于動(dòng)力機(jī)械，就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械(動(dòng))能。將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能的機(jī)械稱為電動(dòng)機(jī)。
不管是機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，還是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，均離不開電磁場(chǎng)，而磁性材料是*好*節(jié)能的恒磁場(chǎng)。為了減少電能在長(zhǎng)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(jī)的應(yīng)用。發(fā)電機(jī)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(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械構(gòu)成的。發(fā)電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)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(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，切割磁場(chǎng)的磁力線時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用原理，便會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電流線圈為通路時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電流。這樣發(fā)電機(jī)便開始發(fā)電了。
2.電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造是同發(fā)電機(jī)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(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械構(gòu)成的。但電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，是從外部電源在電樞的電流線圈中通過(guò)電流，根據(jù)電動(dòng)機(jī)作用原理，電樞便會(huì)受磁場(chǎng)作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。
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(jí)繞組；另一組是輸出電流，稱為輸出繞組或稱次級(jí)繞組。輸入電壓和電流通過(guò)電磁感應(yīng)使變壓器磁芯磁化，磁化的變壓器磁芯又通過(guò)電磁感應(yīng)使次級(jí)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*大的問(wèn)題，目前國(guó)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(hù)了環(huán)境。
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(shí)產(chǎn)生共模噪聲干擾，也稱電磁污染。因產(chǎn)生的電磁波對(duì)各類電器的干擾，造成環(huán)境電磁污染，國(guó)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。
通常可在電源輸入端增加一個(gè)磁性電感，消除或抑制外界共模噪聲干擾通過(guò)電源線進(jìn)入開關(guān)電源，同時(shí)也可以防止開關(guān)電源內(nèi)產(chǎn)生的共模噪聲干擾進(jìn)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(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性電感來(lái)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(gè)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*、越復(fù)雜，電磁兼容問(wèn)題就越突出，可以說(shuō)汽車是流動(dòng)的電磁污染源。汽車有數(shù)量多達(dá)70個(gè)由眾多的模塊和元器件構(gòu)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。汽車有很多噪聲源，如刮水器電動(dòng)機(jī)、燃油泵、火花點(diǎn)火線圈、空調(diào)啟動(dòng)器、交流發(fā)電機(jī)線纜連接的間歇切斷，以及某些無(wú)線電子設(shè)備，如手機(jī)和尋呼機(jī)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(duì)抗電磁干擾來(lái)說(shuō)，錳鋅系高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體則是*適合的材料。
近年來(lái)，由于環(huán)保的要求，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的開發(fā)成為新的熱點(diǎn)，稀土磁體是電機(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力汽車(HEV)是由內(nèi)燃機(jī)和電池兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的汽車，具有節(jié)能、低排放、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，并且保持了傳統(tǒng)的由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車?yán)m(xù)駛里程長(zhǎng)的固有特點(diǎn)，因此具有巨大的發(fā)展?jié)摿褪挚春玫氖袌?chǎng)前景。如*有代表性的豐田Prius里安裝了一臺(tái)4缸1.5升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)換器升壓成*高為500V的直流，驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輪，該電動(dòng)機(jī)的*大功率可達(dá)到50kW；汽油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生*高為400V的交流電，既可以整流后通過(guò)上述DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可以向電池組充電。
在起步、行車、加速和停車時(shí)，由動(dòng)力控制系統(tǒng)(ECU)自動(dòng)判斷和控制使用何種動(dòng)力，使汽車的能源消耗和排放指標(biāo)控制在*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(guò)一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，把動(dòng)力蓄電池組200V的高壓轉(zhuǎn)換為12V低壓電，并儲(chǔ)存到低壓輔助電池組中，作為HEV的儀表、照明和信號(hào)等系統(tǒng)的工作電源。
為了實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜的動(dòng)力轉(zhuǎn)換和傳輸功能，普力斯電動(dòng)汽車動(dòng)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(zhǎng)期可靠運(yùn)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(EV)是用高能充電電池作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)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(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(zhuǎn)變?yōu)?00伏左右的直流，向EV電池組充電，其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，缺點(diǎn)是導(dǎo)線插頭裸露不安全，經(jīng)常拔插會(huì)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(diǎn)，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(gè)用軟磁鐵氧體材料制成的大型扁平罐形磁心，其中嵌繞線圈。充電時(shí)兩線圈靠近構(gòu)成一個(gè)變壓器，靠初次級(jí)間磁感應(yīng)耦合將高頻交流電能由充電站饋送至電池組。
今年風(fēng)電需永磁材料1000噸以上
風(fēng)電應(yīng)用的市場(chǎng)背景在于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在全球乃至于國(guó)內(nèi)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(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)的報(bào)告，2006年全世界新增風(fēng)電裝機(jī)容量15197兆瓦，到2020年全世界風(fēng)能裝機(jī)容量將達(dá)到12.31億千瓦，年均增速高達(dá)20%。
根據(jù)測(cè)算，我國(guó)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(dá)到20億千瓦以上，而截止到2006年年底，我國(guó)大陸共建成風(fēng)電場(chǎng)91個(gè)，安裝風(fēng)電機(jī)組3311臺(tái)，總裝機(jī)容量為2596兆瓦。我國(guó)作為一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國(guó)家，風(fēng)能開發(fā)利用水平不高，中國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量是印度的30倍，德國(guó)的5倍，但目前裝機(jī)僅為印度的2/5，德國(guó)的1/8。
使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，就是源源不斷地把風(fēng)能變成我們家庭使用的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)比幾年前的性能有很大改進(jìn)，以前只是在少數(shù)邊遠(yuǎn)地區(qū)使用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(xiàn)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(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(gè)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(jī)，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(jī)，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(duì)乃至落后的山區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在成為人們的采購(gòu)熱點(diǎn)。無(wú)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(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(jī)組。與勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)特別是稀土永磁電機(jī)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機(jī)形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著特點(diǎn)，而且在額定的低轉(zhuǎn)速下輸出功率較大，效率較高。我國(guó)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(jī)風(fēng)電機(jī)組。我們預(yù)計(jì)2008年國(guó)內(nèi)1.5兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)規(guī)模為1000-1500臺(tái)。而1臺(tái)1.5兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)需使用的永磁材料約為1噸。由此測(cè)算2008年國(guó)內(nèi)由風(fēng)電應(yīng)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(jì)，則對(duì)應(yīng)的銷售金額為3.50億元-5.25億元。
