兆瓦级永磁整充退磁技术迎来突破推进永磁设备向更高性能发展

  近日，华中科技大学宣布，该校国家脉冲强磁场科学中心工程技术团队成功实现转子的整体充磁，成为全世界首个能对兆瓦级永磁风力发电机全系列机型整体充退磁的技术团队。

  这一技术实现了永磁磁极先安装再充磁，促进了永磁电气装备的高效、高性能制造，也推动了我国风电绿色制造实现里程碑式高质量发展。

  永磁风力发电机是目前用于风力发电的主力机型，众所周知，永磁磁极是永磁发电机的核心部件。永磁磁极在烧结出来以后，具备了保存磁性的能力，但是烧结过程本身是不可能会产生磁性的。那么整个永磁设备想要正常工作，就需要对磁极进行充磁操作。

  对于小功率的永磁磁极来说，这一过程并不复杂，通过将电源直接连接到永磁体两端的方法就能够实现充磁。而大型永磁设备的磁极，尤其是兆瓦级别的永磁设备，其磁极是由很多磁钢组成的，所需的磁场强度非常大，需要用专用的永磁充磁设备来完成充磁操作。

  传统的制造方案，是先对磁钢进行充磁，然后再将磁钢组装在一起。磁钢充磁后带有强磁性，每块磁钢相互间存在巨大的排斥力，这就导致磁极组装难度极大，而且装配精度难以控制的问题，装配精度低就没办法保证磁场强度和方向的准确性和稳定能力。此外，充磁后的组装安全风险较大，容易引发电击等事故。

  对此，基于国家脉冲强磁场科学中心技术积累，华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心李亮教授团队在国际上率先提出大型永磁电机“无磁装配整体充磁”方法。经过多年的科研攻关，该团队于2021年6月研制出中国首台大型永磁电机整体充磁装备，完成2.5兆瓦直驱永磁风力发电机转子的整体充磁。

  不久前，团队在中车永济电机有限公司实现了20MW全球最大单机功率风力发电机转子的整体充磁，一个小时就能够实现20MW单机功率风力发电机转子充磁。

  直观来看，单片磁钢充磁后再组装的路线一致性难以控制，而且需要检测的数量太多，组装繁琐且不安全。整体充磁在前序操作上都是无磁进行，简单方便，整体充磁的一致性更有保障，既提高效率又改善了品质，还能降低成本。

  不仅是充磁，整体退磁技术同样带来了更高效的效益。传统退磁需要将数百吨转子加热到300℃以上，并长时间保持高温。这种退磁技术消耗的能耗非常大，而且磁极的报废率也很高，会达到40%左右。华科大团队新的退磁技术不仅使能耗一下子就下降，退磁时间也大幅度缩短，磁极的报废率下降至1%。

  这项突破性的进展可以说在高性能永磁电机发展里是里程碑式的，华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心团队也是目前全球唯一能对兆瓦级永磁风力发电机全系列机型整体充退磁的技术团队。

  充磁技术的原理虽然简单粗暴，是通过电流产生一个强大到饱和的磁场，磁化永磁体后永磁体保留下剩磁场，但是想要实现大功率的稀土永磁材料的充磁却远没这么简单。

  从磁材料角度来分析，金属永磁合金是第一代永磁材料，到以氧化铁为主要的组成原材料的第二代永磁体。到稀土永磁材料，目前主要的稀土材料已经从钐钴永磁发展到烧结钕铁硼。烧结钕铁硼是现在最热门的稀土永磁材料，不管是磁性能、矫顽力还是磁能积。都有着远超其他材料的性能，在各类永磁电机中有着旺盛的需求。

  以氧化铁为主要的组成原材料的第二代永磁体的磁场相对较弱，充磁机能够相对容易地通过电机外壳、定子对转子表面的磁体充磁。但即便如此，整体充磁技术仍然不好控制永磁体充磁磁场分布，定子、转子磁路多少都会对充磁磁场有影响。

  而稀土永磁矫顽力更大，所需的充磁磁场更强，而且还是针对大功率永磁发电电气设备的充磁，涉及各种极端条件、严苛的工业标准及高频运转需求，充磁技术难度要求直线上升。而且如何确保充磁设备的磁场能够穿透整个转子，使得每个磁钢都能够受到充分的磁化也是难题。

  在华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心团队攻克的项目中，永磁发电机采用高功率半直驱机型，相比传统直驱机型，磁极体积和极面曲率更大，充磁难度又提高了一档。

  华科大团队创新地使用主辅两级线圈方案及多维加固技术，饱和充磁的线圈能耗、应力水平和温升都做到了更低。一个小时就可以完成20MW单机功率风力发电机转子充磁，而且还是100%的有效充磁。

  这项大功率整体充退磁技术的突破表明了我国在大型永磁风力发电机高性能制造上处于国际领先水平。虽然目前华科大团队的大功率充退磁一体化装备都应用在永磁风力发电上，但它对所有永磁电气设备都有着深远的影响。

  永磁电气部件在很多重要设备上都有应用，电动汽车、高铁驱动电机、磁悬浮列车、永磁核磁共振成像仪、飞轮储能电机等设备上都需要高性能的永磁部件。

  电动汽车的续航能力就和高性能的永磁电机密切相关，充磁不充分的磁材料磁强度更弱，这在某种程度上预示着电机需要额外消耗大量能量维持磁场强度，这势必会大幅度减少续航能力。

  磁悬浮列车同样一定要通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。悬浮系统是利用了磁铁同性相斥异性相吸的原理，毫无疑问这需要永磁材料在充磁中保证强大的磁强度。推进系统则是通过永磁同步牵引电机来使得列车保持运动，和电动汽车永磁电机同理。而且，这些大型设备对永磁电机的震动和噪声要求都非常高，十分看重电机转子的动平衡精度。

  传统充磁技术不可避免地会影响平衡精度，华科大团队的大功率充退磁技术完美解决了永磁材料充磁的难题，无疑将带动我国永磁电机向更高性能水平发展。

  大功率充退磁技术的突破进一步打开了永磁电机的大容量高性能上限，不仅给高性能高品质永磁电机的设计提供了更多可能，对已有永磁电机的退磁绿色再制造也将起到关键作用，对整个永磁电机行业意义非凡。

  目前，该技术已在国内多家大型电机公司成功应用，随技术的进一步推进，高铁、磁悬浮列车、船舶驱动电机、航空航天高速电机等高端应用领域也有望使用该技术来提升设备的整体性能。