近日，華中科技大學(xué)宣布，該校國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)20MW全球最大單機(jī)功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的整體充磁，成為全球首個(gè)能對兆瓦級永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)全系列機(jī)型整體充退磁的技術(shù)團(tuán)隊(duì)。

這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了永磁磁極先安裝再充磁，促進(jìn)了永磁電氣裝備的高效、高性能制造，也推動了我國風(fēng)電綠色制造實(shí)現(xiàn)里程碑式高質(zhì)量發(fā)展。

全球唯一！兆瓦級大型永磁設(shè)備整體充退磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前用于風(fēng)力發(fā)電的主力機(jī)型，眾所周知，永磁磁極是永磁發(fā)電機(jī)的核心部件。永磁磁極在燒結(jié)出來以后，具備了保存磁性的能力，但是燒結(jié)過程本身是不可能產(chǎn)生磁性的。那么整個(gè)永磁設(shè)備想要正常工作，就需要對磁極進(jìn)行充磁操作。

對于小功率的永磁磁極來說，這一過程并不復(fù)雜，通過將電源直接連接到永磁體兩端的方法就可以完成充磁。而大型永磁設(shè)備的磁極，尤其是兆瓦級別的永磁設(shè)備，其磁極是由很多磁鋼組成的，所需的磁場強(qiáng)度非常大，需要使用專用的永磁充磁設(shè)備來完成充磁操作。

傳統(tǒng)的制造方案，是先對磁鋼進(jìn)行充磁，然后再將磁鋼組裝在一起。磁鋼充磁后帶有強(qiáng)磁性，每塊磁鋼相互間存在巨大的排斥力，這就導(dǎo)致磁極組裝難度極大，而且裝配精度難以控制的問題，裝配精度低就無法保證磁場強(qiáng)度和方向的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外，充磁后的組裝安全風(fēng)險(xiǎn)較大，容易引發(fā)電擊等事故。

對此，基于國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心技術(shù)積累，華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心李亮教授團(tuán)隊(duì)在國際上率先提出大型永磁電機(jī)“無磁裝配—整體充磁”方法。經(jīng)過多年的科研攻關(guān)，該團(tuán)隊(duì)于2021年6月研制出中國首臺大型永磁電機(jī)整體充磁裝備，完成2.5兆瓦直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的整體充磁。

不久前，團(tuán)隊(duì)在中車永濟(jì)電機(jī)有限公司實(shí)現(xiàn)了20MW全球最大單機(jī)功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的整體充磁，一個(gè)小時(shí)就可以完成20MW單機(jī)功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子充磁。
直觀來看，單片磁鋼充磁后再組裝的路線一致性難以控制，而且需要檢測的數(shù)量太多，組裝繁瑣且不安全。整體充磁在前序操作上都是無磁進(jìn)行，簡單方便，整體充磁的一致性更有保障，既提高效率又改善了品質(zhì)，還能降低成本。

不僅是充磁，整體退磁技術(shù)同樣帶來了更高效的效益。傳統(tǒng)退磁需要將數(shù)百噸轉(zhuǎn)子加熱到300℃以上，并長時(shí)間保持高溫。這種退磁技術(shù)消耗的能耗非常大，而且磁極的報(bào)廢率也很高，會達(dá)到40%左右。華科大團(tuán)隊(duì)新的退磁技術(shù)不僅使能耗大幅下降，退磁時(shí)間也大幅縮短，磁極的報(bào)廢率下降至1%。

這項(xiàng)突破性的進(jìn)展可以說在高性能永磁電機(jī)發(fā)展里是里程碑式的，華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)也是目前全球唯一能對兆瓦級永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)全系列機(jī)型整體充退磁的技術(shù)團(tuán)隊(duì)。

突破大功率充退磁技術(shù)難點(diǎn)，推進(jìn)高性能永磁電機(jī)加速發(fā)展

充磁技術(shù)的原理雖然簡單粗暴，就是通過電流產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大到飽和的磁場，磁化永磁體后永磁體保留下剩磁場，但是想要實(shí)現(xiàn)大功率的稀土永磁材料的充磁卻遠(yuǎn)沒有這么簡單。
從磁材料角度來分析，金屬永磁合金是第一代永磁材料，到以氧化鐵為主要原料的第二代永磁體。到稀土永磁材料，目前主要的稀土材料已經(jīng)從釤鈷永磁發(fā)展到燒結(jié)釹鐵硼。燒結(jié)釹鐵硼是現(xiàn)在最熱門的稀土永磁材料，不管是磁性能、矯頑力還是磁能積。都有著遠(yuǎn)超其他材料的性能，在各類永磁電機(jī)中有著旺盛的需求。

以氧化鐵為主要原料的第二代永磁體的磁場相對較弱，充磁機(jī)能夠相對容易地通過電機(jī)外殼、定子對轉(zhuǎn)子表面的磁體充磁。但即便如此，整體充磁技術(shù)仍然不好控制永磁體充磁磁場分布，定子、轉(zhuǎn)子磁路多少都會對充磁磁場有影響。

而稀土永磁矯頑力更大，所需的充磁磁場更強(qiáng)，而且還是針對大功率永磁發(fā)電電氣設(shè)備的充磁，涉及各種極端條件、嚴(yán)苛的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及高頻運(yùn)轉(zhuǎn)需求，充磁技術(shù)難度要求直線上升。而且如何確保充磁設(shè)備的磁場能夠穿透整個(gè)轉(zhuǎn)子，使得每個(gè)磁鋼都能夠受到充分的磁化也是難題。

在華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)攻克的項(xiàng)目中，永磁發(fā)電機(jī)采用高功率半直驅(qū)機(jī)型，相比傳統(tǒng)直驅(qū)機(jī)型，磁極體積和極面曲率更大，充磁難度又提高了一檔。
華科大團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地使用主—輔兩級線圈方案及多維加固技術(shù)，飽和充磁的線圈能耗、應(yīng)力水平和溫升都做到了更低。一個(gè)小時(shí)即可完成20MW單機(jī)功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子充磁，而且還是100%的有效充磁。

這項(xiàng)大功率整體充退磁技術(shù)的突破表明了我國在大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)高性能制造上處于國際領(lǐng)先水平。雖然目前華科大團(tuán)隊(duì)的大功率充退磁一體化裝備都應(yīng)用在永磁風(fēng)力發(fā)電上，但它對所有永磁電氣設(shè)備都有著深遠(yuǎn)的影響。

永磁電氣部件在很多重要設(shè)備上都有應(yīng)用，電動汽車、高鐵驅(qū)動電機(jī)、磁懸浮列車、永磁核磁共振成像儀、飛輪儲能電機(jī)等設(shè)備上都需要高性能的永磁部件。

電動汽車的續(xù)航能力就和高性能的永磁電機(jī)密切相關(guān)，充磁不充分的磁材料磁強(qiáng)度更弱，這意味著電機(jī)需要額外消耗大量能量維持磁場強(qiáng)度，這勢必會大大減少續(xù)航能力。
磁懸浮列車同樣需要通過電磁力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導(dǎo)向，再利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力牽引列車運(yùn)行。懸浮系統(tǒng)就是利用了磁鐵同性相斥異性相吸的原理，毫無疑問這需要永磁材料在充磁中保證強(qiáng)大的磁強(qiáng)度。推進(jìn)系統(tǒng)則是通過永磁同步牽引電機(jī)來使得列車保持運(yùn)動，和電動汽車永磁電機(jī)同理。而且，這些大型設(shè)備對永磁電機(jī)的震動和噪聲要求都非常高，十分看重電機(jī)轉(zhuǎn)子的動平衡精度。

傳統(tǒng)充磁技術(shù)不可避免地會影響平衡精度，華科大團(tuán)隊(duì)的大功率充退磁技術(shù)完美解決了永磁材料充磁的難題，無疑將帶動我國永磁電機(jī)向更高性能水平發(fā)展。

大功率充退磁技術(shù)的突破進(jìn)一步打開了永磁電機(jī)的大容量高性能上限，不僅給高性能高品質(zhì)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了更多可能，對已有永磁電機(jī)的退磁綠色再制造也將起到關(guān)鍵作用，對整個(gè)永磁電機(jī)行業(yè)意義非凡。

目前，該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)多家大型電機(jī)公司成功應(yīng)用，隨著技術(shù)的進(jìn)一步推進(jìn)，高鐵、磁懸浮列車、船舶驅(qū)動電機(jī)、航空航天高速電機(jī)等高端應(yīng)用領(lǐng)域也有望使用該技術(shù)來提升設(shè)備的整體性能。