永磁电机设计1

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1、现代永磁电机理论与设计,主讲人： 王永胜,山东欧瑞安电气有限公司 2015年2月,第一章 绪 论,一、永磁电机的发展概况 19世纪20年代 世界上第一台电机就是永磁电机由于磁能密度低，体积庞大，被电励磁电机取代20世纪30年代 铝镍钴永磁50年代 铁氧体永磁,永磁电机与普通电机的区别：永磁电机的气隙磁场是由永磁体来产生,磁性能提高，永磁电机得到应用,本世纪60年代 稀土钴永磁80年代 钕铁硼永磁,永磁电机进入了一个新的历史时期,稀土永磁电机研究和发展大致分三个阶段,60年代后期和70年代 由于稀土材料价格昂贵，开发重点在航空、航天80年代 由于钕铁硼材料的问世，研发重点转移到工业和民用电机90

2、年代 研究进入一个新的时代,二、永磁电机的特点,结构简单，运行可靠体积小，质量轻损耗少，效率高,三、永磁电机的应用,永磁同步发电机应用场合：大型汽轮发电机的副励磁机风力发电、余热发电、小型水力发电缺点：制成电机后，难以调节磁场以控制其输出电压和功率因数，从而限制了它的应用范围,图11 20000r/min稀土永磁发电机转子结构图 1转轴 2转子端板 3垫片 4稀土永磁体 5隔板 6衬套 7键 8转子端板 9套环 10极靴,高效永磁同步电动机又叫异步起动永磁同步电动机 应用场合：纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机、 水泵等,图12 高效永磁同步电动机结构示意图 1转轴 2轴承 3端盖

3、 4定子绕组 5机座 6定子铁心7转子铁心 8永磁体 9起动笼 10风扇 11风罩,调速永磁同步电动机和无刷直流电动机 应用场合：在航空、航天、数控机床、加工中心、 机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面获得了广泛应用。 特点：在转子上可以不设置启动绕组。概念：无刷直流电动机：反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电动机；永磁同步电动机：反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电动机，称为正弦波永磁同步电动机。,a）剖面图 b）磁极结构图 图13 1095kW永磁同步电动机,图3是德国制成6相变频电源供电的1095kW、230r/min稀土永磁同步电动机，用于舰船的推进。,永磁直流电动

4、机 特点：结构工艺简单、体积小、用铜量少、效率高等。 应用场合：家用电器、便携式电子设备、电动工具、要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统（如计算机外围设备、录像机等）,图14 永磁直流电动机结构图 1端盖 2换向器 3电刷 4电刷架 5永磁磁极 6电枢 7机壳 8轴承 9铭牌,永磁特种电机 与传统电机不同的结构形状和尺寸，例如盘式电机、无槽电机、无铁心电机、横向磁通电机等,图15 盘式电机结构透视图,图17 横向磁通电机,图16 8极无齿槽Halbach阵列无铁心电机,四、永磁电机的研究推动了电机学科的发展设计时研究的重点： 磁路结构和设计计算 控制问题 不可逆退磁（矢磁）问题 成本问题

5、,第二章 永磁电机的构成材料,永磁材料的性能和选用 铁心材料 导电材料 绝缘材料,一、 永磁材料的性能和选用（一）、永磁材料磁性能的主要参数 （二）、几种主要永磁材料的基本性能 （三）、永磁材料的选择和应用注意事项,（一）、永磁材料磁性能的主要参数1、退磁曲线2、回复线3、内禀退磁曲线4、稳定性,1、退磁曲线 永磁材料用磁滞回线来表示永磁体的磁感应强度随磁场强度改变的特性，如图2-1所示。,图2-1 饱和磁滞回线,退磁曲线：磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲线。,图2-2（a） 退磁曲线,退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数。剩余磁感应强度，又称

6、剩余磁通密度，简称剩磁密度 ，单位为T（习惯单位为Gs或G，1Gs104T）。磁感应强度矫顽力，简称矫顽力 ，常简写为 ，单位为A/m（习惯单位为Oe，1Oe1000/（4 ）A/m79.577A/m 80A/m ）。,退磁曲线的特点：永磁体是一个磁源。为表述方便起见，实用上常取 的绝对值，或者说，把 轴 的正方向改变，负轴改为正轴。,图2-2（b） 退磁曲线,磁能积：退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积称为磁能积,图2-3 退磁曲线和磁能积曲线1，2退磁曲线 3，4磁能积曲线,中间某个位置上磁能积为最大值，称为最大磁能积，符号为 单位为J/m3，它也是表征永磁材料磁性能的重要参数。,对

7、于退磁曲线为直线的永磁材料，显然在（ ）处磁能积最大，为,2、回复线实际上，永磁电机运行时受到作用的退磁磁场强度时反复变化的。,（21）,图24 （a） 回复线,多次反复后形成一个局部的小回线，称为局部磁滞回线。由于该回线的上升曲线与下降曲线很接近，可以近似地用一条直线 来代替，称为回复线。这种磁密的不可逆变化将造成电机性能的不稳定，也增加了永磁电机电磁设计计算的复杂性，因而应该力求避免发生。,回复线的平均斜率与真空磁导率 的比值称为相对回复磁导率，简称为回复磁导率，符号为 ，简写为 。式中， 为真空磁导率，又称磁性能常数， =410-7H/m。,特点：退磁曲线上各点的回复线可近似认为是一组平

8、行线，他们都与退磁曲线上（ ）处切线相平行。利用这一近似特性，实际工作中求取不同工作温度、不同工作状态的回复线就方便得多。,（22）,图24 （b） 回复线,拐点：有的永磁材料，如部分铁氧体永磁的退磁曲线的上半部分为直线，当退磁磁场强度超过一定值后，退磁曲线就急剧下降，开始拐弯的点称为拐点（见图2-4b）。,大部分稀土永磁的退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线相重合，可以使永磁电机的磁性能在运行过程中保持稳定，这是在电机中使用是最理想的退磁曲线。,3、内禀退磁曲线,磁性材料在外磁场作用下被磁化后产生的内在磁感应强度，称为内禀磁感应强度 ，又称为磁极化强度 。,式中， 为磁化强度（A/m）,由铁

9、磁学理论可知，在磁性材料中= + 在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和若取绝对值，则式（2-5）可改写成,（23）,（24）,（25）,（26）,描述内禀磁感应强度 与磁场强度 关系的曲线 是表征永磁材料内在磁性能的曲线，称为内禀退磁曲线，简称内禀曲线，如图2-5所示。,图2-5 内禀退磁曲线及与退磁曲线的关系,称为内禀矫顽力（A/m）。反映永磁材料抗去磁能力的大小，是表征稀土永磁抗去磁能力强弱的一个重要参数。,内禀退磁曲线的矩形度 越大，磁性能越稳定。 为内禀退磁曲线上当 时所对应的退磁磁场强度值（见图2-5）。,4、稳定性主要包括温度稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。,（1

10、）温度稳定性是指永磁体由所处环境温度改变而引起磁性能变化的程度，如图2-6所示。,图2-6 可逆损失与不可逆损失,磁性能的损失可以分为两部分：1）可逆损失 2）不可逆损失,1）可逆损失是不可避免的。各种永磁材料的剩余磁感应强度随温度可逆变化的程度可用温度系数 （%/K）表示。同样，还常用 （%/K）表示永磁材料的内禀矫顽力随温度可逆变化的程度。,（28）,（29）,2）不可逆损失是温度恢复后磁性能不能恢复到原有值的部分。通常以其损失率 （%）表示。,（210）,不可逆损失,不可恢复损失可恢复损失,居里温度：随着温度的升高，磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里

11、温度，又称居里点，符号为 ，单位为K或 。,手册或资料中通常提供的是室温 时的剩余磁感应强度 ，则工作温度 时的剩余磁感应强度 为式中， 和 取绝对值。,（211）,（2）磁稳定性是指在施加外磁场条件下永磁体磁性能发生变化的情况。理论分析和实践证明，一种永磁材料在工作温度时的内禀矫顽力 越大，内禀退磁曲线的矩形越好（或者说 越大），则这种永磁材料的磁稳定性越高，即抗外磁场干扰能力越强。当 和 大于某定值后，退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线重合，在外施退磁磁场强度作用下，永磁体的工作点在回复线上来回变化，不会造成不可逆退磁。,永磁材料在不同工作温度下施加退磁磁场引起的磁性能变化，称为热稳定性

12、。 （3）化学稳定性是指受酸、碱、氧气和氢气等化学因素的作用，永磁材料内部或表面化学结构发生变化的情况。在生产过程中需采取措施来防止氧化要在成品表面涂敷保护层，如镀锌、镀镍、电泳等。,（4）时间稳定性，通常以一定尺寸形状样品的开路磁通随时间损失的百分比来表示，叫做时间稳定性，或叫自然时效。研究表明，它与材料的内禀矫顽力 和永磁体尺寸比 有关。对永磁材料而言，在一定温度下随时间的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系。,总结,剩磁密度 矫顽力 最大磁能积,1、退磁曲线,2、回复线,回复磁导率拐点,3、内禀退磁曲线,4、稳定性,内禀磁感应强度 内禀矫顽力 内禀退磁曲线的矩形度,温度系数 损失率

13、 剩余磁感应强度,（二）、几种主要永磁材料的基本性能 1、铝镍钴永磁 2、铁氧体永磁 3、稀土永磁 4、粘结永磁,1、铝镍钴永磁铸造型粉末烧结型,分 类,图2-7 铝镍钴永磁的退磁曲线 1LN10 2-LNGT40 3-LNGT32 4-LNGT72 5-LNG32H 6-LNG32 7-LNG52,特点：温度系数小 -0.02%剩余磁感应强度较高1.35T，但矫顽力很低 退磁曲线呈非线性变化 硬而脆，可加工性较差,表2-1 铝镍钴永磁材料牌号及其主要磁性能,表2-2 铝镍钴永磁材料部分牌号的物理和力学性能,2、铁氧体永磁钡铁氧体锶铁氧体,分 类,图2-8 铁氧体永磁的退磁曲线,优点： 价格低

14、廉 ，制造工艺也较为简单 矫顽力较大 密度小 退磁曲线接近于直线 缺点： 剩磁密度不高 ，最大磁能积不大 剩磁温度系数大 矫顽力温度系数为正值 硬而脆，可加工性较差,表2-3 铁氧体永磁材料牌号及其主要磁性能,表2-4 铁氧体永磁的其它物理特性,3、稀土永磁 稀土钴永磁 钕铁硼永磁 （1）稀土钴永磁 优点：、 及 都很高 退磁曲线基本上是一条直线 温度系数小 ，居里温度高,分 类,缺点： 价格贵 硬而脆 装配困难 表2-5 稀土钴永磁材料部分牌号及其主要磁性能,（2）钕铁硼永磁,图2-9 不同温度下钕铁硼永磁（NdFeB264/82EH）的内禀退磁曲线和退磁曲线,优点： 目前磁性能最高的永磁材

15、料 价格便宜 缺点： 居里温度较低 温度系数较高 容易锈蚀,表2-6 烧结钕铁硼永磁材料部分牌号及其主要磁性能,4、粘结永磁 定义：粘结铁氧体永磁 粘结稀土钴永磁粘结钕铁硼永磁,分 类,优点： 形状自由度大 ，尺寸精度高，不变形 产品性能分散性小 机械强度高 电阻率高 原材料利用率高 密度小、质量轻,表2-7 粘结永磁材料部分牌号及其主要磁性能,总结,1、铝镍钴特点,2、铁氧体特点,不高 较大小大 退磁曲线大部分直线,小 较高 很低 退磁曲线非线性,稀土钴特点,钕铁硼特点,目前性能最高 价格便宜较高 高温时退磁曲线下半部分弯曲,价格贵 小很高， 很高， 很高 退磁曲线基本是直线,3、稀土永磁,4、粘结永磁特点,尺寸精度高，不变形 产品性能分散性小 机械强度高 电阻率高 原材料利用率高 小,（三）、永磁材料的选择和应用注意事项 1、永磁材料选择的原则：1)气隙磁场和性能指标 2)磁性能的稳定性3)机械性能 4)价格适宜 2、应用注意事项 ：1)需对永磁体进行逐块检测。 2)磁场热处理工艺 3)稳磁处理,