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永磁电机中的永磁体

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永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家,两千多年前,我国就利用永磁材料的磁特性制成了指南针,在航海、军事等领域发挥了巨大的作用,成为我国古代四大发明之一。


19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石(Fe3O4),磁能密度很低,用它制成的电机体积庞大,不久被电励磁电机所取代。

随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明,人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究,相继发现了碳钢、钨钢(最大磁能积约2.7 kJ/m3)、钴钢(最大磁能积约7.2 kJ/m3)等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁(最大磁能积可达85 kJ/m3)和50年代出现的铁氧体永磁(最大磁能积现可达40 kJ/m3),磁性能有了很大提高,各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦,大至几十千瓦,在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用,产量急剧增加。相应地,这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展,形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是,铝镍钴永磁的矫顽力偏低(36~160 kA/m),铁氧体永磁的剩磁密度不高(0.2~0.44 T),限制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代,稀土钴永磁和钕铁硼永磁(二者统称稀土永磁)相继问世,它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机,从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。

永磁材料

电机磁铁:电机中常用的永磁材料包括烧结磁体跟粘结磁体,主要种类有铝镍钴、铁氧体、钐钴、钕铁硼等。

铝镍钴:铝镍钴永磁材料是最早广泛使用的一种永磁材料,其制备工艺和技术比较成熟。目前日本、美国、欧洲、俄罗斯、中国都有工厂生产。在大规模的生产企业当中,杭州永磁的产量目前在国内数第一,年产能力达3000吨。

永磁铁氧体材料:进入50年代,铁氧体开始蓬勃发展起来,尤其是70年代,在矫顽力、磁能机方面性能较好的锶铁氧体大量投入生产,迅速扩大了永磁铁氧体的用途。作为一款非金属磁性材料,铁氧体没有金属永磁材料易氧化、居里温度低、成本高的弊端,因此大受欢迎。

钐钴材料:20世纪 60年代中期兴起的磁性能优异的永磁材料,且性能非常稳定。钐钴从磁性能方面来说特别适合于制造电机,但由于其价格昂贵,主要用于研究开发航空、航天、武器等军用电机和高性能而价格不是主要因素的高科技领域的电机中。

钕铁硼材料:钕铁硼磁性材料是钕,氧化铁等的合金,又称磁钢。具有极高的磁能积和矫力,同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用,从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。由于含有大量的钕和铁,容易锈蚀。表面化学钝化是目前很好的解决方法之一。

电机常用永磁材料抗腐蚀性能、最高工作温度、加工性能、退磁曲线形状、价格对比(图)


磁钢性能与电机性能的关系

1、剩磁的影响

对于直流电机,在同样的绕组参数和测试条件下,剩磁越高,空载转速越低、空载电流也越小;最大扭矩越大,最高效率点的效率越高。在实际的测试中,一般都是用空载转速的高低和最大扭矩的大小判断磁钢的剩磁标准。

对于同一绕组参数和电参数而言,之所以剩磁越高,空载转速越低、空载电流越小,是因为运行中的电机,以比较低的转速,就产生了足够的反向感生电压,使得施加在绕组上的电动势的代数和减小。

2、矫顽力的影响

在电机运行的过程中,始终存在着温度和反向退磁场的影响。从电机设计的角度上讲,矫顽力越高,磁钢的厚度方向可以越小,矫顽力越小,磁钢的厚度方向越大。但是磁钢的超过一定的矫顽力之后,是没有用处的,因为电机的其他元件也不可能稳定地在那个温度下的工作。矫顽力满足需求即可,以在推荐的实验条件下满足需要为标准,没有必要浪费资源。

3、方形度的影响

方形度仅仅影响电机性能测试效率曲线的平直性,尽管目前还没有把电机效率曲线的平直性列为重要的指标性标准,但是,这对于轮毂电机在自然路况条件下的续行距离非常重要。因为路况条件不同,电机不可能始终工作在最大效率点上,这就是为什么有的电机的最大效率并不高而续行距离反而远的原因之一。 一个好的轮毂电机,不仅最大效率应当高,而且效率曲线应当尽可能的水平,效率降低的斜率越小越好。随着轮毂电机的市场、技术和标准的成熟,这将逐渐成为一个重要的标准。

4、性能一致性的影响

剩磁不一致:即便是有个别性能特别高的也不好,由于各单向磁场区段的磁通的不一致,导致扭矩的不对称而发生震动。

矫顽力不一致:尤其是个别产品的矫顽力过低,容易产生反向退磁,导致各磁钢的磁通不一致使电机震动。这种影响对于无刷电机更显著。

磁钢的形状和公差对电机性能的影响

1、磁钢厚度的影响

在内或外磁路圈固定的情况下,厚度增加时,气隙减小,有效磁通增加,明显的表现是同样的剩磁下空载转速降低,空载电流减小,电机的最大效率提高。但是,也有不利的方面,如电机的换向震动增加,电机的效率曲线相对变陡。因此,电机磁钢的厚度应当尽可能的一致,减小震动。

2、磁钢宽度的影响

对于密排分布的无刷电机磁钢,总的累计间隙不能超过0.5毫米,过小会无法安装,过大会导致电机震动和效率降低,这是因为测量磁钢位置的霍尔元件的位置和磁钢的实际位置不对应,而且必须保证宽度的一致性,否则电机的效率低、震动大。

对于有刷电机,磁钢之间都有一定的间隙,是留给机械换向过渡区的。虽然留有间隙,但大多厂家为了保证电机磁钢的安装位置准确,都有严格的磁钢安装工序来保证安装精度。如果磁钢的宽度超出,会无法安装;如果磁钢宽度过小,会导致磁钢定位失准,电机的震动增加、效率降低。

3、磁钢倒角大小和不倒角的影响

如果不倒角,则电机的磁场边沿的磁场变化率大,造成电机的脉震,倒角越大,震动越小。但是倒角一般对磁通有一定的损失,对于有些规格倒角到0.8时磁通损失0.5~1.5%。对于有刷电机剩磁偏低时,适当减小倒角大小,有利于补偿剩磁,但是电机的脉震增加。 一般而言,剩磁偏低的时候,可以适当放大长度方向的公差,这样可以在一定程度上提高有效磁通,使电机的性能基本不变化。

永磁电机的相关注意事项

1 、磁路结构和设计计算

为了充分发挥各种永磁材料的磁性能,特别是稀土永磁的优异磁性能,制造出性价比高的永磁电机,就不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法,必须建立新的设计概念,重新分析和改进磁路结构。随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展,以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术等现代化设计方法的不断完善,经过电机学术界和工程界的共同努力,现已在永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面取得了突破性进展,形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助分析、设计软件,并正在不断完善中。

2、 控制问题

永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场,但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数,永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。这些使永磁电机的应用范围受到了限制。但是,随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的迅猛发展,大多数永磁电机在应用中,可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来,使永磁电机在崭新的工况下运行。

3、 不可逆退磁问题

如果设计或使用不当,永磁电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时,在冲击电流产生的电枢反应作用下,或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁,或叫失磁,使电机性能降低,甚至无法使用。因而,既要研究开发适于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置,又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力,以便在设计和制造时,采用相应措施保证永磁电机不失磁。

4 、成本问题

铁氧体永磁电机,特别是微型永磁直流电动机,由于结构工艺简单、质量减轻,总成本一般比电励磁电机低,因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵,稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高,这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。在某些场合,例如计算机磁盘驱动器的音圈电动机,采用钕铁硼永磁后性能提高,体积质量显着减小,总成本反而降低。在设计时既需根据具体使用场合和要求,进行性能、价格的比较后决定取舍,又要进行结构工艺的创新和设计优化以降低成本。

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