永磁电机设计

现代永磁电机理论与设计主讲人：韩雪岩沈阳工业大学特种电机研究所2008年1月第一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1-1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1-2（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，又称剩余磁通密度，简称剩磁密度，单位为T（习惯单位为Gs或G，1Gs＝10－4T）。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，1Oe＝1000/（4）A/m＝79.577A/m80A/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1-2（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1-3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。（1－1）图1－4（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。Hp外加退磁磁场—回复线若HQHp，磁密沿作可逆变化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，=4π×10-7H/m。特点：退磁曲线上各点的回复线可近似认为是一组平行线，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。（1－2）图1－4（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（1－3）（1－4）（1－5）（1－6）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1-5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1-5）。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）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1-6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）不可逆损失不可恢复损失可恢复损失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。（1－8）（1－9）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。（1－10）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。（1－11）（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。（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1-7铝镍钴永磁的退磁曲线1－LN102-LNGT403-LNGT324-LNGT725-LNG32H6-LNG327-LNG52特点：温度系数小剩余磁感应强度较高，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1-1铝镍钴永磁材料牌号及其主要磁性能牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力最大磁能积温度系数/%K-1回复磁导率TkGskA/mkOekJ/m3MG·OeLN10LNG13LNG32LNG37LNG40LNG44LNG52LNG60LNGT700.60.71.21.21.251.251.31.350.96.07.012.012.012.512.513.013.5936484448485256601450.450.600.550.60.60.650.70.751.821012.73236.939.843.851.760701.251.64.04.635.05.56.57.58.8-0.022-0.016-0.0166.0～7.06.0～6.73.5～4.82.4～3.62.4～3.6表1-2铝镍钴永磁材料部分牌号的物理和力学性能牌号密度/g·cm-3电阻率/μΩ·cm线膨胀系数/10-6K-1硬度HRC抗拉强度/N·mm-2LN10LNG13LNG32LNG527.07.27.37.360～6565475013.012.411.211.245～47525050242、铁氧体永磁钡铁氧体锶铁氧体分类图1-8铁氧体永磁的退磁曲线优点：价格低廉，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1-3铁氧体永磁材料牌号及其主要磁性能牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力内禀矫顽力最大磁能积TkGskA/mkOekA/mkOekJ/m3MG·OeY8TY10TY15Y20Y23Y25Y28Y320.2~0.235≥0.20.28~0.360.32~0.380.32~0.370.36~0.400.37~0.400.40~0.422.0~2.35≥22.8~3.63.2~3.83.2~3.73.6~4.03.7~4.04.0~4.2125~160128~160128~192135~190170~190135~170175~210160~1901.57~2.011.60~2.01.60~2.401.70~2.382.14~2.381.70~2.142.20~2.642.01~2.38210~280140~195190~230140~200180~220165~1952.64~3.521.76~2.452.39~2.891.76~2.512.26~2.772.07~2.456.50~9.506.40~9.6014.3~17.518.0~22.020.0~25.522.5~28.026.0~30.030.0~33.50.8~1.20.8~1.21.8~2.22.3~2.82.5~3.22.8~3.53.3~3.83.8~4.2表1-4铁氧体永磁的其它物理特性密度/g·cm3电阻率/μΩ·cm剩磁温度系数/%K-1居里温度/线膨胀系数/×10-6K-1硬度HV4.5～5.1＞106-0.20450～4607～15480～5803、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1-5稀土钴永磁材料部分牌号及其主要磁性能牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力最大磁能积温度系数/%K-1（20~100）回复磁导率密度/g·cm-3TkGskA/mkOekJ/m3MG·OeXGS-80XGS-144XGS-1600.6~0.70.8~0.90.9~1.06~78~99~10320~384520~640640~7204.0~4.86.5~8.08.0~9.072~76120~152152~1769.0~9.515~1919~22-0.09-0.05-0.051.05~1.101.05~1.101.05~1.108.2~8.38.2~8.38.2~8.3（2）钕铁硼永磁图1-9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料价格便宜缺点：居里温度较低温度系数较高容易锈蚀牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力≥内禀矫顽力≥最大磁能积TkGskA/mkOekA/mkOekJ/m3MG·OeNdFeB416/841.43～1.4914.3~14.983610.591511.5398~42250～53NdFeB280/85M1.16~1.2211.6~12.284510.6111414.0263~28733～36NdFeB264/82H1.12~1.1911.2~11.981610.2135317.0247~27131～34NdFeB336/94H1.28~1.3412.8~13.493811.8131316.5318~34240～43NdFeB376/100H1.36~1.4113.6~14.1100012.6127416.0358~38245～48NdFeB320/91SH1.25~1.3112.5~13.191211.5159220.0302~32638～41表1-6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1-7粘结永磁材料部分牌号及其主要磁性能牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力最大磁能积内禀矫顽力温度系数/%K-1抗压强度/N·mm2密度/g·cm-3TkGskA/mkOekJ/m3MG·OekA/mkOeGBM-5GBM-6GBM-F-2GBM-F-30.45~0.500.50~0.550.25~0.300.15~0.254.5~55~5.52.5~31.5~2.5200~280280~32080~16072~1202.5~3.53.5~4.0