现代永磁电机理论

现代永磁电机理论孙建忠第一章永磁材料的性能和选用1.1永磁材料－基本特点与参数1、退磁曲线Br－－剩磁密度Hc——矫顽力2、退磁曲线和磁能积曲线3、回复线曲线型退磁曲线直线型退磁曲线回复磁导率r4、内禀退磁曲线在磁性材料中：在均匀磁性材料中，矢量和可写成代数和：H取绝对值，则有内禀矫顽力——反应永磁体抗去磁能力。矫顽力5、热稳定性1）可逆损失：温度系数可逆损失与不可逆损失2）不可逆损失——温度回复后，磁性能不能回复到原值：损失率3）居里温度Tc——磁性能消失的温度4）最高温度——使永磁体长时间保持在某一温度，当回复到室温后，IL5%的温度。6、磁稳定性——Hci大、内禀曲线矩形度高，稳定性高；回复线与退磁曲线重合，无不可逆去磁。7、化学稳定性：NdFeB易腐蚀，保护层8、时间稳定性（一）铝镍钴系合金1.2主要永磁材料成分特点：Fe、Ni、Al等元素为主要成分，并加入Cu、Co和Ti等元素进一步提高合金性能。包括铝镍型、铝镍钴型和铝镍钴钛型三种。其中又有各向同性合金、磁场取向合金和定向结晶合金。制备方法：铸造磁钢与烧结磁钢，铸造铝镍钴合金具有生产工艺简单和产品性能高等特点。绝大部分铝镍钴合金都采用铸造法生产。性能特点：高剩磁与低温度系数，最大磁能积仅低于稀土永磁。Tc：757～907℃、(BH)max约为16～72kJ/m3,Br：0.78～1.30T,HCB：52～112kA/m。（二）永磁铁氧体主要种类：钡铁氧体(BaO·6Fe2O3)和锶铁氧体(SrO·6Fe2O3)。晶体结构均属六角晶系。制备方法：以Fe2O3、BaCO3和SrCO3为原料，经混合、预烧、球磨、压制成型、烧结制成。根据成型过程中加磁场与否，烧结铁氧体材料可制成各向同性磁体和各向异性磁体。各向异性磁体是在压制成型过程中加上强磁场，使铁氧体的单畴粒子在磁场下转动，得到易磁化轴与磁场方向一致的强各向异性磁体。此类材料具有高的磁晶各向异性常数。性能特点：Tc：450～460℃，具有高矫顽力和低剩磁，但剩磁和最大磁能积偏低,其剩磁温度系数是铝镍钴磁体的10倍，不适于制作要求高稳定性的精密仪器；在产量极大的家用电器、音响设备、扬声器、电机、电话机、笛簧接点元件和转动机械等方面得到普遍应用，是目前产量和产值最高的永磁材料。烧结铁氧体产品（三）铁铬钴系合金成分特点：以铁、铬（23.5～27.5%）、钴（11.5～21.0%）为主；加入适量硅、钼、钛。此类合金可以通过成分调节将其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平。制备方法：定向凝固+磁场处理(结晶与磁双重织构)，以及塑性变形与适当热处理的方法(形变时效)显著提高合金性能。性能特点：高剩磁Br1.53T，Hc66.5kA/m，(BH)max76kJ/m3。(四)稀土永磁材料二十世纪八十年代称为第三代稀土永磁材料。稀土永磁合金Re-Co永磁稀土Co永磁铁基稀土永磁型Nd2Fe14B合金为代表的Re-Fe-B系永磁材料1:5型Re-Co磁体SmCo5单相与多相合金第一代稀土永磁；二十世纪六十年代2:17型Re-Co磁体Sm2Co17基合金二十世纪七十年代;第二代稀土永磁性能ReCo5Re2Co17NdFeB型Br(T)0.88-0.921.08-1.121.18-1.25HCB(kA/m)680-720480-544760-920Hci(kA/m)960-1280496-560800-1040(BH)max(kJ/m3)152-168232-248264-288各类稀土永磁材料的性能比较Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物为基的一种不含Co的高性能永磁材料。自1983年问世以来发展极为迅速，目前此类材料磁性已达如下的水平：最大磁能积407.6kJ/m3，矫顽力2244.7kA/m。是迄今为止磁性能最高的永磁材料，被誉为“磁王”。Nd-Fe-B系合金的另外一个最大的优点是原材料丰富，价格便宜，其价格只相当于钐钴合金的50%左右。目前工业上广泛应用的Nd-Fe-B系永磁体包括烧结磁体、热压磁体、铸造磁体、粘结磁体和注塑磁体等。但其剩磁温度系数较高仍难以取代AlNiCo和Re-Co合金，且易于腐蚀，需表面处理。1.3永磁材料的制备技术不足之处在于硬度高、脆性大、难以进行机械加工。永磁体的制备方法主要包括铸造法、粉末冶金(烧结)法和粘结法真空熔炼制粉(单畴粒子)铸锭破碎＋磨粉粉末磁场取向与成型平行取向垂直取向烧结（磁场下）热处理、磁体加工烧结磁体元件烧结法烧结NdFeB粘结法：磁粉与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂混合压制、挤出或注射成型，固化粘结磁体性能特点：尺寸精度高、形状自由度大、机械强度好、易于调整磁性能、易于批量生产施加取向磁场各向异性粘结磁体粘结磁体的磁性能：取决于磁粉的性能和磁体的相对密度。粘结磁体的力学性能：取决于粘结剂的性质与粘结工艺。铁氧体磁粉：磁粉：Nd-Fe-B磁粉：熔体急冷(RQ)氢化(HDDR)、机械合金化(MA)普遍采用纳米复合磁粉：纳米复合增强效应：纳米尺寸软磁相与永磁相之间的交换耦合作用，使剩磁和最大磁能积明显增大。纳米复合磁体：NdFeB/α-Fe、SmFeN/α-Fe磁体粘结磁体中产量最大的一种约占永磁材料总产量的8～10%；Since1988粘结磁体1.4永磁材料的使用一、选用合适的永磁材料价格性能工作温度二、退磁曲线——实测、一致性三、稳磁处理——消除不可逆损失NdFeB：加热到最高温保存2～4h，冷却至室温铁氧体：降温到最低温保存2～4h，升至室温（Hc温度系数正，温度越低，Hc越小）第二章永磁电机的磁路计算2.1永磁电机磁路计算基础一、永磁体的等效r——虚拟内禀磁通m——永磁体提供的总磁通0——虚拟自退磁（内漏磁）磁通Fm－磁动势磁通源（电流源）磁动势源（电压源）永磁体的等效Fc——永磁体源的计算磁动势二、外磁路的等效1、空载磁路主磁通——气隙磁通漏磁通——2、负载磁路主磁通——气隙磁通漏磁通——直轴电枢反应磁动势Fa三、永磁电机的等效磁路磁通源磁动势源主磁导：与磁路的饱和程度有关漏磁导：取决于关系。有的电机与磁路的饱和程度有关；有的无关。漏磁系数：空载漏磁系数：空载漏磁系数的应用：1）表征磁路的漏磁大小2）磁路计算2.2等效磁路分析一、磁化曲线的处理1、具有拐点的直线型磁化曲线：取计算矫顽力进行计算工作温度下磁化曲线最低工作点不低于拐点2、曲线型磁化曲线：稳磁处理：回复线（直线化）最低工作点不低于拐点二、图解法1、空载磁路画出—F曲线（根据回复线及其延长线）画出＝f(F)主磁通磁化曲线（主磁导线）画出＝f(F)漏磁通磁化曲线（漏磁导线）叠加画出合成磁导曲线工作点：回复线与合成磁导曲线的交点2、负载磁路作出空载工作点根据直轴去磁和助磁平移合成磁导曲线等效电枢磁动势Fa'＝工作点:平移后合成磁导线与回复线的交点去磁校核：最低工作点高于拐点2.3永磁体的最佳工作点一、最大磁能的最佳工作点永磁体提供的磁能永磁体体积最大磁能工作点：A点在回复线中点最大磁能积：BrHc/2W＝二、最大有效磁能时工作点考虑漏磁，实际参与机电能量转换的是有效磁能，而不是永磁体的总磁能。有效磁能最大时，A位于r－K中点因有效磁能为最大，故而——负载漏磁系数第三章永磁电机电磁场分析3.1电磁场有限元法一、电磁场基本原理1、Maxwell方程组——电磁场基本方程2、位函数——磁矢位定义：稳定磁场的微分方程变为：3、平面场域磁场问题转化为边值问题4、边界条件的确定取一个极范围为求解区域第一类边界条件周期性边界条件二、有限元基本原理1、求解区域离散化单元i、j、m－节点2、构造插值函数：形状函数三角形单元3、条件变分问题离散化得到节点磁位的方程组4、非线性问题迭代求解得到节点磁位5、有限元后处理——磁位的应用计算磁通计算电动势画磁感线：等A线就是磁感线3.2永磁电机电磁场计算的特点一、永磁体的模拟永磁体的面电流模型二、平行充磁和径向充磁的模拟平行充磁径向充磁AB、CD：弧AD、弧BC：AB、CD：3.3永磁同步电机的参数计算一、气隙磁密分布各段径向磁密：节点处径向磁密：气隙磁密分布曲线二、空载励电动势1、定子内圆上节点磁位A1、A2、….An进行傅立叶级数分解2、每极基波磁通正弦项系数b1——每极单位长度q轴磁通的1/2余弦项系数a1——每极单位长度d轴磁通的1/23、基波电动势三、电枢反应电抗与负载励磁电动势1、求解负载磁场，对定子内表面节点磁位进行谐波分析，得到正弦项系数b1和余弦项系数a12、额定负载主磁通3、内功率角4、气隙合成电动势负载相量图5、根据相量图，求E的直交轴分量6、额定工作点附近，再取一点计算负载场7、计算Xad，Xaq四、漏磁系数和波形系数1、基波磁通2、气隙磁场波形系数3、漏磁系数五、电磁转矩1、麦克斯韦应力张量法切向电磁力密度电磁转矩2、磁通法