永磁材料的应用讲议-完全免费

第一讲永磁材料及其应用永磁电机的结构特点之一就是磁极由永磁材料组成。永磁材料磁性能的优劣，将直接影响永磁电机的磁路尺寸、电机体积及其功能指标和运行特性。一、磁化曲线在非铁磁材料中，磁通密度B与磁场强度H成正比，即B=μ0H（1-1）式中，μ0—真空磁导率。μ0=4π×10-7H／m亨／米B与H呈线性关系。铁磁材料的磁通密度（即磁感应强度）B与磁场强度H呈非线性关系，即B=f(H)是一条曲线，称磁化曲线，如下图所示。铁磁材料的磁化曲线可以通过试验测得。试验可见，将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，H由零上升到某一最大值Hm时，B值是沿着磁化曲线0a上升至a点，对应的磁通密度最大值为BBm。如右图所示。曲线0a称为起始磁化曲线。当H由Hm下降到零时，B并不点是沿着a0下降，而是沿着另一条abcd线下降。当H由零变化到－Hm（即由b点变化到d点）时，即进行反向磁化时，B沿着曲线bcd变化。当H由－Hm回升到Hm时，B沿着曲线defa变化。如此，将铁磁材料磁化一个循环，得到一个闭合回线abcdefa，称为铁磁材料的磁滞回线。不同的铁磁材料有不同的磁滞回线。由右图可见，B的变化滞后于H的变化。当H下降为零时，B值不为零而为某一数值BBr，这种现象称磁滞性，BrB称作剩余磁感应强度（即剩磁磁密），单位为T（特斯拉）。要使B值由BBr减至0值，必须加上一个相应的反向外磁场，该反向磁场强度称为矫顽力，以Hc表示，单位为A/m（安/米），如右图中c点所示。BBr和Hc是铁磁材料的两个重要参数。对于同一铁磁材料，以不同的磁场强度Hm分别进行多次反复磁化，可得到多个大小不等的磁滞回线，如右图所示。将各磁滞回线的顶点连接起来，所得的一条曲线称为基本磁化曲线或称平均磁化曲线。基本磁化曲线与起始磁化曲线不是同一条曲线，但二者差别不大。直流磁路计算时所用的磁化曲线都是基本磁化曲线。在交流磁路中，由于励磁电流是交流，因此磁路中的磁势与磁通均随时间而交变。但是，在每一瞬时仍与直流磁路一样。就瞬时值而言，通常可使用相同的基本磁化曲线。二、永磁材料的去（退）磁曲线和主要参数1．永磁材料的去（退）磁曲线右图中，在第二象限的bc段称为去磁曲线。它表示永磁材料被完全磁化后无外励磁时的B—H关系。永磁材料在一般的应用中无外励磁，故去磁曲线是表示永磁材料特性的主要特性曲线。由于去（退）磁曲线中，永磁体的磁通密度（即磁感应强度）BBm为正值，磁场强度为负值，两者方向相反，磁通经过永磁体时，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高，即永磁体是个磁源（类似电路中的电源）。同时可见：作用于永磁体的是一个退磁性质的磁场强度，磁场强度的绝对值|H|越大，磁感应强度B就越小。为表述方便，通常取H的绝对值，把H轴的正方向改变，即负轴改为正轴。2．内禀去（退）磁曲线（一）内禀磁感应强度BBi（又称磁极化强度J）永磁材料在外磁场作用下被磁化后产生的内在磁感应强度，称内禀磁感应强度BBi，又称磁极化强度J。J=μ0M（1-2）式中，M—磁化强度，A／m在磁性材料中B=μ0M＋μ0H（1-3）在均匀的磁性材料中，式（1-3）的矢量和可写成代数和B=μ0M＋μ0H（1-4）BBi=μ0M=B－μ0H（1-5）若退磁曲线中磁场强度H取绝对值，则式（1-5）可写成BBi=B＋μ0H（1-6）（二）内禀退磁曲线（又称内禀曲线）描述内禀磁感应强度BBi(J)与磁场强度H关系的曲线BiB=f(H)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。内禀退磁曲线及与退磁曲线的关系●●内禀退磁曲线上磁极化强度J为零时,相应的磁场强度值称为内禀矫顽力HcJ(单位：A／m)。内禀矫顽力HcJ的值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HK／HcJ越大，磁性能越稳定。HK(单位：A／m)为内禀退磁曲线上当BBi=0.9BrB时所对应退磁磁场强度值。HK应为稀土永磁材料必测参数之一。3．永磁材料的主要参数永磁材料磁滞回线的形状和特征，可用若干参数来表示。在工程应用中，就是根据这些参数在数量上的差异进行分类，并决定他们的用途，它们也是永磁磁路设计中的主要依据。●饱和磁场强度Hm●剩余磁感应强度BBr和矫顽力Hc●磁导率和回复曲线●磁能积和最大磁能积（一）饱和磁场强度Hm在磁钢磁化过程中，使其磁感应强度B达到饱和值BBm的磁场强度称为饱和磁场强度Hm。应当特别指出，磁钢充磁时应完全磁化，即充磁磁场强度H应达到Hm值，才能得到最大可能磁化的去磁曲线。这样的去磁曲线最稳定，显示出该材料的最优磁性能。若充磁磁场强度H值低于Hm，则将有不同形状的磁滞曲线。它们的去磁曲线，显得不够稳定，磁钢所表示出的磁性能也低，因而不能充分利用该磁性材料。由此可见，在制造永磁电机时，应知道所用磁性材料的Hm值，在充磁过程中务必达到甚至超过它。（二）剩余磁感应强度BBr和矫顽力Hc((11))剩余磁感应强度BBr●●磁滞回线与纵坐标的交点，即去磁曲线的起始点b点的B值，叫做剩余磁感应强度，用BBr来表示。它是永久磁钢两端磁路的磁阻可以忽略的条件下充磁后，外加磁场消失，并在理想短路条件下存在于磁钢中的磁感应强度值。((22))剩余磁感应强度BBr●●在负向外加磁场的作用下，磁钢中的磁感应强度B随着去磁磁场增大而减小。使磁钢中的磁感应强度B达到零所需的去磁磁场强度，成为磁感应矫顽力Hc（简称矫顽力），如图中的c点。（三）磁导率和回复曲线（1）磁导率●●起始磁化曲线和磁滞回线上的任意一点的斜率，即任意一点上的B和H的增量之比，叫做磁导率。它随运行点的不同而变化。软磁材料的磁导率很大，而永磁材料的磁导率很小。注：软磁材料和硬磁（永磁）材料按照磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分软磁材料和硬磁（永磁）材料两大类。（a）软磁材料（b）硬磁材料软磁材料和硬磁材料的磁滞回线①软磁材料软磁材料的磁滞回线窄、剩磁BBr和矫顽力Hc都小，如上图所示。由于软磁材料的磁导率较高，适用于制造电机和变压器的铁心。常用的软磁材料有铸铁、电工用热轧硅钢薄板（GB5212-85）、冷轧电工钢带（片）（GB2521-88）、家用电器用热轧硅钢薄钢板、软磁合金带、电工用纯铁棒等。②硬磁（永磁）材料硬磁（永磁）材料的磁滞回线宽、剩磁BBr和矫顽力Hc都大，如上图所示。由于剩磁BBr大，硬磁材料可用以制作永久磁铁，故亦称永磁材料。通常，剩磁BBr、矫顽力Hc和磁能积（BH）max是表征永磁材料磁性能的三项指标。硬磁（永磁）材料有磁滞合金冷轧带（GBn171-82）、铁钴钒永磁合金（GBn172-82）、铁钴钼磁滞合金热轧棒材（GBn173-82）、铸造铝镍钴和粉末烧结铝镍钴永磁合金（GB4753-84）、烧结和粘结永磁铁氧体材料（SJ/T10410-93）等。此外，作为在电机中使用的硬磁材料还有稀土永磁材料，如钐钴、钐镨钴、钕铁硼、稀土钴等。●●一般说来，剩余磁感应强调BBr与矫顽力Hc之比愈小，磁导率就愈小。●●对于永磁体，通常所关心的是起始磁导率、最大磁导率和可逆磁导率这三个物理量。（2）回复线永磁电机永磁电机运行时作用于永磁体的退磁磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁感应强度沿右图中的退磁曲线BBrP下降。如果在下降到P点时外加退磁磁场强度HP消除，则磁感应强度并不沿退磁曲线回复，而是沿另一曲线PBR上升。若再施加退磁磁场强度，则磁感应强度沿新的曲线RB′P下降。如此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PR来代替，称为回复线。P点为回复线的起始点。回复线的斜率称为可逆磁导率。各种永磁材料的可可逆逆磁磁导导率率是各不相同的，材料的矫矫顽顽力力HHcc愈高，可可逆逆磁磁导导率率就愈小。如果以后施加的退退磁磁磁磁场场强强度度HHQQ不超过第一次的值HP，则磁感应强度沿回复线PR作可逆变化。如果HQ＞HP，则磁感应强度下降到新的起始点Q，沿新的回复线QS变化，不能再沿原来的回复线PR变化。这种磁感应强度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。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。当退磁磁场强度不超过拐拐点点KK时，回复线与退磁曲线的直线段重合。当退磁磁场强度超过拐点K时，回复线PR就不再与退磁曲线重合了。（四）磁能积和最大磁能积●●永磁体的去（退）磁曲线上任一点的磁通密度B与磁场强度H的乘积BH称为磁能积。其大小与该永磁体在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比。●●磁能积与磁感应强度B的关系曲线，叫做磁能积曲线。退磁曲线和磁能积曲线1、2—退磁曲线3、4—磁能积曲线●●对于一块完整的磁钢来说，(BBr,0)点和(0,Hc)点上的磁能积都等于零。(BBr,0)点相当于磁钢两端理想短路，即两端外磁路的磁阻为零；(0,Hc)点相当于磁钢两端理想开路，即两端的磁阻为无穷大。由此可见，在这两种情况下，磁钢本身没有磁能输出，磁钢对外不发生作用。●●中间某个位置磁能积为最大值，称为最大磁能积(BH)max，单位：J／m3［习惯用非法定单位：G·()e，1G·()e=1／(40π)J／m3≈8×10－3J／m3或1MG］磁能积曲线上的最大值点，表示磁钢能够向外界发出的最大磁能积。●●对于去（退）磁曲线为直线的永磁材料，显然在(BBr／2,Hc／2)处磁能积最大，即(BH)max=(1／4)BrHc（1-7）三、几种常用的永磁材料◆铝镍钴合金◆铁氧体永磁材料◆稀土永磁材料1．铝镍钴合金铝镍钴合金是由铝镍铁合金发展来的，目前我国能制造的铝镍钴合金的型号主要有LNG34,LNG52,LNGJ32,LNGJ56等。由于铝镍钴的主要特点是高BBr、低Hc的永磁材料，其相对磁导率在3以上，所以在具体应用时，其磁极须做成长柱体或长棒体，以尽量减少退磁场作用。铝镍钴磁体本身矫顽力低，所以在使用过程中应严格禁止任何铁器接触铝镍钴永磁材料，以避免造成永磁体局部退磁而使磁路中磁通分布发生畸变。铝镍钴磁体的优点是温度系数小，而且因温度变化而发生的永磁特性的退化也较小，但该材料硬而脆，加工困难。2．铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料是目前应用非常广泛的永磁材料之一，其主要成分是MoFe2O3。其具有的优点是：（1）矫顽力Hc大。铁氧体永磁材料的矫顽力Hc介于铝镍钴合金材料和稀土钴永磁材料之间。由于其剩磁较低，故一般适合设计成扁平形状；（2）重量轻，密度为(4.6～5.1)×103kg/m3；（3）原材料来源丰富，价格便宜，耐氧化，耐腐蚀；（4）磁晶体的各向异性常数大；（5）退磁曲线近似为直线。缺点是剩磁较低，温度系数大，易碎。3．稀土永磁材料（一）稀土永磁材料的优点（1）矫顽力Hc高;（2）最大磁能积大;（3）可逆磁导率＝1。因此其磁性能远超过铁氧体和铝镍钴等其他磁性材料。稀土永磁材料的出现，使得重量轻、体积小的永磁同步电机相继问世，从而扩大了永磁同步电机的应用范围。稀土永磁材料典型的内禀曲线及退磁曲线内禀曲线为略微下垂的直线1，下垂斜率为（μr－1）μ0。为便于分析，引入一个虚拟内禀曲线，它在0～Hc范围内为BBi=BirB=μ0Mr的一条水平直线1′。退（去）磁曲线为一条直线。（二）常用的稀土永磁材料常用的稀土永磁材料有SmPrCo、SmCoPeCo、SmPrNdCo、CeCoCuFe、Sm2Co17等。稀土钴永磁材料性能优异，但价格较高，因此在设计时必须精打细算，力求用最小的体积达到预期的效果。由于稀土钴永磁材料的矫顽力Hc很大，可作成薄片永磁材料，以减少体积，节省材料。（三）第三代稀土永磁材料—钕铁硼永磁材料钐钴永磁材料（包括钐钴1:5型、钐镨钴）属第一代稀土永磁材料，与传统的铁氧体和铝镍钴相比，显示出极佳的优越性。钐钴2:17型永磁材料属第二代稀土永磁材料。钕铁硼永磁材料是近年来发展起来的第三代稀土永磁材料，具有高磁能积