信息工程學(xué)院-電氣工程及其自動(dòng)化-張坤

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）題 目：直流永磁電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：張坤學(xué) 號(hào)：200967130132專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)：電氣2009-1班指導(dǎo)教師：張富全 高工40內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）直流永磁電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)摘 要永磁直流電動(dòng)機(jī)是由永磁鐵建立主磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)，它不但具有一般電磁式直流電動(dòng)機(jī)所具備的特點(diǎn)，還具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。永磁直流電動(dòng)機(jī)在家用電器、電動(dòng)玩具、辦公設(shè)備、醫(yī)療器械、車(chē)用電動(dòng)機(jī)及航空航天領(lǐng)域中都有大量的應(yīng)用。首先，針對(duì)設(shè)計(jì)電機(jī)的額定功率，再根據(jù)永磁直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行的原理及特點(diǎn)，總結(jié)了永磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)方面的

2、基本原則，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了初步的電磁設(shè)計(jì)。其次，針對(duì)釹鐵硼高矯頑力，高剩磁的特點(diǎn)，對(duì)永磁電機(jī)的磁鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，再根據(jù)磁鋼的特點(diǎn)計(jì)算氣隙，因?yàn)殁S鐵硼電機(jī)設(shè)計(jì)不同于鐵氧體電機(jī)設(shè)計(jì)，槽數(shù)的選擇和計(jì)算方法用一般直流電機(jī)的設(shè)計(jì)思路，再根據(jù)磁鋼和氣隙磁密計(jì)算電樞的槽和齒，使電樞槽滿(mǎn)率一般小于0.8。最后，一般選用經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算電樞反應(yīng)和最后的工作特性，如果和最初的選用數(shù)據(jù)相差太大則重新設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：永磁直流電動(dòng)機(jī)；釹鐵硼；工作特性?xún)?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）Dc permanent magnet motor electromagnetic designAbstractPermanent magne

3、t dc motor is established by a permanent magnet dc motor of main magnetic field, it not only has the general electromagnetic dc motor has the characteristics of the also has the advantages of small volume, high efficiency, simple structure. Permanent magnet dc motor in household appliances, electric

4、 toys, office equipment, medical equipment, automobile motor, and has a large number of applications in the field of aerospace. First, in view of the design of the motor rated power, then according to the permanent magnet dc motor of the structure, operation principle and characteristics, summarized

5、 the basic principle of the permanent magnet motor electromagnetic design aspects, has carried on the preliminary to motor electromagnetic design. Secondly, in view of the NdFeB high coercive force, high residual flux density, the characteristics of magnetic steel to carry on the design of permanent

6、 magnet motor, and calculation according to the characteristics of the magnetic air gap, because NdFeB motor design is different from the ferrite design, selection and calculation of the slot number method with general design idea of dc motor, and according to the magnetic steel and air gap flux den

7、sity calculated armature slots and teeth, Make the armature slot full rate is generally less than 0.8. Finally, generally use empirical formula, calculating armature reaction and the final performance, if the huge difference between data and initial selection of redesign.Key word：Permanent magnet dc

8、 motor; NdFeB; Performance內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）目 錄摘 要IAbstractII前 言1第一章 永磁直流電機(jī)概述21.1 永磁直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展21.2 直流永磁電動(dòng)機(jī)的工作原理21.3 直流永磁電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及用途51.4 直流永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)的比較6第二章 永磁材料的概述82.1 幾種永磁材料82.1.1 鋁鎳鈷永磁材料82.1.2 鐵氧體永磁材料82.1.3 釹鐵硼永磁材料92.2 永磁材料退磁曲線102.3 永磁材料回復(fù)線112.4 永磁材料內(nèi)稟退磁曲線122.5 永磁材料的熱穩(wěn)定132.6 永磁材料的選擇及注意事項(xiàng)152.6.1 永磁

9、材料的選擇152.6.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)15第三章 電磁設(shè)計(jì)方案173.1 額定數(shù)據(jù)173.2 主要尺寸及永磁體尺寸選擇173.3 電樞沖片及電樞繞組計(jì)算203.4 磁路計(jì)算243.5 負(fù)載工作點(diǎn)計(jì)算273.6 換向計(jì)算283.7 最大去磁校核303.8 工作特性的計(jì)算32總結(jié)36參考文獻(xiàn)37附錄38致謝40內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）前 言電機(jī)是用磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。有兩種方法在微型電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所需要的氣隙磁場(chǎng)。一種是在電機(jī)定子繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生，不但需要有專(zhuān)門(mén)的繞組和相應(yīng)的裝置，而且需要不斷供給能量以維持電流流動(dòng)，例如普通的直流電機(jī)和減速電機(jī)

10、；另一種是由永磁體來(lái)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，不但可縮小電機(jī)結(jié)構(gòu)，而且又可以節(jié)約能量，這就是永磁直流電機(jī)。19世紀(jì)20年代初，出現(xiàn)的世界上第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)，在當(dāng)時(shí)永磁材料的磁鋼性能很低，很快被電勵(lì)磁式電機(jī)替代。20世紀(jì)以后，各種永磁材料不斷出現(xiàn)，特別是六、八十年代，隨著鋁鎳鈷永磁材料、鐵氧體永磁材料，尤其是稀土永磁材料的相繼問(wèn)世，它們具有的高剩磁、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線和回復(fù)線的優(yōu)異磁性能特別適合制造電機(jī)。稀土永磁電機(jī)不僅可以取代很多傳統(tǒng)的電勵(lì)磁式電機(jī)，而且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵(lì)磁式電機(jī)所難以達(dá)到的高性能，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的歷史。與電勵(lì)磁式電機(jī)相比，永磁電機(jī)特別是稀土永磁電機(jī)具有

11、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、質(zhì)量輕、體積小、高效率、損耗小等特點(diǎn)電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。目前永磁電機(jī)的最小功率為兆瓦級(jí)，最大達(dá)到1000kW級(jí)，最高轉(zhuǎn)速已超過(guò)300,000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min，最小永磁電機(jī)的機(jī)殼外徑只有0.8mm，長(zhǎng)1.2mm，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國(guó)防和日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)量迅速增加。汽車(chē)行業(yè)是永磁電動(dòng)機(jī)的最大用戶(hù)，電機(jī)性能的好壞與整車(chē)質(zhì)量有著致關(guān)重要的聯(lián)系。這就要求永磁電機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)電機(jī)的性能指標(biāo)達(dá)能夠達(dá)到汽車(chē)行業(yè)所需電機(jī)的要求，達(dá)到汽車(chē)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)等現(xiàn)代

12、設(shè)計(jì)方法的不斷完善，在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、和控制技術(shù)等方面都取得了突破性進(jìn)展，形成了以電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)軟件。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)由信息學(xué)院張富全老師任指導(dǎo)。設(shè)計(jì)過(guò)程中張老師給予了熱心的指導(dǎo)和熱情的幫助，在此對(duì)張老師謹(jǐn)致誠(chéng)摯的謝意。由于本人能力有限，說(shuō)明書(shū)中難免會(huì)出現(xiàn)疏忽甚至錯(cuò)誤，敬請(qǐng)諒解，并懇請(qǐng)給予批評(píng)指正，謝謝！第一章 永磁直流電機(jī)概述1.1 永磁直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展多年來(lái),在控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用直流永磁電機(jī)還是交流電機(jī)的問(wèn)題,一直爭(zhēng)論不休。最近,美國(guó)某公司的研究人員根據(jù)美國(guó)國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)銷(xiāo)售數(shù)據(jù)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),認(rèn)為直流小電機(jī)的銷(xiāo)售量

13、將有較大增長(zhǎng),幾年前被交流電機(jī)奪走的市場(chǎng)將會(huì)重新奪回來(lái)；研究人員認(rèn)為,直流電機(jī)需求量猛烈增長(zhǎng)的因素主要有如下幾個(gè)方面:1、如風(fēng)扇、密封式制冷壓縮電機(jī)和其它可變速電機(jī)如洗衣機(jī)電機(jī)等家用電器,都在能使用永磁直流電機(jī)。2、在很多電子設(shè)備中,用直流電機(jī)替代交流電動(dòng)機(jī),溫度升高問(wèn)題沒(méi)有那么嚴(yán)重。3、越來(lái)越多的工廠自動(dòng)化設(shè)備、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備和辦公室自動(dòng)化設(shè)備需要使用更多的永磁直流電動(dòng)機(jī)。4、永磁直流電機(jī)的控制電路快速發(fā)展。自80年以來(lái), 專(zhuān)用控制芯片和功率元件已在市場(chǎng)上出現(xiàn)。許多標(biāo)準(zhǔn)的控制電路已發(fā)展到第三代,無(wú)刷電機(jī)的控制電路發(fā)展尤為迅速。目前的控制電路比前幾年的更小、更有效、更便宜。1.2 直流永磁電動(dòng)

14、機(jī)的工作原理直流電機(jī)是通過(guò)換向器和電刷以實(shí)現(xiàn)外部電路的直流電與電樞繞組中交流電之間互相轉(zhuǎn)換，并且可以同時(shí)借靜止氣隙磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)電樞繞組中交流電與轉(zhuǎn)軸上機(jī)械轉(zhuǎn)矩之間相互轉(zhuǎn)換的電機(jī)。直流電機(jī)是由定子磁軛、主極鐵心、 氣隙和電樞鐵心構(gòu)成磁路。勵(lì)磁繞組和電樞繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)在氣隙內(nèi)形成 圖1.1 直流電機(jī)原理圖氣隙磁場(chǎng)2。電樞繞組相對(duì)氣隙磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電樞電動(dòng)勢(shì)；載流電樞繞組與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。機(jī)械功率和電功率分別通過(guò)轉(zhuǎn)軸和電刷輸入或輸出，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。而永磁直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)相同，見(jiàn)圖1.1。對(duì)于永磁直流電動(dòng)機(jī)，定子每極有效磁能為不可調(diào)的6。由圖1.1可知，直流電動(dòng)

15、機(jī)的轉(zhuǎn)速 式(1.1) 式中 電樞電阻 一對(duì)電刷壓降 電勢(shì)常數(shù) 其中 電樞導(dǎo)線數(shù) 極對(duì)數(shù) 并聯(lián)支路對(duì)數(shù) 由上式可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)或可改變和控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速永磁直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)很多部分與電勵(lì)式磁直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)相同，主要差別在于勵(lì)磁部分的不同而造成的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)的取值范圍的不同。永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磁場(chǎng)分布多種多樣，計(jì)算準(zhǔn)確度相對(duì)于電勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)較低，而且永磁材料本身磁性能在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，直接影響磁場(chǎng)大小并且使電動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生波動(dòng)，永磁電動(dòng)機(jī)做成后又難以調(diào)節(jié)其性能。這些都增加了永磁直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的復(fù)雜性。除了采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法盡可能提高計(jì)算準(zhǔn)確性外，設(shè)計(jì)中要留有一定的

16、裕度，并充分考慮永磁材料性能波動(dòng)可能帶來(lái)的影響。永磁直流電動(dòng)機(jī)的使用場(chǎng)合極為廣泛，不同的使用場(chǎng)合對(duì)電機(jī)性能的要求大不一樣。有的要求價(jià)格低廉；有的要求伺服性能好；有的工作環(huán)境惡劣，有的要求節(jié)能、效率高，有的則要求功率密度高、體積小；有的則對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)要求苛刻。因而在設(shè)計(jì)時(shí)不論是主要尺寸和電磁負(fù)荷的選擇，還是繞組和沖片的設(shè)計(jì)都有很大差異，選擇的范圍很大，需要針對(duì)用戶(hù)對(duì)電機(jī)性能、尺寸和價(jià)格的具體要求以及所選用的永磁材料。根據(jù)制造廠的現(xiàn)有條件和經(jīng)驗(yàn)，選擇適宜的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)值進(jìn)行多方案比較分析后確定。永磁直流電動(dòng)機(jī)的主要尺寸是指電樞直徑Da和電樞計(jì)算長(zhǎng)度Lef，除了可根據(jù)用戶(hù)實(shí)際使用中安裝尺寸要求和參考

17、類(lèi)似規(guī)格電機(jī)的尺寸確定外，它還可通過(guò)給定的額定數(shù)據(jù)來(lái)選擇。直流電動(dòng)機(jī)的主要尺寸與所選擇的電磁負(fù)荷有密切關(guān)系電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性和要求，經(jīng)過(guò)優(yōu)化或比較分析多種方案，找到最佳的電負(fù)荷和磁負(fù)荷的值永磁電機(jī)則不同，其磁負(fù)荷基本上由永磁材料的性能和磁路尺寸決定，當(dāng)永磁材料和磁極尺寸選定后，氣隙磁密就基本上被決定了，在設(shè)計(jì)時(shí)變化范圍很小。電機(jī)的氣隙磁密主要由所選用的永磁材料的剩余磁密決定。初選時(shí)可根據(jù)永磁材料和磁極結(jié)構(gòu)選取，通常為(0.60.85)Br。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的永磁直流電動(dòng)機(jī)，一般取電負(fù)荷A30100Acm(小功率電動(dòng)機(jī)) A100300Acm(小型電動(dòng)機(jī))功率小時(shí)通常取小值。永磁電機(jī)的

18、氣隙長(zhǎng)度是影響制造性能和成本的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它的取值范圍很寬，在直流永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中選取氣隙的長(zhǎng)度值時(shí)。需要考慮多種因素的影響。從電機(jī)抗去磁能力方面考慮，較小的氣隙長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)提高抗去磁能力有利，但由于裝配工藝和制造的限制，氣隙長(zhǎng)度取值不能取得太小，而且氣隙長(zhǎng)度的較小還將使電機(jī)的換向惡劣。氣隙長(zhǎng)度的選取還與所選用的永磁材料的種類(lèi)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于鋁鎳鉆永磁體，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，抗去磁能力相對(duì)較差，氣隙長(zhǎng)度宜取小一些；鐵氧體永磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較高，氣隙長(zhǎng)度取值可取大一些，而釹鐵硼等稀土永磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度很高，氣隙長(zhǎng)度取值可取更大一些。此外，極數(shù)也是選取氣隙長(zhǎng)度值時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)因素。定子尺寸是永磁體尺寸

19、和機(jī)殼尺寸，而永磁體尺寸與永磁體材料種類(lèi)及磁極結(jié)構(gòu)型式有關(guān)。永磁體磁化方向長(zhǎng)度與氣隙大小有關(guān)，由于永磁體是電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)源，因此永磁體磁化方向長(zhǎng)度的選取首先應(yīng)從電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系出發(fā)，預(yù)估一初值，再根據(jù)具體的電磁性能計(jì)算進(jìn)行調(diào)整；永磁體磁化方向長(zhǎng)度的大小決定了電機(jī)的抗去磁能力，因此還要根據(jù)電樞反應(yīng)去磁情況的校核計(jì)算來(lái)最終確定永磁體磁化方向長(zhǎng)度選擇的是否合適。從磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系出發(fā)，對(duì)于徑向式磁極結(jié)構(gòu)。永磁體磁化方向長(zhǎng)度永磁體磁化方向長(zhǎng)度的初選值可由下式給出： 式(1.2)對(duì)于切向式結(jié)構(gòu)，可將按上式估算出的值加倍后作為永磁體磁化方向長(zhǎng)度的初選值。在永磁體磁化方向長(zhǎng)度的具體選擇中應(yīng)注意的選擇原則是：

20、在保證電機(jī)不產(chǎn)生不可逆退磁的前提下永磁體磁化方向長(zhǎng)度應(yīng)盡可能小。因?yàn)橛来朋w磁化方向長(zhǎng)度過(guò)大將造成永磁材料的不必要浪費(fèi)，增加電機(jī)成本。而機(jī)殼，對(duì)于鐵氧體或釹鐵硼永磁電機(jī)一般采用鋼板拉伸機(jī)殼。由于機(jī)殼是磁路的一部分(定子軛部磁路)，在選擇厚度時(shí)要考慮不應(yīng)使定子軛部磁密太高。一般應(yīng)使：先確定槽數(shù)Q。一般根據(jù)電樞直徑Da(cm)的大小選取Q，并且通常按奇數(shù)槽選擇，因?yàn)槠鏀?shù)槽能減少由電樞齒產(chǎn)生的主磁通脈動(dòng)，有利于減小定位力矩。對(duì)于小功率永磁直流電動(dòng)機(jī)，其槽數(shù)一般為三至十幾槽，但亦有二十多槽的。槽數(shù)的選擇一般從以下幾個(gè)方面考慮：1、當(dāng)元件總數(shù)一定時(shí)，選擇較多槽數(shù)，可以減少每槽元件數(shù)，從而降低槽中各換向元件

21、的電抗電動(dòng)勢(shì)，有利于換向；同時(shí)槽數(shù)增多后，繞組接觸鐵心的面積增加，有利于散熱。但槽數(shù)增多后，槽絕緣也相應(yīng)增加，使槽面積的利用率降低，而且電機(jī)的制造成本也會(huì)有所增加。2、槽數(shù)過(guò)多，則電樞齒t2過(guò)小，齒根容易損壞。齒距通常限制為當(dāng)Da<30cm時(shí) t2>1.5cm當(dāng)Da>30cm時(shí) t2>2.0cm3、電樞槽數(shù)應(yīng)符合繞組的繞制規(guī)則和對(duì)稱(chēng)條件。對(duì)于電樞槽形的選擇。一般選擇梨形槽、半梨形槽或斜肩圓底槽、平行齒的槽形結(jié)構(gòu)，在容量極小的永磁直流電機(jī)中，也有選擇圓形槽的。此外，汽車(chē)、摩托車(chē)用起動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，因電壓僅12V，采用矩形導(dǎo)體和半開(kāi)口矩形槽 圖1.2電樞槽形結(jié)構(gòu)圖如圖所示。在本

22、設(shè)計(jì)中采用梨形槽。 1.3 直流永磁電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及用途永磁直流電機(jī)是用永磁體建立磁場(chǎng)的一種直流電機(jī)。永磁直流電機(jī)廣泛用于各種便攜式的電子設(shè)備或者器具中，如錄音機(jī)、VCD機(jī)、電唱機(jī)、電動(dòng)按摩器及各種玩具，也廣泛用于汽車(chē)、摩托車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、蓄電池車(chē)、船舶、航空、機(jī)械等行業(yè)，在一些高精尖產(chǎn)品中也用廣泛應(yīng)用，如錄像機(jī)，復(fù)印機(jī)、照相機(jī)、手機(jī)、精密機(jī)床、銀行點(diǎn)鈔機(jī)、捆鈔機(jī)等。在舞臺(tái)燈光方面，永磁直流電機(jī)，特別是小型永磁直流齒輪電機(jī)的用量非常大。計(jì)算機(jī)行業(yè)中的打印機(jī)、掃描儀、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、刻錄機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)等都要用到大量永磁直流電機(jī)。汽車(chē)行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、打氣泵更是

23、要用到永磁直流電機(jī)。在武器裝備中，永磁直流電機(jī)廣泛用于導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車(chē)等場(chǎng)合。在工農(nóng)業(yè)方面，永磁直流電機(jī)也廣泛用于電氣和自動(dòng)化控制及儀表中，在醫(yī)用方面，永磁直流電機(jī)用處更不小，如醫(yī)用的各種儀器、手術(shù)工具，如開(kāi)腦用的電動(dòng)鋸骨刀，殘疾車(chē)等都用到永磁直流電機(jī)。在生活方面，用處更多，現(xiàn)在連牙刷也用直流永磁電機(jī)做成電動(dòng)牙刷了。永磁直流電機(jī)的應(yīng)用真的數(shù)不勝數(shù)，可以說(shuō)無(wú)處不在，隨著時(shí)代的發(fā)展，永磁直流機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量在不斷的上升。我國(guó)每年生產(chǎn)的各種永磁直流電機(jī)達(dá)到數(shù)十億臺(tái)以上，生產(chǎn)永磁直流電機(jī)的廠家不計(jì)其數(shù)9。永磁直流電機(jī)具有很好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。它具有體積

24、小、效率高、轉(zhuǎn)速變化范圍大、有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁方法簡(jiǎn)單、價(jià)格適中，以及其他形式不可以替代的特點(diǎn)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的提高，家庭擁有微電機(jī)的數(shù)量必定增長(zhǎng)，其中很大一部分是永磁直流電機(jī)。1.4 直流永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)的比較永磁直流電動(dòng)機(jī)是由永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)。它除了具有電磁式勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)所具有的良好的機(jī)械特性、凋速特性和起動(dòng)特性外，還具有體積小、用銅量少、效率高、溫升低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。由于永磁材料的技術(shù)進(jìn)步，永磁直流電動(dòng)機(jī)在小功率范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。永磁直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算與電磁式電動(dòng)機(jī)不盡相同，尤其是磁路計(jì)算和電樞反應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)的影響方面，有其特點(diǎn)。

25、電磁式電動(dòng)機(jī)中，氣隙磁場(chǎng)隨勵(lì)磁電流而改變，但永磁電動(dòng)機(jī)的永磁材料和磁路尺寸一定時(shí)，氣隙磁場(chǎng)是不能任意調(diào)節(jié)的，它只隨負(fù)載電流的大小有不大的變化。永磁材料磁性能的高低及其穩(wěn)定性，永磁材料的工藝性和經(jīng)濟(jì)性直接影響永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和性能指標(biāo)。電磁式電動(dòng)機(jī)的主要尺寸與電負(fù)荷和磁負(fù)荷的選擇有密切的關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過(guò)優(yōu)化或分析比較多種方案，可以找到最佳的電磁負(fù)荷值。但永磁電動(dòng)機(jī)卻不同，其氣隙磁通密度基本上由永磁材料和磁路尺寸決定，在設(shè)計(jì)時(shí)變化范圍很小，因氣隙磁通密度和永磁材料的剩余磁通密度密切有關(guān)，當(dāng)永磁材料選定后就基本被決定了。對(duì)于鐵氧體永磁材料制造的電動(dòng)機(jī)，由于其較低，為了提高電動(dòng)機(jī)

26、輸出，只能適當(dāng)?shù)卦黾与娯?fù)荷。永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和主要尺寸的比例關(guān)系也主要決定于永磁體的材料性能。例如，鋁鎳鈷合金永磁材料，由于其剩余磁通密度較大而矯頑力較小，因此磁鋼的截面積可以縮小，而長(zhǎng)度應(yīng)增加；當(dāng)采用鐵氧體永磁材料時(shí)，情況正相反，截面積應(yīng)加大斯長(zhǎng)度縮小。如果采用性能優(yōu)異的稀土永磁材料，則其磁鋼截面及長(zhǎng)度都可縮小，整個(gè)電動(dòng)機(jī)的體積也減小了。由于永磁電動(dòng)機(jī)的磁路內(nèi)存在永磁體，它不僅是磁勢(shì)源，而且又是磁路的組成部分之一，麗永磁體的磁性能又比較復(fù)雜，其特性很難用解析公式表示，因此永磁電動(dòng)機(jī)的磁路分析以及負(fù)載運(yùn)行時(shí)的特性分析就比較困難。目前分析永磁電動(dòng)機(jī)磁路和永磁體工作點(diǎn)的基本方法是永磁體工作圖。電磁

27、式直流電動(dòng)機(jī)的漏磁通所占比例不大，對(duì)特性影響也不顯著。但在永磁電動(dòng)機(jī)中，漏磁通有時(shí)占總磁通的較大比例，對(duì)電動(dòng)機(jī)的特性帶來(lái)較大的影響，因此正確計(jì)算或估算永磁電動(dòng)機(jī)的漏磁通或漏磁系數(shù)是很重要的。永磁直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電樞反應(yīng)去磁，為了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性穩(wěn)定，要采取穩(wěn)磁措施。不同的穩(wěn)磁方法，對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的回復(fù)線起始點(diǎn)是不一樣的，通過(guò)穩(wěn)磁過(guò)程使起始點(diǎn)變低，顯然可以保證電動(dòng)機(jī)性能的穩(wěn)定，但永磁體發(fā)出的有效磁通減小，使電動(dòng)機(jī)尺寸增大。因此，要權(quán)衡利弊，適當(dāng)選擇。各種牌號(hào)的永磁材料雖有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)保證其基本性能，但各廠的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不同，而且同一牌號(hào)的永磁材料即使在同一個(gè)工廠生產(chǎn)也因工藝上的參差

28、，使不同日期或不同爐號(hào)的永磁材料性能產(chǎn)生偏差。所有這些因素，都將使永磁電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算的精確度降低。設(shè)計(jì)者應(yīng)掌握永磁材料的實(shí)際性能，使實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的偏差盡量減小。第二章 永磁材料的概述2.1 幾種永磁材料2.1.1 鋁鎳鈷永磁材料最早開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種永磁體材料是鋁鎳鈷是，是由鋁、鎳、鈷、鐵和其它微量金屬元素構(gòu)成的一種合金。在20世紀(jì)30年代初，鋁鎳鈷永磁材料被研制成功。當(dāng)時(shí)，它的磁性能最好，溫度系數(shù)又小，因而在永磁電機(jī)中應(yīng)用得最多、最廣。在60年代以后，隨著稀土永磁材料和鐵氧體永磁材料的相繼問(wèn)世，由于鋁鎳鈷的價(jià)格昂貴，矯頑力非常低，鋁鎳鉆永磁在電機(jī)中的應(yīng)用正在逐步被取代，所占比例整體呈下降趨勢(shì)

29、6。2.1.2 鐵氧體永磁材料鐵氧體一般是指以氧化鐵和其它鐵族或稀土族氧化物為主要成分的復(fù)合磁性氧化物。鐵氧體的外觀多呈黑色，質(zhì)硬而脆，與陶瓷制品相類(lèi)似，大都采用陶瓷工藝與粉末冶金工藝來(lái)制造，故又稱(chēng)為“磁性瓷”4。早在公元前四世紀(jì)我國(guó)就有關(guān)于磁石(慈石)磁性的記載。公元前三世紀(jì)，我國(guó)勞動(dòng)人民利用磁石能夠指向南北的特性制成司南(指南針)。古時(shí)候的磁石就是磁鐵礦，其主要組成是 (鐵氧體)4。由于。的飽和磁化強(qiáng)度僅是金屬鐵的四分之一，因此在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有引起人們的重視。直到二十世紀(jì)初，由于電技術(shù)的發(fā)展，刺激人們尋找新的磁性材料，1909年第一次出現(xiàn)人工合成的鐵氧體，1932年出現(xiàn)了銅鐵氧體和銅鋅復(fù)

30、合鐵氧體，1933年制成了鈷鐵氧體，1935年荷蘭、日本等國(guó)開(kāi)展了尖晶石型軟磁鐵氧體的系統(tǒng)研究工作，到1946年出現(xiàn)軟磁鐵氧體的商品生產(chǎn)。五十年代是鐵氧體蓬勃發(fā)展的時(shí)期，1952年制成了磁鉛石型的鋇鐵氧體，1953-1954年制成了矩磁鐵氧體，1956年出現(xiàn)了柘榴石型鐵氧體并發(fā)現(xiàn)了平面型的超高頻鐵氧體，此后又出現(xiàn)了鈣鈦石型鐵氧體。隨著新材料的不斷出現(xiàn)，鐵氧體的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，從高頻領(lǐng)域推進(jìn)到微波領(lǐng)域、光領(lǐng)域，從靜態(tài)的永磁性擴(kuò)展到脈沖的矩磁性。鐵氧體是由鐵和其他一種或者多種金屬組成的復(fù)合化合物，例如，尖晶石型鐵氧體的化學(xué)分子式為或者，其中是指離子半徑與二價(jià)鐵離子相近的金屬離子如（、）或平均化

31、學(xué)價(jià)為2價(jià)的多種金屬離子組如。隨著替代金屬的不同，可以組成各種不同類(lèi)型的鐵氧體。鐵氧體也可以理解為一種具有鐵磁性的金屬氧化物，目前已經(jīng)出現(xiàn)一些不含鐵離子但卻具有磁性的金屬氧化物和硫化物。如氧化鎳，氧化銪等。鐵氧體的磁特性還表現(xiàn)為高頻時(shí)具有較高的磁導(dǎo)率這是金屬磁性材料包括坡莫合金、鋁硅鐵合金等所不能比擬的。在生產(chǎn)工藝上，鐵氧體類(lèi)似于一般陶瓷工藝，操作方便易于控制，不必再象金屬磁性材料那樣要軋成薄片或制成細(xì)粉介質(zhì)才能應(yīng)用。 綜上所述，由于鐵氧體性能好，成本低，工藝簡(jiǎn)單，又能節(jié)約大量貴金屬，因而已成為高頻弱電領(lǐng)域很有發(fā)展前途的一種非金屬磁性材料。任何事物都是一分為二的鐵氧體磁性材料相對(duì)于金屬磁性材料

32、來(lái)說(shuō)有很多優(yōu)點(diǎn)，但還不能完全替代金屬磁性材料，它和各種高質(zhì)量的鐵磁合金相比也有不足之處，其中最突出的是鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度(一般用4表示，而為磁化強(qiáng)度)較低，通常只有純鐵的l/31/5這就是說(shuō)，由于鐵氧體單位體積中貯存的磁能較低，而限制了它在要求有較高磁能密度的低頻、強(qiáng)電和大功率領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。鐵氧體永磁材料由于它的剩磁低，矯頑力小。所以限制了它在永磁電機(jī)中的應(yīng)用，鐵氧體永磁材料一般只用于微、小型電機(jī)中，而在大、中型電機(jī)中一般都是用釹鐵硼永磁材料作為磁鋼。2.1.3 釹鐵硼永磁材料在19世紀(jì)60年代，稀土永磁材料被研制成功，至今已經(jīng)發(fā)展到第三代，而第三代的釹鐵硼永磁材料由于其體積小、重量輕、和磁

33、性強(qiáng)的特點(diǎn)而且價(jià)格便宜。預(yù)計(jì)在未來(lái)的20-30年代里，不可能有替代釹鐵硼永磁材料出現(xiàn)。所以具有很廣泛的應(yīng)用前景。釹鐵硼永磁材料在1983年研制成功，它是釹，氧化鐵等的合金，又稱(chēng)磁鋼。作為稀土永磁材料發(fā)展的最新結(jié)果，以其優(yōu)異的磁性能而被稱(chēng)為“磁王”。釹鐵硼具有較之鐵氧體和鋁鎳鈷高的磁能積和矯頑力，同時(shí)高能量密度的優(yōu)點(diǎn)使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用，從而使儀器儀表、電聲電機(jī)、磁選磁化等設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化成為可能。釹鐵硼永磁材料是永磁領(lǐng)域劃時(shí)代的革命的象征。由于該材料具有優(yōu)異的磁性能，高磁能積與高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，以其優(yōu)異的磁性能而被稱(chēng)為“磁王”。同時(shí)也由于釹、鐵與硼的

34、資源十分豐富，可使價(jià)廉與性能優(yōu)異的釹鐵硼永磁材料不受資源限制而擴(kuò)大生產(chǎn)與推廣使用，因此國(guó)外對(duì)釹鐵硼永磁材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用十分重視，其發(fā)展甚快。釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用范圍正在日益開(kāi)闊之中，目前直流電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)是其主要應(yīng)用場(chǎng)合。采用釹鐵硼永磁材料制成的電動(dòng)機(jī)具有高力矩、高效率、更好的動(dòng)力特性以及體積小、重量輕等特點(diǎn)，順應(yīng)了現(xiàn)代化電器與電子設(shè)備向輕、薄、小與高效率方向發(fā)展的趨勢(shì)，而這些設(shè)備的發(fā)展反過(guò)來(lái)也促進(jìn)了釹鐵硼永磁材料及其應(yīng)用的迅速發(fā)展，進(jìn)而也促使釹鐵硼永磁電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方興未艾。同時(shí)高能量密度的優(yōu)點(diǎn)使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)，電子技術(shù)中以及醫(yī)療行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用，從而使儀器儀表、電聲電機(jī)、磁

35、選磁化，醫(yī)療器械，醫(yī)療設(shè)備等設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化成為可能。釹鐵硼永磁體的優(yōu)點(diǎn)是性?xún)r(jià)比高，具良好的機(jī)械特性。美國(guó)、日本與歐洲各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)釹鐵硼永磁材料的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用付出了巨大力量。率先開(kāi)發(fā)成功并獲得專(zhuān)利的是美國(guó)通用汽車(chē)公司與日本住友特殊金屬公司。永磁電機(jī)的性能、設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)和應(yīng)用范圍都與永磁材料的性能密切相關(guān)。永磁材料種類(lèi)眾多，性能差別很大，只有全面了解后才能做到設(shè)計(jì)合理，使用得當(dāng)。因此,在研究設(shè)計(jì)永磁電機(jī)之前，首先應(yīng)從設(shè)計(jì)制造電機(jī)的需要出發(fā)，對(duì)最常用的三種主要永磁材料的基本性能，包括磁性能、物理性能進(jìn)行分析。在此，分別用退磁曲線、回復(fù)線、內(nèi)稟退磁曲線以及穩(wěn)定性四項(xiàng)參數(shù)來(lái)表示

36、。另外，也介紹一下選用時(shí)的注意事項(xiàng)。2.2 永磁材料退磁曲線與其他磁性材料一樣，永磁材料首先用磁滯回線來(lái)反映和描繪其磁化過(guò)程的特點(diǎn)和磁特性，即用B=f(H)曲線來(lái)表示永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H改變的特性，如圖2.1所示。該回線包含的面積隨最大充磁磁場(chǎng)強(qiáng)度Hmax的大小而變，Hmax越大，回線面積就越大。當(dāng)Hmax達(dá)到或超過(guò)飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs時(shí)，回線面積漸近地達(dá)到一個(gè)最大值，而且磁性能最為穩(wěn)定4。面積最大的回線被稱(chēng)為飽和磁滯回線，并常簡(jiǎn)稱(chēng)為磁滯回線。磁滯回線在第二象限的部分稱(chēng)為退磁曲線，它是 圖2.1 磁滯曲線永磁材料的基本特性曲線。退磁曲線中磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm為正值而磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm為負(fù)值。這說(shuō)明

37、永磁材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm與磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm的方向相反，磁通經(jīng)過(guò)永磁體時(shí)，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高。這就是說(shuō)，永磁體是一個(gè)磁源，類(lèi)似于電路中的電源。退磁曲線的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm為負(fù)值還表明，此時(shí)作用于永磁體的是退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度。退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度|Hm|越大，永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越小。退磁曲線的兩個(gè)極限位置是表征永磁材料磁性能的兩個(gè)重要參數(shù)。退磁曲線上磁場(chǎng)強(qiáng)度H為零時(shí)相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值稱(chēng)為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，又稱(chēng)剩余磁通密度，簡(jiǎn)稱(chēng)剩磁密度，符號(hào)為Br。單位為T(mén)（特斯拉）。退磁曲線上磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力，簡(jiǎn)稱(chēng)矯頑力，符號(hào)為HcB或BHc，常簡(jiǎn)寫(xiě)為Hc，單位為A/m。我們知道，在

38、國(guó)際單位制中，磁場(chǎng)能量密度wmBH2。因此，退磁曲線上任一點(diǎn)的磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積被稱(chēng)為磁能積，它的大小與該永磁體在給定工作狀態(tài)下所具有的磁能密度成正比。圖2.2示出兩種不同形狀退磁曲線1和2的磁能積(BH)圖2.2 退磁曲線與磁能積曲線與B的關(guān)系曲線3和4，即磁能積曲線。在退磁曲線的第二個(gè)極限位置(BBr，H0)和(B=0，HHc)磁能積為零。在中間某個(gè)位置上磁能積為最大值，稱(chēng)為最大磁能積，符號(hào)為(BH)max，單位為J/m3(焦耳/米3)，它也是表征永磁材料磁性能的重要參數(shù)。2.3 永磁材料回復(fù)線退磁曲線所表示的磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系，只有在磁場(chǎng)強(qiáng)度單方向變化時(shí)才存在。實(shí)際上，永磁

39、電機(jī)運(yùn)行時(shí)受到作用的退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度是反復(fù)變化的。當(dāng)對(duì)已充磁的永磁體施加退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，磁通密度沿圖2.3a中的退磁曲線BrP下降1。如果在下降到P點(diǎn)時(shí)消去外加退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp，則磁密并不沿退磁曲線回復(fù)，而是沿另一曲線PBR上升。若再施加退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度，則磁密沿新的曲線RB'P下降。如此多次反復(fù)后形成一個(gè)局部的小回線，稱(chēng)為局部磁滯回線。由于該回線的上升曲線與下降曲線很接近，可 以近似地用一條直線來(lái)代替，稱(chēng)為回復(fù)線。P點(diǎn)為回復(fù)線的起始點(diǎn)。如果以后施加的退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度HQ不超過(guò)第一次的值Hp，則磁密沿回復(fù)線作可逆變化。如果HQ>Hp，則磁密下降到新的起始點(diǎn)Q，沿新的回復(fù)線變化，不能再沿原來(lái)的

40、回復(fù)線變化。這種磁密的不可逆變化將造成電機(jī)性能的不穩(wěn)定，也增加了永磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算的復(fù)雜性，因而應(yīng)該力求避免發(fā)生。圖2.3 回復(fù)線當(dāng)退磁曲線為曲線時(shí)，的值與起始點(diǎn)的位直有關(guān)，是個(gè)變數(shù)。但通常情況下變化很小，可以近似認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，且近似等于退磁曲線上(Br，0)處切線的斜率值。換句話說(shuō)，各點(diǎn)的回復(fù)線可近似認(rèn)為是一組平行線，它們都與退敲曲線上(Br，0)處的切線相平行。利用這一近似特性，在實(shí)際工作中求取不同工作溫度、不同工作狀態(tài)的回復(fù)線就方便得多。有的永磁材料，如部分鐵氧體永磁的退磁曲線的上半部分為直線，當(dāng)退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定值后，退磁曲線就急劇下降，開(kāi)始拐彎的點(diǎn)稱(chēng)為拐點(diǎn)。當(dāng)退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度不超過(guò)

41、拐點(diǎn)k時(shí)，回復(fù)線與退磁曲線的直線段相重合。當(dāng)退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)拐點(diǎn)后，新的圖2.3 回復(fù)線回復(fù)線RP就不再與退磁曲線重合了(見(jiàn)圖2.3b)。有的永磁材料，如大部分稀土永磁的退磁線全部為直線，回復(fù)線與退磁曲線相重合，可以使永磁電機(jī)的磁性能在運(yùn)行過(guò)程中保持穩(wěn)定，這是在電機(jī)中使用時(shí)最理想的退磁曲線。2.4 永磁材料內(nèi)稟退磁曲線退磁曲線和回復(fù)線表征的是永磁材料對(duì)外呈現(xiàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系。還需要另一種表征永磁材料內(nèi)在磁性能的曲線。由鐵磁學(xué)理論可知，在真空中磁感應(yīng)材料與磁場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系為 式(2.1) 而在磁性材料中 式(2.2)在均勻的磁性材料中，上式的矢量和可改成代數(shù)和 式(2.3)式

42、中 M為磁化強(qiáng)度，是單位體積磁性材料內(nèi)各磁疇磁矩的矢量和，單位為A/m，它是描述磁性材料被磁化程度的一個(gè)重要物理量。上式表明，磁性材料在外磁場(chǎng)作用下被磁化后大大加強(qiáng)了磁場(chǎng)。這時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度B含有兩個(gè)分量，一部分是與真空中一樣的分量H，另一部分是由磁性材料磁化后產(chǎn)生的分量M。后一部分是物質(zhì)磁化后內(nèi)在的磁感應(yīng)強(qiáng)度，稱(chēng)為內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi，又稱(chēng)磁極化強(qiáng)度J。描述內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi(J)與磁場(chǎng)強(qiáng)度H關(guān)系的曲線Bi=f（H）稱(chēng)為內(nèi)稟退磁曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)稟曲線。由此可得Bi=B-H 式(2.4)內(nèi)稟退磁曲線上磁極化強(qiáng)度J為零時(shí)，相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值稱(chēng)為內(nèi)稟矯頑力，又稱(chēng)磁化強(qiáng)度矯頑力，其符號(hào)為，單位為A/m。的值反映

43、永磁材料抗去磁能力的大小。過(guò)去，鋁鎳鈷永磁的內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線很接近，與相近且很小，故一般書(shū)上沒(méi)有強(qiáng)調(diào)內(nèi)稟退磁曲線。現(xiàn)在，稀土永磁的內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線相差很大，遠(yuǎn)大于，這正是表征稀土永磁抗去磁能力強(qiáng)的一個(gè)重要參數(shù)。圖2.4 內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線的關(guān)系值外，內(nèi)稟退磁曲線的形狀也影響永磁材料的磁穩(wěn)定性。曲線的矩形度越好，磁性能越穩(wěn)定。為標(biāo)志曲線的矩形度，特地定義一個(gè)參數(shù)，稱(chēng)為臨界場(chǎng)強(qiáng)，等于內(nèi)稟退磁曲線上當(dāng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度值（見(jiàn)圖2.4），單位為A/m。Hk應(yīng)當(dāng)成為稀土永磁材料的必測(cè)參數(shù)之一。2.5 永磁材料的熱穩(wěn)定圖2.5 可逆損失與不可逆損失為了保證永磁電機(jī)的電氣性能不發(fā)生變化，

44、能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，要求永磁材料的磁性能保持穩(wěn)定。通常用永磁材料的磁性能隨環(huán)境、溫度和時(shí)間的變化率來(lái)表示其穩(wěn)定性，主要包括熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中主要介紹熱穩(wěn)定性和磁穩(wěn)定性?xún)煞N。熱穩(wěn)定性是指永磁體由所處環(huán)境溫度的改變而引起磁性能變化的程度，故又稱(chēng)溫度穩(wěn)定性，如圖2.5所示。當(dāng)永磁體的環(huán)境溫度從t0升至t1時(shí)，磁密從B0降為B1；當(dāng)溫度從t1回到t0時(shí)，磁密回升至，而不是B0；以后溫度在t0和t1間變化，則磁密在和B0間變化。從圖2.5可以看出，磁性能的損失可以分為兩部分：1、可逆損失 這部分損失是不可避免的。各種永磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度可逆變化的程度可用溫度系

45、數(shù)以%表示，單位K-1。 式(2.5)同樣，還常用以%表示永磁材料的內(nèi)稟矯頑力隨溫度可逆變化的程度，單位為K-1。 式(2.6)2、不可逆損失 溫度恢復(fù)后磁性能不能回復(fù)到原有值的部分，稱(chēng)為不可逆損失，通常以其損失率IL()表示。 式(2.7)不可逆損失又可分為不可恢復(fù)損失和可恢復(fù)損失。前者是指永磁體重新充磁也不能復(fù)原的損失，一般是因?yàn)檩^高的溫度引起永磁體微結(jié)構(gòu)的變化(如氧化)而造成的。后者是指永磁體重新充磁后能復(fù)原的損失。永磁材料的溫度特性還可用居里溫度和最高工作溫度來(lái)表示。隨著溫度的升高，磁性能逐步降低，升至某一溫度時(shí)，磁化強(qiáng)度消失，該溫度稱(chēng)為該永磁材料的居里溫度，又稱(chēng)居里點(diǎn)，符號(hào)為了Tc，

46、單位為K或。最高工作溫度的定義是將規(guī)定尺寸(稀土永磁為mm)的樣品加熱到某一恒定的溫度，長(zhǎng)時(shí)間放置(一般取1000h)，然后將樣品冷卻到室溫，其開(kāi)路磁通不可逆損失小于5的最高保溫溫度定義為該永磁材料的最高工作溫度,符號(hào)為了Tw，單位為K或。磁穩(wěn)定性是衡量永磁體品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。永磁體的磁性隨時(shí)間的推移和外界條件(如溫、反磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)與沖擊、與強(qiáng)磁性物質(zhì)接觸等)的作用而變化。在上述各種因素影響下，引起永磁體組織結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)的改變，是造成磁性能變化的微觀原因。組織結(jié)構(gòu)改變引起磁性能改變是與相變引起的晶格結(jié)構(gòu)改變和內(nèi)應(yīng)力降低等因素有關(guān)。這種磁性改變只有通過(guò)永磁的組織結(jié)構(gòu)改造，如材料的重復(fù)熱處理，

47、才能使磁性能獲得部分恢復(fù)。磁結(jié)構(gòu)改變引起的磁性能變化，是在使用過(guò)程中或外界因素改變時(shí)，永磁體磁疇結(jié)構(gòu)力圖建立新的熱力學(xué)穩(wěn)定平衡而造成的。這種變化有可逆與不可逆兩種?？赡孀兓丛谕饨缫蛩鼗謴?fù)到原始狀態(tài)后，磁性能也隨著恢復(fù)，當(dāng)存在磁滯時(shí)，則為不可逆變化。其磁性能可通過(guò)重復(fù)磁化基本上得到恢復(fù)。組織結(jié)構(gòu)的改變，還會(huì)引起磁結(jié)構(gòu)的改變，其所導(dǎo)致的磁性能變化，即使通過(guò)重重磁化，也不可能完全性復(fù)。2.6 永磁材料的選擇及注意事項(xiàng)2.6.1 永磁材料的選擇永磁材料的種類(lèi)多種多樣，性能相差很大，因此在設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)首先要選擇好適宜的永磁材料品種和具體的性能指標(biāo)。歸納起來(lái)，選擇的原則為3：1)應(yīng)能保證電機(jī)氣隙中有足

48、夠大的氣隙磁場(chǎng)和規(guī)定的電機(jī)性能指標(biāo)。2)在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應(yīng)能保證磁性能的穩(wěn)定性。3)有良好的機(jī)械性能，以方便加工和裝配。4)經(jīng)濟(jì)性要好，價(jià)格適宜。根據(jù)現(xiàn)有永磁材料的性能和電機(jī)的性能要求，一般說(shuō)來(lái)，1)隨著性能的不斷完善和相對(duì)價(jià)格的逐步降低，釹鐵硼永磁在電機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。不僅在部分應(yīng)用場(chǎng)合有可能取代其他永磁材料，還可能逐步取代部分傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)。2)對(duì)于性能和可靠性要求很高而價(jià)格不是主要因素的場(chǎng)合，優(yōu)先選用高矯頑力的2：17型稀土鈷永磁。1：5型稀土鉆永磁的應(yīng)用場(chǎng)合將有所縮小，主要用于在高溫情況下使用和退磁磁場(chǎng)大的場(chǎng)合。3)對(duì)于性能要求一般，體積質(zhì)量限制不嚴(yán)，價(jià)格是

49、考慮的主要因素，優(yōu)先采用價(jià)格低廉的鐵氧體永磁。4)在工作溫度超過(guò)300的場(chǎng)合或?qū)囟确€(wěn)定性要求嚴(yán)的場(chǎng)合，如各種測(cè)量?jī)x器用電機(jī)，優(yōu)先采用溫度系數(shù)低的鋁鎳鈷永磁。鋁鎳鈷永磁在永磁材料總量中的比例將逐步下降。5)在生產(chǎn)批量大且磁極形狀復(fù)雜的場(chǎng)合，優(yōu)先采用粘結(jié)永磁材料。具體選用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多種方案的性能、工藝、成本的全面分析比較后確定。2.6.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)在應(yīng)用時(shí)除前面提到的以外還應(yīng)注意：1）此設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的永磁材料的磁性能的典型數(shù)據(jù)均來(lái)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或工廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該注意，永磁材料的實(shí)際磁性能與生產(chǎn)廠的具體制造工藝有關(guān)，其值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)之間往往存在一定的偏差。同種牌號(hào)的永磁材料，不同工廠或同一工廠

50、不同批號(hào)之間都會(huì)存在一定的磁性能差別。而且，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能數(shù)據(jù)是以特定形狀和尺寸的試樣的測(cè)試性能為依據(jù)的，對(duì)于電機(jī)中實(shí)際采用的永磁體開(kāi)頭和尺寸，其磁性能與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間也會(huì)存在一定的差別。另外，充磁機(jī)的容量大小和充磁方法都會(huì)影響永磁體磁化狀態(tài)的均勻性，影響磁性能。因此，為提高電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要向各生產(chǎn)廠家索取該批號(hào)的實(shí)際尺寸的永磁體在室溫和工作溫度下的實(shí)測(cè)退磁曲線。2）永磁材料的磁性能不僅與磁場(chǎng)熱處理工藝有關(guān)，而且與制造工藝和合金成分有關(guān)。熱處理后的永磁材料具有的各向異性，例如磁性能的提高，還帶有方向性，垂直磁場(chǎng)方向最小，順磁場(chǎng)方向最大。而永磁材料沒(méi)有經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)熱處理具有各向同性，磁性能無(wú)方向性。需要留意，具有各向異性的永磁體，在充磁的時(shí)候，如果應(yīng)磁場(chǎng)熱處理時(shí)的磁場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向不一致，永磁材料磁性能會(huì)有所降低。3）根據(jù)國(guó)家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，永磁材料如果從室內(nèi)溫度升高到最高工作溫度并維持一定時(shí)間后再經(jīng)過(guò)冷卻至室內(nèi)溫度，其開(kāi)路磁通的不可逆損失范圍為5%。所以永磁電機(jī)為了保證在運(yùn)作過(guò)程中的性能穩(wěn)定，為了避免發(fā)生明顯的不可逆退磁，永磁材料在使用前應(yīng)先進(jìn)行老化處理，老化處理是將充磁后的永磁材料保持一定穩(wěn)定溫度2-4小時(shí)在最高工作溫度下，以達(dá)到預(yù)先消除不可逆損失的效果。較其他永磁材料相比，由于鐵氧體永磁的矯頑力溫度系數(shù)為正值，溫度越低、