【文章內(nèi)容簡介】 的不同，鋁鎳鈷（0）永磁分鑄造型和粉末燒結(jié)型兩種。前者的磁性能較高。后者的工藝簡單。可直接壓制成所需形狀。在永磁電機(jī)中常用的是鑄造型。鋁鎳鈷永磁的顯著特點(diǎn)是溫度系數(shù)小， 左右，因此，隨著溫度的改變磁性能變化很小，目前仍被廣泛用于儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高的永磁電機(jī)中。這種材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，但是它的矯頑力很低，通常小于它的退磁曲線呈現(xiàn)非線性變化。由于鋁鎳鈷永磁的回復(fù)線與退磁曲線并不重合，在磁路設(shè)計(jì)制造時(shí)要注意它的特殊性，由它構(gòu)成的磁路必須事先對永磁體進(jìn)行穩(wěn)磁處理，即事先人工預(yù)加可能發(fā)生的最大去磁效應(yīng)，人為地決定回復(fù)線的起始點(diǎn)的位置，使永磁電機(jī)在規(guī)定或預(yù)期的運(yùn)行狀態(tài)下，回復(fù)線的起始點(diǎn)不再下降。鋁鎳鈷永磁電機(jī)的磁極上通常都有極靴且備有再充磁繞組，使其可以再次充磁來恢復(fù)應(yīng)有的磁能。依據(jù)鋁鎳鈷永磁材料矯頑力低的特點(diǎn)，在使用過程中，嚴(yán)格禁止它與任何鐵器接觸，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸變。另外，為了加強(qiáng)它的抗去磁能力，鋁鎳鈷永磁磁極往往設(shè)計(jì)成長柱體或長棒形。鋁鎳鈷永磁硬而脆，可加工性能較差，僅能進(jìn)行少量磨削或電火花加工，因此加工成特殊形狀比較困難。鐵氧體永磁材料屬于非金屬永磁材料，在電機(jī)中常用的有兩種。鋇鐵氧（）和鍶鐵氧體（）。它們的磁性能相差不多，而鍶鐵氧體的值略高于鋇鐵氧體，更適于在電機(jī)中使用。鐵氧體永磁的突出優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉，不含稀土元素、鈷、鎳等貴金屬；制造工藝也較為簡單；矯頑力較大，為128～320，抗去磁能力較強(qiáng)，密度小，只有4～,質(zhì)量較輕；退磁曲線接近于直線，或者說退磁曲線的很大一部分接近直線，回復(fù)線基本上與退磁曲線的直線部分重合，可以不需要象鋁鎳鈷永磁那樣進(jìn)行穩(wěn)磁處理，因而在電機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，是目前電機(jī)中用量最大的永磁材料。鐵氧體永磁的主要缺點(diǎn)：剩磁密度不高，～，～40 。因而需要加大提供磁通的截面積，使電機(jī)體積增大，環(huán)境溫度對磁性能的影響大，～，～。必須指出，鐵氧體永磁的為正值，其矯頑力隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小，這與其化幾種常駐用永磁材料不同。因此，鐵氧體永磁在使用時(shí)要進(jìn)行最低環(huán)境溫度時(shí)最大去磁工作點(diǎn)的校核計(jì)算，以防止在低溫度時(shí)產(chǎn)生不可逆退磁。另外，鐵氧體永磁材料硬而脆，且不能進(jìn)行電加工，僅能切片和進(jìn)行少量磨加工，通常彩軟質(zhì)砂輪，最好選用R3碳化硅砂輪，并且磨削速度要適當(dāng)，磨削中要用水充分冷卻，這樣既能加快磨削速度，又不致磨裂永磁體。 稀土永磁材料稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁都是高剩磁、高矯頑力、高磁能積的稀土永磁材料，但在某些性能上有較大區(qū)別，現(xiàn)在分別予以介紹： 稀土鈷永磁材料主要有兩類：一類是RC05(R代表稀土元素)，稱為1:5 稀土鈷：另一類是R2C017，稱為2:17稀土鈷。1:5系列的矯頑力比2:17系列高， 而2:17系列的剩磁密度比1:5系列高，在退磁磁場較大的場合宜用l：5系列永磁體?！C頑力可達(dá)800，退磁曲線基本為一條直線。稀土鈷的居里溫度高，一般能達(dá)到710～800，剩磁溫度系數(shù)為一(0．03～)，磁性能穩(wěn)定性好，可在300高溫下使用。此外，稀土鈷具有很強(qiáng)的耐腐蝕和抗氧化能力，通常無需進(jìn)行表面處理。雖然稀土鈷的性能優(yōu)異，但由于含有稀有的金屬釤和戰(zhàn)略金屬鈷，因此價(jià)格昂貴， 限制了它的應(yīng)用范圍，主要應(yīng)用于軍事和航天等要求永磁體體積小、重量輕、磁性能高且穩(wěn)定的場合。 釹鐵硼永磁材料是目前磁性能最好的永磁材料，它的主要成分是Nd2Fel4B。其最大磁能積可達(dá)398，為鐵氧體永磁材料的5～12倍、鋁鎳鈷永磁材料的3～10倍，剩磁密度最高可達(dá)1．47T，矯頑力最高可超過1000， 能吸起相當(dāng)于自身重量640倍的重物。但釹鐵硼的居里溫度低，僅為310～400， 溫度穩(wěn)定性較差，其剩磁溫度系數(shù)為(～)，矯頑力溫度系數(shù)為(～)，一般最高工作溫度為150，但目前已有能耐200高溫的釹鐵硼材料。釹鐵硼在常溫下的退磁曲線是一條直線，但在高溫下其退磁曲線的下部會發(fā)生彎曲，若設(shè)計(jì)不當(dāng)易發(fā)生不可逆退磁。釹鐵硼材料內(nèi)含有大量的釹和鐵成分，易銹蝕，化學(xué)穩(wěn)定性欠佳，一般需要對其表面做電鍍處理，通常鍍層厚度為10～40 。由于釹鐵硼材料中不含鈷，且在稀土中的含量是釤的十幾倍,因此釹鐵硼的價(jià)格比稀土鈷材料要低很多，近些年已廣泛應(yīng)用于永磁電機(jī)中，基本取代了鐵氧體材料。近幾年來，釹鐵硼永磁材料的磁性能大幅度提高，熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性也有了較大的進(jìn)展，價(jià)格也相對有所減低，國內(nèi)外都出現(xiàn)一個(gè)新的應(yīng)用高潮。我國稀土資源豐富，稀土儲存量為世界其他各國存量之和的4倍，稀土礦石和釹鐵硼永磁燒結(jié)的產(chǎn)量已居世界前列。充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應(yīng)用稀土永磁電機(jī)，具有重要的意義。 研制中型高效稀土永磁同步電動機(jī)替代普通異步電動機(jī)和電勵磁同步電動機(jī)，可改變目前我國電能浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)狀，帶來可觀的節(jié)能效果和顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。我國是稀土大國，稀土儲量占世界的80%，研究和開發(fā)中型高效稀土永磁同步電動機(jī)還可大面積推廣應(yīng)用我國資源豐富的釹鐵硼永磁材料，變資源出口為高附加值產(chǎn)品出口，并促進(jìn)稀土永磁材料行業(yè)、電機(jī)行業(yè)、風(fēng)機(jī)水泵行業(yè)和石油化工行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和更新?lián)Q代，產(chǎn)生以科技為先導(dǎo)的新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，并促進(jìn)一些重工業(yè)行業(yè)電機(jī)拖動方面的節(jié)能改造。從上敘述不難看出，稀土永磁材料各方面的性能和特點(diǎn)都優(yōu)于其它的永磁材料。所以，本課題設(shè)計(jì)的永磁同步電動機(jī)中永磁體選用稀土永磁材料。粘結(jié)永磁材料是用樹脂、朔料或低熔點(diǎn)合金材料為粘結(jié)劑，與永磁材料粉末均勻混合，然后用壓縮、注射或擠壓成形等方法制成的一種復(fù)合型永磁材料。按所用永磁材料種類不同。分為粘結(jié)鐵氧體永磁、粘結(jié)鋁鎳鈷永磁、粘結(jié)稀土永磁和粘結(jié)釹鐵硼永磁。通常的鑄造或燒結(jié)永磁體相比，粘結(jié)磁體因含有粘結(jié)劑而使磁性能稍差，但卻具有如下的顯著優(yōu)點(diǎn)：1）形狀自由度大：容易制成形狀復(fù)雜的磁體或薄壁環(huán)、薄片狀磁體。注射成形時(shí)還能嵌 入其化零件一起成形。2）尺寸精度高，不變形：燒結(jié)磁體的收縮率為13%～27%，而粘結(jié)磁體的收縮率只有 %～%。不需要二次加工就能制成高精度的磁體。3）產(chǎn)品性能分散性?。汉细衤矢撸m于大批量生產(chǎn)。4）機(jī)械強(qiáng)度高：不易破碎，可進(jìn)行切削加工。5）電阻率高、易于實(shí)現(xiàn)多極充磁。6）原材料利用率高：澆口、邊角料、廢品等進(jìn)行退磁處理，粉碎后能簡單地再生使用。7）密度小、質(zhì)量輕。因此，采用粘結(jié)永磁體，可以簡化電機(jī)制造工藝，并且能獲得良好的電機(jī)性能，特別是對于一次成形的多極轉(zhuǎn)子或多極定子。采用粘結(jié)永磁體有它得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，深受用戶歡迎. 永磁材料的選擇永磁材料的種類多種多樣，性能相關(guān)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，選擇的原則為：應(yīng)能保證電機(jī)氣隙中有足夠大的氣隙磁場和規(guī)定的電機(jī)性能指標(biāo)。在規(guī)定的環(huán)境條件下，工作溫度和使用條件下應(yīng)能保證磁性能的穩(wěn)定性。有良好的機(jī)械性能，以方便加工和裝配。經(jīng)濟(jì)性要好，價(jià)格適宜。 隨著現(xiàn)有永磁材料的性能和電機(jī)的性能要求，一般說來，隨著性能的不斷完善和相對價(jià)格的逐步降低，釹鐵硼永磁在電機(jī)中的應(yīng)用將越來越廣泛。不僅在部分應(yīng)用場合有可能取代其他永磁材料，還可能逐步取代部分傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)。對性能和可靠性要求高而價(jià)格不是主要因素的場合，優(yōu)先選用高矯頑力的2：17型稀土鈷永磁。1：5型稀土鈷永磁的應(yīng)用場合將有所縮小，主要用于在高溫情況下使用和退磁磁場大的場合。對于性能要求一般，而體積質(zhì)量限制不嚴(yán)，價(jià)格是考慮的主要因素，優(yōu)先采用價(jià)格低廉的鐵氧體永磁。在工作溫度超過300的場合或?qū)囟确€(wěn)定性要求嚴(yán)的場合，如各種測量儀器用電機(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中的比例將逐步下降。在生產(chǎn)批量大且磁極開頭復(fù)雜的場合，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。 永磁材料的應(yīng)用注意事項(xiàng) 在應(yīng)用時(shí)除前面提到的選用原則以外還應(yīng)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。同一種牌號的永磁材料，不同工廠或同一工廠不同批號之間都會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試性能為依據(jù)的，對于電機(jī)中實(shí)際采用的永磁體形狀和尺寸，其磁性能與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間也會存在一定的差別。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，需要向生產(chǎn)廠家索取該批號的實(shí)際尺寸的永磁體在室溫和工作溫度下的實(shí)測退磁曲線，在有條件時(shí)最好能抽樣直接測量出退磁曲線。比較穩(wěn)妥。對于一致性要求高的電機(jī)。更需對永磁材料逐片進(jìn)行檢測。◆ 永磁材料的磁性能除與合金成分和制造工藝有關(guān)外，還與磁場熱處理工藝有關(guān)，所謂磁場熱處理，就是永磁材料在分解反應(yīng)過程中施加外加磁場。以過磁場熱處理后，永磁材料的磁性能提高，而且?guī)в蟹较蛐?，順磁場方向最大，垂直磁場方向最小，這叫做各向異性。對于沒有以過磁場熱處理的永磁材料，磁性能沒以有方向性，稱為各向同性。應(yīng)變注意到，對于各向異性的永磁體，充磁時(shí)的磁場方向應(yīng)與磁場熱處理時(shí)的磁場方向一致，否則磁性能反而會有所降低?！?根據(jù)規(guī)定，永磁材料由室溫長到最高工作溫度并保溫一定時(shí)間后再冷卻到室溫，其開路磁通允許有不大于的不可逆損失。因此為了保證永磁電機(jī)在運(yùn)行過程中性能穩(wěn)定，不發(fā)生明顯的不可逆退磁，在使用前應(yīng)先進(jìn)行穩(wěn)磁處理（或叫老化處理），其辦法是將充磁后的永磁材料長溫至預(yù)計(jì)最高溫度并保溫一定時(shí)間，以預(yù)先消除這部分不可逆損失。鐵氧體永磁則不同。由于它的矯頑力溫度系數(shù)為正值，溫度越低、矯頑力越小，故需進(jìn)行負(fù)溫穩(wěn)磁處理。其辦法是將充磁后的鐵氧體永磁放在低溫箱中，冷凍至使用環(huán)境的緊低溫度。保溫2至4小時(shí)。需要指出的是，以過高溫或負(fù)溫穩(wěn)磁處理后，不能再對永磁體充磁；如有必要再次充磁，則需要重新進(jìn)行高溫和負(fù)溫穩(wěn)磁處理。第3章 永磁同步電動機(jī)的基本理論在對高性能永磁同步電動機(jī)進(jìn)行性能分析、設(shè)計(jì)之前，必須熟悉和掌握相關(guān)的永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行理論。永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行原理和電勵磁同步電動機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵磁繞組勵磁，電動機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電動機(jī)運(yùn)行的可靠性。 隨著永磁材料性能和電力電子器件性價(jià)比的不斷提高，新磁路結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，在永磁同步電動機(jī)理論分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制中出現(xiàn)了許多有待進(jìn)一步深入研究的新課題。本章首先對永磁同步電動機(jī)各種結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)子進(jìn)行介紹和比較，并對永磁同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析，為后面幾章的設(shè)計(jì)工作做好準(zhǔn)備。 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電動機(jī)的定子一般與三相異步電動機(jī)定子相同，必要時(shí)可以借用異步電機(jī)的機(jī)座和定子沖片。但為了減小永磁同步電動機(jī)的雜散損耗，定子繞組常采用雙層短距或正弦繞組形式。永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式一般就是指轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是永磁同步電動機(jī)的關(guān)鍵和核心。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般還要求轉(zhuǎn)子沖片具有整體性、簡單性，并能充分提高永磁體的利用率。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，現(xiàn)在普遍使用的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一般有：表面式和內(nèi)置式。 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)在這種磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，提供磁通的方向?yàn)閺较?，且永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間一般套以起保護(hù)作用的非磁性圓筒，或在永磁磁極表面包以無緯玻璃絲帶作為保護(hù)層。有的調(diào)速永磁同步電動機(jī)的永磁磁極用話多矩形小條拼裝成瓦片形，能降低電動機(jī)的制造成本。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又分為凸出式和插入式兩種，如圖31所示。 a) 凸出式 b)插入式 圖31 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 1永磁體 2轉(zhuǎn)子鐵心 3轉(zhuǎn)軸表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較小、轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點(diǎn)，在矩形波永磁同步電動機(jī)和恒功率運(yùn)行范圍不寬的正高強(qiáng)度波永磁同步電動機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。此外，表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，使之成為能使電動機(jī)氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電動機(jī)以至整個(gè)傳動系統(tǒng)的性能。表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)可充分得用轉(zhuǎn)子磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動機(jī)的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡單，常被某些調(diào)速永磁同步電動機(jī)所采用，但漏磁系數(shù)和制造成本都有較凸出式大。對采用稀土永磁材料的電動機(jī)來說，由于永磁材料的相對可逆磁導(dǎo)率接近1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極結(jié)構(gòu)，而表面插入式轉(zhuǎn)子由于相鄰兩磁極之間有磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，所以在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)因轉(zhuǎn)子表面無法安放起動繞組，無異步起動能力，不能用于異步起動永磁同步電動機(jī)。 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 該類型磁路結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁材料制成的極靴，極靴中可以放置銅條籠或鑄鋁籠，起阻尼或起動作用，動、穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有自起動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電動機(jī)。在該結(jié)構(gòu)中，永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于弱磁擴(kuò)速。按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又可以分為徑向式、切向式和混合式三種。徑向式結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數(shù)小，轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施，極弧系數(shù)易于控制，轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度高，安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。圖32a）的徑向結(jié)構(gòu)為美國專利，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是強(qiáng)有力的隔磁槽有效地阻止了永磁體漏磁，提高了永磁體利用率；但其復(fù)雜的非整體結(jié)構(gòu)增加了工藝難度，較差的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度成為這一結(jié)構(gòu)的致命的弱點(diǎn)。圖32 b）的V字形永磁體結(jié)構(gòu)最早見于英國某產(chǎn)品中，該結(jié)構(gòu)有效地利用了轉(zhuǎn)子空間。 a） b)