【文章內(nèi)容簡介】 磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線，它是永磁材料的基本基本特性曲線。退磁曲線中磁感應(yīng)強度 mB 為正值而磁場強度 mH 為負值。這說明永磁材料中磁感應(yīng)強度 mB 與磁場強度 mH 的 方向相反，磁通經(jīng)過永磁體時，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高。這就是說，永磁體是一個磁源，類似于電路中的電源。退磁曲線的磁場強度 mH 為負值還表明，此時作用于永磁體的是退磁磁場強度。退磁磁場強度 mH 越大，永磁體的磁感應(yīng)強度就越小 [4]。 圖 退 磁曲 線和磁能積曲線 圖 磁滯回線 1， 2— 退磁曲線 3， 4— 磁 能積 曲 線 退磁曲線的兩個極限位置是表征永磁材料磁性能的兩個重要參數(shù)。退磁曲線上磁場湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 6 強度 H 為零時相應(yīng)的磁感應(yīng)強度值稱為剩余磁感應(yīng)強度，又稱剩余磁通密度，簡稱剩磁密度，符號為 rB ，單位為 T（特斯拉）。退磁曲線上磁感應(yīng)強度 B 為零時相應(yīng)的磁場強度值稱為磁感應(yīng)強度矯頑力 ，簡稱矯頑力，符號為 cBH 或 BcH ，常簡寫為 cH ，單位為 /Am（安 /米）。 退磁曲線上任一點的磁通密度與磁場強度的乘積被稱為磁能積，它的大小與該永磁體在給定的工作狀態(tài)下所具有的磁能密度成正比。圖 示出兩種不同形狀退磁曲線1 和 2 的磁能積 ? ?BH 與 B 的關(guān)系曲線 3 和 4，即磁能積曲線。在退磁曲線的二個極限位置 ? ?,0rB B H??和 ? ?0, cB H H??磁能積為零。在中間某個位置上磁能積為最大值，稱為最大磁能積，符號為 ? ?maxBH，單位為 ? ?33//Jm 焦耳 米 ，它也是表征永磁材料磁性能的重要參數(shù)。對于退磁曲線為直線的永磁材料，顯然在 ? ?/ 2, / 2rcBH 處磁能 積最大，為 ? ?m ax 14 rcBH B H? 回復(fù)線 退磁曲線所表示的 磁通密度與磁場強度間的關(guān)系，只有在磁場強度單方向變化時才存在。實際上，永磁電機運行時受到作用的 退磁磁場強度是反復(fù)變化的。當(dāng)對已充磁的永磁體施加退磁磁場強度時， 磁通密度沿圖 中的 退磁曲線 rBP下降。如果在下降到 圖 回復(fù)線 P 點時消去外加退磁磁場強度 PH ，則磁密并不沿退磁曲線回復(fù)，而是沿另一曲線 PBR 上升。若再施加退磁磁場強度，則磁密沿新的曲線 PBR? 下降。如此多次反復(fù)后形成一個局部的小回線，稱為局部磁滯回線。由于該回線的上升與下降曲線很接近，可以近似地用一條直線 PR 來代替，稱為回復(fù)線。 P 點為回復(fù)線的起始點。如果以后施加的退磁磁場強度 QH 不超過 pH ，則磁密沿回復(fù)線 PR 作可逆變化。如果 QPHH? ，則磁密下降到新的起始點 Q ，沿新的回復(fù)線 QS 變化，不能再沿原來的回復(fù)線 PR 變化。這種磁密的不可逆變化將造成電 機性能的不穩(wěn)定，也增加了永磁電機電磁設(shè)計計算的復(fù)雜性，因而應(yīng)永磁同步電機結(jié)構(gòu)及設(shè)計的研究 7 該力求避免發(fā)生。 回復(fù)線的平均斜率與真空磁導(dǎo)率 0? 的比值稱為相對回復(fù)磁導(dǎo)率，簡稱回復(fù)磁導(dǎo)率，符號為 rec? ，簡寫為 r? 。 01r BH? ? ???? 式中 0? —— 為 真空磁導(dǎo)率，又稱磁性常數(shù)， 70 4 10 Hm?? ??? 當(dāng)退磁曲線為曲線時， r? 的值與起始點的位置有關(guān)，是個變數(shù)。但通常情況下變化很小，可以近似認為是一個常數(shù)，且近似等于退磁曲線上 ? ?,0rB 處切線的斜率值。換句話說，各點的回復(fù)線可近似認為是一組平行線，它們都與退磁曲線上 ? ?,0rB 處的切線相平行。利用這一近似特性，在實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，如部分氧化永磁的退磁 曲線的上半部分為直線，當(dāng)退磁磁場強度超過一定值后，退磁曲線就急劇下降，開始拐彎的點稱為拐點。當(dāng)退磁磁場強度不超過拐點 k 時，回復(fù)線與退磁曲線的直線段相重合。當(dāng)退磁磁場強度超過拐點后，新的回復(fù)線RP 就不再與退磁曲線重合了。有的永磁材料，如大部分稀土永磁的退磁曲線全部為直線，回復(fù)線與退磁曲線相重合，可以使永磁電機的磁性能在運行過程中保持穩(wěn)定，這是在電機中使用時最理想的 退磁曲線。 內(nèi)稟退磁曲線 回復(fù) 線與退磁曲線表征的是永磁材料對外呈現(xiàn)的磁感應(yīng)強度 B 與磁場強度 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)強度與磁場強度間的關(guān)系為 B 0?? H 而在磁性材料中 B 0?? M+ 0? H 在均勻的 磁性材料中，上式的矢量和可改寫 為代數(shù)和 00B M H???? 式中 M 為磁化強度，是單位體積磁性材料內(nèi)各磁疇磁矩的矢量和，單位為 /Am，它是描述磁性材料被磁化程度的一個重要物理量。上式表明，磁性材料在外磁場作用下被磁化后大大加強了磁場。這時磁感應(yīng)強度 B 含有兩個分量，一部分是與真空中一樣的分量0H? ；另一部分是 由磁性材料磁化后產(chǎn)生的分量 0M? 。后一部分是物質(zhì)磁化后內(nèi)在的磁感應(yīng)強度，稱為 內(nèi)稟 磁感應(yīng)強度 iB ，又稱磁極化強度 J 。描述 內(nèi)稟 磁感應(yīng)強度 ? ?iBJ與湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 磁場強度 H 的關(guān)系的曲線 ? ?iB f H?稱為 內(nèi)稟退磁曲線，簡稱內(nèi)稟曲線。由上式可得 0iB B H??? 退磁曲線的 H 取絕對值，上式變?yōu)? 0iB B H??? 或 0iB B H??? 上式表明了 內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線之間的關(guān)系，如圖 所示。由此可看出，? ?iB f H? 與 ? ?B f H? 二條特性曲線中，只要知 道其中一條，另一條就可求出來。 圖 內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線的關(guān)系 內(nèi)稟退磁曲線上 磁極化強度 J 為零時，相應(yīng)的磁場強度值稱為 內(nèi)稟矯頑力，又稱 磁化強度 矯頑力，其符號為 ciH 、 JcH 或 McH ，單位為 /Am。 ciH 的值反映永磁材料抗去磁能力的大小。 除 ciH 的值外， 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，特地定義一個參數(shù) kH ，稱為臨界場強， kH等于 內(nèi)稟退磁曲線上當(dāng) ? 時所對應(yīng)的 退磁 磁場強度值，單位為 /Am。 kH 應(yīng)當(dāng)成為稀土 永磁材料的必測參數(shù)之一。 穩(wěn)定性 為了保證永磁電機的電氣性能不發(fā)生變化，能長期可靠地運行，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、溫度和時間的變化率來表示其穩(wěn)定性，主要包括熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。 熱穩(wěn)定性 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，故又稱溫度穩(wěn)定性，如圖 所示。當(dāng)永磁體的環(huán)境溫度從 01tt升至 時，磁密從 01BB降為 ；當(dāng)溫度從 1t 回到 0t 時， 磁密回升至 0B? ；而不是 0B ；以后溫度在 0t 和 1t 間變化，則 磁密在 0B? 和 0B永磁同步電機結(jié)構(gòu)及設(shè)計的研究 9 間變化。從圖 可以看出，磁性能的損失可分為兩部分：可逆損失和不可逆損失。可逆損失是不可避免的。溫度恢復(fù)后磁性能不能回復(fù)到原有值的部分，稱為不可逆損失。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，一般因為較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。 圖 可逆損失與不可 逆損失 永磁材料的溫度特性還可用居里溫度和最高工作溫度來表示。隨著溫度的升高，磁性能逐步降低，升至某一溫度時，磁化強度消失，該溫度稱為該永磁材料的居里溫度，又稱居里點，符號為 CT ，單位為 K 或 C? 。最高工作溫度的定義是將規(guī)定尺寸的樣品加熱到某一恒定的溫度，長時間放置（一般取 1000h ），然后將樣品冷卻到室溫， 其開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，符號為 T? ，單位為 K 或 C? 。 磁 穩(wěn)定性 磁穩(wěn)定性表示在外磁場干擾下永磁材料 磁性能變化的大小。一種 永磁材料的內(nèi)稟矯頑力 ciH 越大， 內(nèi)稟退磁曲線的矩形度越好（或者說 KH 越大） ，則這種 永磁材料的磁穩(wěn)定性越高，即抗外磁場干擾能力越強。當(dāng) ciH 和 KH 大于某定值后，退磁曲線全部為直線，而且回復(fù)線與退磁曲線相重合，在外施退磁磁場強度作用下，永磁體的工作點在回復(fù)線上來回變化，不會造成不可逆退磁。 化學(xué) 穩(wěn)定性 受酸、堿、氧氣和氫氣等化學(xué)因素的作用，永磁材料內(nèi)部或表面化學(xué)結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，將嚴重影響材料的 磁性能。例如 釹鐵硼 永磁的成分中大部分是鐵和 釹，容易氧化，故在生產(chǎn)過程中需采用各種 工藝措施來防止氧化，要盡力提高 永磁體的密度以減少殘留氣隙來提高抗腐蝕能力，同時要在成品表面涂敷保護層，如鍍鋅、鍍鎳、電泳等。 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 10 時間 穩(wěn)定性 永磁材料充磁以后在通常的環(huán)境條件下，即使不受周圍環(huán)境其它外界因素的影響，其 磁性能也會隨時間而變化，通常以一定尺寸形狀的樣品的開路磁通隨時間損失的百分比來表示，叫做時間 穩(wěn)定性，或叫自然時效。它與材料的內(nèi)稟矯頑力 ciH 和永磁體的尺寸比 LD有關(guān)。對 永磁材料而言，隨時間 的磁通損失與所經(jīng)歷時間的對數(shù)基本上成線性關(guān)系，因此可以從較短時間的磁通損失來推算出長時間的磁通損失，從而判斷出永磁體的使用壽命。 鋁鎳鈷 永磁材料 鋁鎳鈷 （ AlNiCo） 永磁是 20世紀(jì) 30年代研制成功的。當(dāng)時，它的磁性能最好，溫度系數(shù)又小，因而在永磁電機中應(yīng)用得最多、最廣。 60年代以后，隨著鐵氧體永磁和稀土永磁的相繼問世，鋁鎳鈷 （ AlNiCo） 永磁在電機中的應(yīng)用被取代，所占比例呈下降趨勢。 按加工工藝的不同，鋁鎳鈷 （ AlNiCo） 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?？芍?接壓制成所需形狀。在永磁電機中常用的是鑄造型。 鋁鎳鈷永磁的顯著特點是溫度系數(shù)小， Br? 僅為 % 1K? 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)定性高的永磁電機中。 這種材料的剩余磁感應(yīng)強度較高，最高可達 ，但是它的矯頑力很低，通常小于 160kA/m。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)計制造時要注意它的特殊性，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 P的位置，使永磁電機在規(guī)定或預(yù)期的運行狀態(tài)下，回復(fù)線的起始點不再下降。鋁鎳鈷永磁電機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，在使用過程中，嚴格禁止它與任何鐵器接觸，以免造成局部的不可逆嬡辜勤辜通頒的畸變。另外，為了加強它的抗去磁能力，鋁鎳鈷永磁磁極往往設(shè)計成長柱體或長棒形。 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 鐵氧體永磁材料屬于非金屬永磁材料，在電機中常用的有兩種。鋇鐵氧體（ 236BaO FeO? ）和鍶鐵氧體（ 23SrO FeO? ）。它們的磁性能相差不多，而鍶鐵氧體的永磁同步電機結(jié)構(gòu)及設(shè)計的研究 11 Hc值略高于鋇鐵氧體，更適于在電機中使用。 鐵氧體永磁的突出優(yōu)點：價格低廉，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， cH 為 128～ 320kA/m， 抗去磁能力較強，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行穩(wěn)磁處理，因而在電機中應(yīng)用最為廣泛，是目前電機中用量最大的永磁材料。 鐵氧體永磁的主要缺點：剩磁密度不高， rB 僅為 ～ ， 最大磁能積 ? ?maxBH僅為 ～ 40 3/kJm 。因而需要加大提供磁通的截面積，使電機體積增大，環(huán)境溫度對磁性能的影響大，剩磁溫度系數(shù)為 ? ? % K ?? ，矯頑力溫度系數(shù) Hci? 為? ? %K ?。必須指出，鐵氧體永磁的 Hci? 為正值，其矯頑力隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小，這與其他幾種常用永磁材料不同。因此，鐵氧體永磁在使用時要進行最低環(huán)境溫度時最大去磁工作點的 校核計算，以防止在低溫度時產(chǎn)生不可逆退磁。另外，鐵氧體永磁材料硬而脆，且不能進行電加工，僅能切片和進行少量磨加工，通常采用軟質(zhì)砂輪，最好選用 3R 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 稀土永磁是 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的新型金屬永磁材料，經(jīng)過永磁專家的幾十年的共同努力，迄今為止，已經(jīng)形成了具有規(guī)模生產(chǎn)和