【正文】 出現(xiàn)價(jià)格相對較低的鋁鐵硼永磁后，國 內(nèi)外的研究開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用電機(jī)上，稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)紛紛用稀土永磁電機(jī)來取代，而且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)所難以達(dá)到的高性 能。它正向大功率化 (高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩 )、高功能化和微型化方向發(fā)展。 我國的稀土資源豐富，稀土不稀，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的 4 倍左右湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 號稱“稀土王國”。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。 永磁電機(jī)的主要特點(diǎn)和應(yīng)用 與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)體積小、重量輕、慣性小、響應(yīng)快、高 轉(zhuǎn)矩 /慣量比和高速度 /重量比，高效率和高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，高功率因數(shù)，以及省電和運(yùn)行可靠等等顯著優(yōu)點(diǎn)。 永磁同步電動(dòng)同與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)到 甚至達(dá)到容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇（小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇）和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，從而使其效率比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可提高 2～ 8個(gè)百分點(diǎn)。這類電機(jī)一般都在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動(dòng)繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)的能力，又稱為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。目前主要應(yīng)用于紡織化纖工業(yè)、陶瓷玻璃工業(yè)和年運(yùn)行時(shí)間長的風(fēng)機(jī)、水泵等。取得了明顯的節(jié)能效果。節(jié)電率高達(dá) 10%以上，已經(jīng)進(jìn)行批量生產(chǎn)并獲得用戶的一致好評。特別是 100～ 250kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)。 但是永磁同步電動(dòng)機(jī)制成后難以調(diào)節(jié)磁場以控制其功率因數(shù)和無功功率，需要從其它方面采取措施。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展前景及研究方向 研究方向 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)的研究 3 永磁同步電機(jī)無自起動(dòng)能力，需采取措施使之異步起動(dòng)。 高效高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī) 電機(jī)用于抽油機(jī)時(shí)需要高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使用感應(yīng)電機(jī)時(shí)需增大功率，造成“大馬拉小車”，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。 37kW 永磁電機(jī)可以替代 55kw 感應(yīng)電機(jī)，節(jié)電率大于 20%，無功節(jié)電率約 80%。所開發(fā)的超高效永磁電機(jī)的效率比美國計(jì)劃于 2021 年生產(chǎn)的技術(shù)上達(dá)到極限、經(jīng)濟(jì)上可行的最高效電動(dòng)機(jī)效率高 2~3 個(gè)百分點(diǎn)，而且小一個(gè)機(jī)座號。 圖 永磁電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)的效率和功率因數(shù)比較 大中型高效釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī) 大型電機(jī)功率密度高，在轉(zhuǎn)子磁路中需要安放足夠的永磁體、籠型結(jié)構(gòu)和軸向通風(fēng)道，轉(zhuǎn)子空間十分緊張。 所開發(fā)的 1120kW 樣機(jī)（是目前世界上容量最大的異步起動(dòng)高效稀土永磁電機(jī)）效率高于 %（同規(guī)格電機(jī)效率為 95%）， 功率因數(shù) 。 300kW 永磁電機(jī)是在 1989 年生產(chǎn)的原 JS138－ 4 異步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上只改變轉(zhuǎn)子而成的，效率為 %，功率因數(shù)為 。 h， 節(jié)電費(fèi) 萬元。綜合考慮同步電動(dòng)機(jī)的空載漏磁系數(shù)、凸極比、轉(zhuǎn)子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數(shù)等參數(shù)對牽入轉(zhuǎn)矩的影響，提高了電機(jī)牽入同步能力。 一方面，原有研發(fā)成果在國防、工農(nóng)業(yè)和日常生活等領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用，例如汽車、火車、拖拉機(jī)、機(jī)床、計(jì)算機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、石油、化工、建筑等領(lǐng)域，都急需永磁電機(jī)與其配套以滿足整機(jī)的高效、高速、高響應(yīng)速度和節(jié)能等高性能要求。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺容量己超過 1000kW，最高轉(zhuǎn)速己超過 300 000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于 ，最小電機(jī)的外徑只有 ，長 。 隨著稀土永磁電機(jī)性能的提高和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完善、價(jià)格的降低。 為了滿足需要，稀土永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造工藝尚需不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，電磁結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜 ，計(jì)算結(jié)果更加精確，制造工藝更加先進(jìn)適用。 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)的研究 5 第 2章 永磁材料的性能和選用 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)。因此，在研究永磁電機(jī)之前，首先從設(shè)計(jì)制造永磁電機(jī)的材料需要出發(fā)，扼要介紹電機(jī)中最常用的幾種主要永磁材料。 退磁曲線 與其他慈祥材料一樣，永磁材料首先用磁滯回線來反映和描繪其磁化過程的特點(diǎn)和磁特性，即用 ? ?B f H? 曲線來表示永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 隨 H 改變的特性，如圖 所示。當(dāng) maxH 達(dá)到或超過飽和磁場強(qiáng)度 sH 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。 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。這說明永磁材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度 mB 與磁場強(qiáng)度 mH 的 方向相反，磁通經(jīng)過永磁體時(shí)，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高。退磁曲線的磁場強(qiáng)度 mH 為負(fù)值還表明，此時(shí)作用于永磁體的是退磁磁場強(qiáng)度。 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(gè)極限位置是表征永磁材料磁性能的兩個(gè)重要參數(shù)。退磁曲線上磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 為零時(shí)相應(yīng)的磁場強(qiáng)度值稱為磁感應(yīng)強(qiáng)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）。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。在中間某個(gè)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)。實(shí)際上，永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)受到作用的 退磁磁場強(qiáng)度是反復(fù)變化的。如果在下降到 圖 回復(fù)線 P 點(diǎn)時(shí)消去外加退磁磁場強(qiáng)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。如此多次反復(fù)后形成一個(gè)局部的小回線，稱為局部磁滯回線。 P 點(diǎn)為回復(fù)線的起始點(diǎn)。如果 QPHH? ，則磁密下降到新的起始點(diǎn) 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。 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? 。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 ? ?,0rB 處切線的斜率值。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。當(dāng)退磁磁場強(qiáng)度不超過拐點(diǎn) k 時(shí)，回復(fù)線與退磁曲線的直線段相重合。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(jī)的磁性能在運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定，這是在電機(jī)中使用時(shí)最理想的 退磁曲線。還需要另一種表征永磁材料內(nèi)在磁性能的曲線。上式表明，磁性材料在外磁場作用下被磁化后大大加強(qiáng)了磁場。后一部分是物質(zhì)磁化后內(nèi)在的磁感應(yīng)強(qiáng)度，稱為 內(nèi)稟 磁感應(yīng)強(qiáng)度 iB ，又稱磁極化強(qiáng)度 J 。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。 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(qiáng)度 J 為零時(shí)，相應(yīng)的磁場強(qiáng)度值稱為 內(nèi)稟矯頑力，又稱 磁化強(qiáng)度 矯頑力，其符號為 ciH 、 JcH 或 McH ，單位為 /Am。 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。為標(biāo)志曲線的矩形度，特地定義一個(gè)參數(shù) kH ，稱為臨界場強(qiáng)， kH等于 內(nèi)稟退磁曲線上當(dāng) ? 時(shí)所對應(yīng)的 退磁 磁場強(qiáng)度值，單位為 /Am。 穩(wěn)定性 為了保證永磁電機(jī)的電氣性能不發(fā)生變化，能長期可靠地運(yùn)行，要求永磁材料的磁性能保持穩(wěn)定。 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。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。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。前者是指永磁體重新充磁也不能復(fù)原的損失，一般因?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。 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。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(shí)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? 。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(qiáng)。 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(huì)發(fā)生變化，將嚴(yán)重影響材料的 磁性能。 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 時(shí)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(huì)隨時(shí)間而變化，通常以一定尺寸形狀的樣品的開路磁通隨時(shí)間損失的百分比來表示，叫做時(shí)間 穩(wěn)定性，或叫自然時(shí)效。對 永磁材料而言，隨時(shí)間 的磁通損失與所經(jīng)歷時(shí)間的對數(shù)基本上成線性關(guān)系，因此可以從較短時(shí)間的磁通損失來推算出長時(shí)間的磁通損失，從而判斷出永磁體的使用壽命。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。 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。后者的工藝簡單。在永磁電機(jī)中常用的是鑄造型。 這種材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，最高可達(dá) ，但是它的矯頑力很低，通常小于 160kA/m。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) P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。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嬡辜勤辜通頒的畸變。 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。鋇鐵氧體（ 236BaO FeO? ）和鍶鐵氧體（ 23SrO FeO? ）。 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， cH 為 128～ 320kA/m， 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。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，剩磁溫度系數(shù)為 ? ? % K ?? ，矯頑力溫度系數(shù) Hci? 為? ? %K ?。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。 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)和實(shí)用價(jià)值的三代稀土永磁。第二代稀土永磁是 2： 17 型 SmCo 合金，它們均以金屬鈷為基合金；第三代稀土永磁是以 NdFeB 合金為代表的 Fe 基稀土永磁。如 Sm2 Col7 釤鈷永磁體的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá) T，最大磁能積可達(dá)鋁鎳鈷永磁的 6～ 8 倍。 (3)磁體具有 較好的力學(xué)特性，在振動(dòng)、沖擊等機(jī)械負(fù)荷下，磁性能比較穩(wěn)定。 但是，釤、鈷均為稀有金屬，產(chǎn)量極小，因此，釤鈷磁鋼的價(jià)格昂貴，釤鈷永磁電湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 機(jī)的成本相應(yīng)提高，限制了此種高效節(jié)能電機(jī)的推廣和應(yīng)用。如此大的磁能積可以顯著降低永磁電機(jī)的重量，節(jié)省材料消耗及能源消耗 .在實(shí)際應(yīng)用中，日、歐、美的 NdFeB 磁體磁能積也已達(dá) x 104～ x 104MGAm1，而我國的最高品牌仍然徘徊在 x 104～ x 104MGAm1。 (2)剩磁及矯頑力高，去磁曲線為直線。 (3)原材料豐富，價(jià)格便宜。 釹鐵硼永磁體的這些優(yōu)異性能，使其在電機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用一方面，其磁性能高，氣隙磁密得以提高，從而使電機(jī)用鋼鐵量減少，體積縮小；另一方面，可以有效地改善電機(jī)的性能，使其效