現(xiàn)代永磁電機(jī)理論,孫建忠,第一章 永磁材料的性能和選用,1.1 永磁材料基本特點(diǎn)與參數(shù),1、退磁曲線 Br剩磁密度 Hc矯頑力,2、退磁曲線和磁能積曲線,3、回復(fù)線,曲線型退磁曲線 直線型退磁曲線,回復(fù)磁導(dǎo)率r,4、內(nèi)稟退磁曲線,在磁性材料中：,在均勻磁性材料中，矢量和可寫成代數(shù)和：,H取絕對(duì)值，則有,內(nèi)稟矯頑力反應(yīng)永磁體抗去磁能力。,矯頑力,5、熱穩(wěn)定性,1）可逆損失：溫度系數(shù),可逆損失與不可逆損失,2）不可逆損失溫度回復(fù)后，磁性能不能回復(fù)到原值：損失率,3）居里溫度Tc磁性能消失的溫 度 4）最高溫度使永磁體長(zhǎng)時(shí)間保持在某一溫度，當(dāng)回復(fù)到室溫后，IL5%的溫度。,6、磁穩(wěn)定性Hci大、內(nèi)稟曲線矩形度高，穩(wěn)定性高；回復(fù)線與退磁曲線重合，無不可逆去磁。 7、化學(xué)穩(wěn)定性：NdFeB易腐蝕，保護(hù)層 8、時(shí)間穩(wěn)定性,（一）鋁鎳鈷系合金,1.2 主要永磁材料,成分特點(diǎn)：Fe、Ni、Al等元素為主要成分，并加入Cu、Co和Ti等元素進(jìn)一步提高合金性能。包括鋁鎳型、鋁鎳鈷型和鋁鎳鈷鈦型三種。其中又有各向同性合金、磁場(chǎng)取向合金和定向結(jié)晶合金。,制備方法：鑄造磁鋼與燒結(jié)磁鋼，鑄造鋁鎳鈷合金具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單和產(chǎn)品性能高等特點(diǎn)。絕大部分鋁鎳鈷合金都采用鑄造法生產(chǎn)。,性能特點(diǎn)：高剩磁與低溫度系數(shù)，最大磁能積僅低于稀土永磁。 Tc：757907、 (BH)max約為1672 kJ/m3, Br：0.781.30T, HCB：52112 kA/m。,（二） 永磁鐵氧體 主要種類：鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO6Fe2O3)。晶體結(jié)構(gòu)均屬六角晶系。 制備方法：以Fe2O3、BaCO3和SrCO3為原料，經(jīng)混合、預(yù)燒、球磨、壓制成型、燒結(jié)制成。根據(jù)成型過程中加磁場(chǎng)與否，燒結(jié)鐵氧體材料可制成各向同性磁體和各向異性磁體。各向異性磁體是在壓制成型過程中加上強(qiáng)磁場(chǎng)，使鐵氧體的單疇粒子在磁場(chǎng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，得到易磁化軸與磁場(chǎng)方向一致的強(qiáng)各向異性磁體。此類材料具有高的磁晶各向異性常數(shù)。 性能特點(diǎn)：Tc：450460，具有高矯頑力和低剩磁，但剩磁和最大磁能積偏低,其剩磁溫度系數(shù)是鋁鎳鈷磁體的10倍，不適于制作要求高穩(wěn)定性的精密儀器；在產(chǎn)量極大的家用電器、音響設(shè)備、揚(yáng)聲器、電機(jī)、電話機(jī)、笛簧接點(diǎn)元件和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械等方面得到普遍應(yīng)用，是目前產(chǎn)量和產(chǎn)值最高的永磁材料。,燒結(jié)鐵氧體產(chǎn)品,（三） 鐵鉻鈷系合金 成分特點(diǎn)：以鐵、鉻（23.527.5%）、鈷（11.521.0%）為主；加入適量硅、鉬、鈦。此類合金可以通過成分調(diào)節(jié)將其低的單軸各向異性常數(shù)提高到鋁鎳鈷合金的水平。 制備方法：定向凝固+磁場(chǎng)處理(結(jié)晶與磁雙重織構(gòu))，以及塑性變形與適當(dāng)熱處理的方法(形變時(shí)效)顯著提高合金性能。 性能特點(diǎn)：高剩磁Br 1.53T， Hc 66.5kA/m，(BH)max 76kJ/m3。,(四)稀土永磁材料,二十世紀(jì)八十年代稱為第三代稀土永磁材料。,稀土永磁合金,Re-Co永磁稀土Co永磁,鐵基稀土永磁型 Nd2Fe14B合金為代表的Re-Fe-B系永磁材料,1:5型Re-Co磁體SmCo5單相與多相合金,第一代稀土永磁；二十世紀(jì)六十年代,2:17型Re-Co磁體 Sm2Co17基合金,二十世紀(jì)七十年代;第二代稀土永磁,各類稀土永磁材料的性能比較,Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物為基的一種不含Co的高性能永磁材料。自1983年問世以來發(fā)展極為迅速，目前此類材料磁性已達(dá)如下的水平：最大磁能積407.6 kJ/m3，矯頑力2244.7kA/m。是迄今為止磁性能最高的永磁材料，被譽(yù)為“磁王”。 Nd-Fe-B系合金的另外一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是原材料豐富，價(jià)格便宜，其價(jià)格只相當(dāng)于釤鈷合金的50%左右。,目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的Nd-Fe-B系永磁體包括燒結(jié)磁體、熱壓磁體、鑄造磁體、粘結(jié)磁體和注塑磁體等。但其剩磁溫度系數(shù)較高仍難以取代AlNiCo和Re-Co合金，且易于腐蝕，需表面處理。,1.3 永磁材料的制備技術(shù),不足之處在于硬度高、脆性大、難以進(jìn)行機(jī)械加工。,永磁體的制備方法主要包括鑄造法、粉末冶金(燒結(jié))法和粘結(jié)法,真空熔煉,制粉 (單疇粒子)鑄錠破碎磨粉,粉末磁場(chǎng)取向與成型,平行取向垂直取向,燒結(jié) （磁場(chǎng)下）,熱處理、磁體加工,燒結(jié)磁體元件,燒結(jié)法,燒結(jié)NdFeB,粘結(jié)法：,磁粉與樹脂、塑料或低熔點(diǎn)合金等粘結(jié)劑混合,壓制、擠出或注射成型，固化,粘結(jié)磁體,性能特點(diǎn)：,尺寸精度高、形狀自由度大、機(jī)械強(qiáng)度好、易于調(diào)整磁性能、易于批量生產(chǎn),施加取向磁場(chǎng),各向異性粘結(jié)磁體,粘結(jié)磁體的磁性能：取決于磁粉的性能和磁體的相對(duì) 密度。 粘結(jié)磁體的力學(xué)性能：取決于粘結(jié)劑的性質(zhì)與粘結(jié)工 藝。,鐵氧體磁粉：,磁粉：,Nd-Fe-B磁粉：,熔體急冷(RQ),氫化(HDDR)、機(jī)械合金化(MA),普遍采用,納米復(fù)合磁粉：,納米復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)：納米尺寸軟磁相與永磁相之間的交換耦合作用，使剩磁和最大磁能積明顯增大。,納米復(fù)合磁體：NdFeB/-Fe、SmFeN/-Fe磁體,粘結(jié)磁體中產(chǎn)量最大的一種約占永磁材料總產(chǎn)量的810%；,Since 1988,粘結(jié)磁體,1.4 永磁材料的使用,一、選用合適的永磁材料 價(jià)格 性能 工作溫度 二、退磁曲線實(shí)測(cè)、一致性 三、穩(wěn)磁處理消除不可逆損失 NdFeB：加熱到最高溫保存24h，冷卻至室溫 鐵氧體：降溫到最低溫保存24h，升至室溫（Hc溫度系數(shù)正，溫度越低，Hc越?。?第二章 永磁電機(jī)的磁路計(jì)算,2.1 永磁電機(jī)磁路計(jì)算基礎(chǔ),一、永磁體的等效,r虛擬內(nèi)稟磁通 m永磁體提供的總磁通 0虛擬自退磁（內(nèi)漏磁）磁通,Fm磁動(dòng)勢(shì),磁通源（電流源） 磁動(dòng)勢(shì)源（電壓源） 永磁體的等效,Fc永磁體源的計(jì)算磁動(dòng)勢(shì),二、外磁路的等效,1、空載磁路 主磁通氣隙磁通 漏磁通,2、負(fù)載磁路 主磁通氣隙磁通 漏磁通 直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fa,三、永磁電機(jī)的等效磁路,磁通源 磁動(dòng)勢(shì)源,主磁導(dǎo)： 與磁路的飽和程度有關(guān),漏磁導(dǎo)： 取決于 關(guān)系。 有的電機(jī)與磁路的飽和程度有關(guān)；有的無關(guān)。,漏磁系數(shù)： 空載漏磁系數(shù)： 空載漏磁系數(shù)的應(yīng)用： 1）表征磁路的漏磁大小 2）磁路計(jì)算,2.2 等效磁路分析,一、磁化曲線的處理,1、具有拐點(diǎn)的直線型磁化曲線： 取計(jì)算矯頑力進(jìn)行計(jì)算 工作溫度下磁化曲線 最低工作點(diǎn)不低于拐點(diǎn),2、曲線型磁化曲線： 穩(wěn)磁處理：回復(fù)線（直線化） 最低工作點(diǎn)不低于拐點(diǎn),二、圖解法 1、空載磁路 畫出F曲線 （根據(jù)回復(fù)線及其延長(zhǎng)線） 畫出f(F) 主磁通磁化曲線（主磁導(dǎo)線） 畫出 f(F) 漏磁通磁化曲線（漏磁導(dǎo)線） 疊加畫出合成磁導(dǎo)曲線 工作點(diǎn)：回復(fù)線與合成磁導(dǎo)曲線的交點(diǎn),2、負(fù)載磁路 作出空載工作點(diǎn) 根據(jù)直軸去磁和助磁 平移合成磁導(dǎo)曲線 等效電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa 工作點(diǎn):平移后合成磁導(dǎo)線 與回復(fù)線的交點(diǎn) 去磁校核：最低工作點(diǎn)高于拐點(diǎn),2.3 永磁體的最佳工作點(diǎn),一、最大磁能的最佳工作點(diǎn) 永磁體提供的磁能 永磁體體積 最大磁能工作點(diǎn)：A點(diǎn)在回復(fù)線中點(diǎn) 最大磁能積：BrHc/2,W,二、最大有效磁能時(shí)工作點(diǎn) 考慮漏磁，實(shí)際參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的是有效磁能，而不是永磁體的總磁能。 有效磁能最大時(shí)，A位于rK中點(diǎn),因有效磁能為最大，故,而,負(fù)載漏磁系數(shù),第三章 永磁電機(jī)電磁場(chǎng)分析,3.1 電磁場(chǎng)有限元法,一、電磁場(chǎng)基本原理 1、Maxwell 方程組電磁場(chǎng)基本方程,2、位函數(shù)磁矢位 定義： 穩(wěn)定磁場(chǎng)的微分方程變?yōu)椋?3、平面場(chǎng)域磁場(chǎng)問題轉(zhuǎn)化為邊值問題,4、邊界條件的確定 取一個(gè)極范圍為求解區(qū)域 第一類邊界條件 周期性邊界條件,二、有限元基本原理 1、求解區(qū)域離散化 單元 i、j、m 節(jié)點(diǎn) 2、構(gòu)造插值函數(shù)： 形狀函數(shù),三角形單元,3、條件變分問題離散化得到節(jié)點(diǎn)磁位的方程組 4、非線性問題迭代求解得到節(jié)點(diǎn)磁位,5、有限元后處理磁位的應(yīng)用 計(jì)算磁通 計(jì)算電動(dòng)勢(shì) 畫磁感線：等A線就是磁感線,3.2 永磁電機(jī)電磁場(chǎng)計(jì)算的特點(diǎn),一、永磁體的模擬 永磁體的面電流模型,二、平行充磁和徑向充磁的模擬 平行充磁 徑向充磁,AB、CD：,弧AD、弧BC：,AB、CD：,3.3 永磁同步電機(jī)的參數(shù)計(jì)算,一、氣隙磁密分布 各段徑向磁密： 節(jié)點(diǎn)處徑向磁密：,氣隙磁密分布曲線,二、空載勵(lì)電動(dòng)勢(shì),1、定子內(nèi)圓上節(jié)點(diǎn)磁位A1、A2、.An進(jìn)行傅立 葉級(jí)數(shù)分解 2、每極基波磁通 正弦項(xiàng)系數(shù)b1每極單位長(zhǎng)度q軸磁通的1/2 余弦項(xiàng)系數(shù)a1每極單位長(zhǎng)度d軸磁通的1/2 3、基波電動(dòng)勢(shì),三、電樞反應(yīng)電抗與負(fù)載勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì),1、求解負(fù)載磁場(chǎng)，對(duì)定子內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)磁