電機(jī)用永磁材料的分析
發(fā)布時(shí)間：2023年10月8日 |
文章來(lái)源：電機(jī)新視界 |
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1、永磁材料也叫硬磁材料，是一種鐵磁材料。首先顧名思義，它在外加磁場(chǎng)為零時(shí)得有一定的剩磁(Br)；其次，得有一定的抗磁場(chǎng)能力，施加一點(diǎn)磁場(chǎng)前后剩磁不能相差過(guò)大。它與軟磁材料，如硅鋼片的主要區(qū)別是：永磁材料的磁滯回線的面積較大，即剩磁Br和矯頑力Hc都比軟磁材料大。
2、“奇怪”的是，雖然永磁體是鐵磁材料，但是它的相對(duì)磁導(dǎo)率卻只略大于1，即和真空中的磁導(dǎo)率差不多。這是因?yàn)橛来挪牧系某C頑力比較大；如果加一點(diǎn)退磁磁場(chǎng)H就可以使其磁性消失，那就顯得不夠“硬”了，正是軟磁材料的特點(diǎn)。
3、各種永磁材料磁性能差異很大，退磁曲線的形狀也不盡相同。幸運(yùn)的是，我們常用的永磁材料，如鐵氧體和釹鐵硼，退磁曲線在拐點(diǎn)以上是條直線；更妙的是其回復(fù)線正好就在退磁曲線上，這大大簡(jiǎn)化了電機(jī)磁路的計(jì)算。
4、退磁曲線上任何一點(diǎn)，其橫縱坐標(biāo)的乘積表示該點(diǎn)下永磁體的磁場(chǎng)能量密度，稱為磁能積。對(duì)于釹鐵硼或者鐵氧體來(lái)說(shuō)，因?yàn)橥舜徘€近似是條直線，所以這個(gè)概念我個(gè)人認(rèn)為不太重要，因?yàn)椴牧系氖４藕统C頑力都確定后，各點(diǎn)的磁能積也就確定了。
5、計(jì)算電機(jī)的磁路我們通常用永磁材料的退磁曲線，但是更能表征材料磁性能的是內(nèi)稟退磁曲線。內(nèi)稟退磁曲線的起點(diǎn)磁密也是Br，但室溫下其終點(diǎn)內(nèi)稟矯頑力Hcj則大于矯頑力Hc（絕對(duì)值），且牌號(hào)越高差值越大。對(duì)于燒結(jié)釹鐵硼來(lái)說(shuō)，表征內(nèi)稟退磁曲線還有個(gè)參數(shù)是方形度，這是因?yàn)閮?nèi)稟退磁曲線的拐點(diǎn)處的縱坐標(biāo)略小于Br，橫坐標(biāo)略小于Hcj，使得內(nèi)稟退磁曲線與坐標(biāo)軸圍成了近似長(zhǎng)方形。顯然，方形度越高，材料的磁性能越穩(wěn)定。
6、電機(jī)運(yùn)行時(shí)通常其內(nèi)部溫度較高，所以永磁材料在高溫（姑且認(rèn)為是50-150℃吧）下的磁性能尤其重要。剩磁隨溫度的變化率稱為剩磁溫度系數(shù)，約為-0.1%/℃或者更大一點(diǎn)——以后凡是出現(xiàn)磁性能的具體數(shù)值，均是指燒結(jié)釹鐵硼——負(fù)號(hào)表示溫度越高，剩磁越低。這說(shuō)明如果永磁材料的溫度比室溫高100℃，剩磁將近常溫時(shí)的90%。實(shí)際上材料的剩磁溫度系數(shù)隨溫度上升也小有變化，這里點(diǎn)到為止。
7、在工作溫度范圍內(nèi)，剩磁隨溫度的變化是可逆的。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果永磁體在某一溫度下開路保持一段時(shí)間（如3h），冷卻到室溫時(shí)剩磁損失小于5%，則該溫度的最高值就是永磁體的最高使用溫度。通常電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要保證永磁體的溫度比最高使用溫度低20-30℃。
8、內(nèi)稟矯頑力隨溫度的變化率稱為內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)，約為-0.5~-0.7%/℃，可見內(nèi)稟矯頑力對(duì)溫度的變化更敏感，若永磁體升高100℃，內(nèi)稟矯頑力會(huì)降低50%以上。另外提示一下，不同溫度下內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)也不盡相同。
9、為啥不提矯頑力溫度系數(shù)？因?yàn)椴牧系南鄬?duì)磁導(dǎo)率是確定的，所以在工作溫度范圍內(nèi)不同溫度下的退磁曲線是平行的，矯頑力溫度系數(shù)等于剩磁溫度系數(shù)。
10、根據(jù)燒結(jié)釹鐵硼永磁材料內(nèi)稟矯頑力的大小，從小到大可分為N、M、H、SH、UH、EH和TH七類品種，內(nèi)稟矯頑力在960~2790kA/m之間。前文已提及，牌號(hào)越高內(nèi)稟矯頑力與矯頑力的差值越大；前文又提，內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)是剩磁溫度系數(shù)的5倍左右，所以，溫度越高內(nèi)稟矯頑力與矯頑力的差值就會(huì)越小。為了保證高溫下的磁性能，內(nèi)稟矯頑力越大的永磁材料，最高使用溫度更高。如N系列的最高使用溫度為80度，TH系列最高使用溫度是230度。
11、通常燒結(jié)釹鐵硼的牌號(hào)由兩部分組成：磁能積和內(nèi)稟矯頑力。前者表示室溫時(shí)的磁性能，后者表示使用溫度范圍。調(diào)節(jié)內(nèi)稟矯頑力的主要方式是改變貴金屬元素鏑的含量，牌號(hào)越高，永磁體的價(jià)格也越高；如果確認(rèn)電機(jī)內(nèi)部溫度較低，建議盡可能的使用低牌號(hào)。相對(duì)來(lái)說(shuō)磁能積對(duì)永磁體成本的影響不太顯著。
12、澄清一點(diǎn)：我們平時(shí)看到的永磁體處于開路狀態(tài)，這時(shí)的磁通密度可稱之為表觀剩磁，數(shù)值要比Br低一些；如果我們用軟磁材料把永磁體的兩極短接，并認(rèn)為軟磁材料的磁導(dǎo)率無(wú)窮大，這種情況下H=0，永磁體對(duì)外表現(xiàn)就是剩磁Br。
13、簡(jiǎn)單聊一下永磁體在電機(jī)中的工作點(diǎn)是如何確定的。永磁體的充磁面積為Am，充磁長(zhǎng)度為L(zhǎng)m，工作點(diǎn)為Hm，Bm。并假設(shè)：
a．電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心的磁導(dǎo)率無(wú)窮大，永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)全部作用在氣隙上；
c．電機(jī)處于空載，定子電流很小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)永磁體的影響忽略不計(jì)。
氣隙長(zhǎng)度為δ，氣隙內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hδ，氣隙內(nèi)的磁位降等于永磁體內(nèi)的磁位升，于是有：Hm*Lm=-Hδ*δ………………公式一；
氣隙圓周面積為Aδ，氣隙磁密為Bδ，永磁體產(chǎn)生的磁通全部經(jīng)過(guò)氣隙，所以：Bm*Am=Bδ*Aδ；考慮到氣隙是空氣，磁導(dǎo)率為μ0，即Bδ=μ0* Hδ；故Bm*Am=μ0* Hδ* Aδ………………公式二；
讓公式二除以公式一，整理后得到Hm和Bm的關(guān)系式：
Bm=(-μ0* Aδ* Lm/ Am/δ)*Hm，
這是一條過(guò)坐標(biāo)軸原點(diǎn)，斜率為-μ0* Aδ* Lm/ Am/δ的直線。它與退磁曲線的交點(diǎn)就是永磁電機(jī)空載時(shí)（和不工作時(shí)）永磁體的工作點(diǎn)。
14、空載工作點(diǎn)的磁密一般在0.7~0.85倍的Br之間。電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，工作點(diǎn)處的磁能積最大是永磁體用量最少，即最經(jīng)濟(jì)的考慮，但不一定是最可靠的。務(wù)必保證在電機(jī)的工作溫度下，定子退磁電流最大時(shí)永磁體的工作點(diǎn)在退磁曲線的拐點(diǎn)以上。
15、負(fù)載電流，極端情況下的短路電流對(duì)永磁體的退磁校核，見本公眾號(hào)《永磁電機(jī)短路電流退磁分析》。
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