永磁电机对磁铁的性能要求有哪些?

2020-11-30 10:22老赵说制造

电机是一种将电能转换成机械能的装置,这种能量转换是以磁场为媒介的,在永磁电机中是以永磁材料产生恒定的磁场,因而永磁电机性能的好坏,直接与所采用的永磁材料的性能参数有着密切的关系。

对剩磁Br的要求

当电流不变时,根据BLI定律,电磁转矩平均值为:T = Bg·I·N·L·Da

上式中,Bg为气隙磁密,N为线圈匝数,L为线圈单边计算长度,Da为电枢直径。电机转矩T和体积不变即L·Da不变,提高Br以增大Bg,使安匝数I·N降低,可以节省漆皮线及降低铜耗,使电机效率提高;若转矩T与安匝I·N不变,提高Br可以減小体积、减轻重量及节省材料。因此,在一般情況下,应选用Br大的材料提高气隙磁密Bg。但是,Bg提高会增加定位转矩,使磁拉力增大,电枢芯片磁饱和程度提高,铁损增加,有些电机不希望出现这些情況,因而宁愿选用Br小些的材料。

对矫顽力Hcb和Hcj 的要求

永磁电机的实际工作点不是在磁铁磁滯回线的H=0的Br点上,而是处在去磁曲线 (或回复线)的某一点上,为了防止不可逆退磁,要求磁铁有足够大的矫顽力Hcb。Hcb越大,磁铁的抗去磁能力越強,磁稳定性越好。表示材料磁化強度退到零的內稟矫顽力Hcj在永磁电机中也是要求越大越好。Hcj 越大,漏磁越小,对NdFeB磁铁而言,Hcj大可使工作温度提高,温度系数小,不可逆热磁损耗小。

对最大磁能积(BH)max的要求

如果磁路漏磁通忽略不计,根据克希霍夫第一定律,磁路中各部分磁通相等,即 BmSm=BgSg。这里Bm为磁铁磁密,Sm为磁铁磁路面积,Bg为气隙磁密,Sg为气隙磁路面积。则Sm=BgSg/Bm。根据克希霍夫第二定律,磁路中各处磁压降相等,即Hmhm=Hgg。这里Hm为磁铁磁场强度,hm为磁铁厚度,Hg为气隙磁场强度,g为气隙长度。则hm=Hg.g/Hm。气隙中,r=1,Bg = rHg = Hg,则磁铁体积Vm=Smhm=Bg^2.Sg.g/Bm.Hm 如果磁铁在最大磁能点工作,即BmHm = BdHd = (BH)max,则Vm=Bg^2.Sg.g/ (BH)max 如果气隙尺寸一定,气隙磁密Bg一定,材料的磁能积越高,磁铁体积就越小。因此永磁 电机通常要求磁铁的(BH)max有较大的值,而且设计时应使磁路工作点尽量接近最大磁能点(BdHd)。因此:

对于铁氧体而言,常温下去磁曲线通常是直线,即有Br/Hcb=Bd/Hd的关系,因此,对于hm/Sm较大即厚而小的磁铁,宜选择Br大Hcb较低的材料;而hm/Sm较小即大而薄的磁铁,宜选择Hcb大Br较小的材料。

对回复磁导率r的要求

回复磁导率r大,回复线(或去磁曲线)的斜率大,工作点磁密低,且电机在不同负载下工作的工作点磁密差异大,这是我们不希望发生的。并且,r大的材料往往Br较大而Hcb较小,抗去磁能力差。因此,对于动态下工作的永磁电机要求r要小,使其动态性能好,磁密变化小,抗去磁能力强。

对退磁曲线线的要求

在永磁电机中,磁铁常处在动态下工作,因此不但要求电机在最大去磁状况(例如堵转)时的工作点在去磁曲线的拐点以上,以防止产生不可逆去磁;同时也要求磁铁拐点以上的去磁曲线线性要好。在相同的Br的及r条件下,去磁曲线线性差的磁铁工作点磁密Bd低,回复线低。回复线与去磁曲线的磁密差异是不可逆去磁,回复线越低,不可逆去磁就越大。只有当去磁曲线为真正的直线时,回复线与去磁曲线重合,才没有不可逆去磁情況出现。

对磁感应温度系数αb的要求

αb是衡量磁铁经饱和磁化后磁密随温度可逆变化的程度,各系磁铁的αb都为负值,即当温度升高时磁密下降。αb的絕对值越小,磁铁的温度稳定性越好。事实上,所谓可逆变化也是相对的,须经过数次反复温度循环才能得到磁性的完全可逆变化。

对居里点Tc的要求

居里点Tc高,其允许的使用温度也高,永磁电机中,磁铁温度通常在150°C以下,这对铁氧体及铝镍钴、稀土钴磁铁来说设计时已无需考虑其居里点,但对于NdFeB磁铁来说,居里点Tc低是其最大缺陷之一。不同牌号的NdFeB居里点差別较大,通常300°C左右,特殊制造的高温 NdFeB可达到450°C,粘结比烧结Tc高。