微型永磁直流電動機(jī)PPT講座(第一講)

微型永磁直流電動機(jī)培訓(xùn)講師：黃大緒

培訓(xùn)內(nèi)容

通過本次培訓(xùn)使參加培訓(xùn)人員了解以下問題：1.微型永磁直流電動機(jī)特點(diǎn)、用途、分類及工作原理等2.永磁直流電動機(jī)磁路設(shè)計(jì)3.永磁直流電動機(jī)零部件設(shè)計(jì)4.微型永磁直流電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)培訓(xùn)內(nèi)容第一講1、簡述3

微型永磁直流電動機(jī)是指用永磁材料（或加上鐵磁材料）制成磁極，以建立電動機(jī)所需要的激磁磁場的一類直流電動機(jī)。第一講1.1特點(diǎn)、用途和分類4（1）特點(diǎn)微型永磁直流電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單；效率高，出力大；體積小，重量輕；用銅量少；換向性能較好，以及具有下垂的機(jī)械特性，調(diào)速范圍寬；起動轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。

（2）用途

該類電動機(jī)常用于要求起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速范圍大的場合。

（3）分類

a.按性能和特性可分為：經(jīng)濟(jì)型；精密型；動力型。

b.按運(yùn)動方式可分為：旋轉(zhuǎn)式和直線式（如音圈電機(jī)）。c.按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分：有槽式和無槽式。而無槽式又可分為有鐵芯的和無鐵芯的。d.按是否帶有電刷可分為：有刷永磁直流電動機(jī)和無刷永磁直流電動機(jī)。第一講1.2工作原理5

將電能從電網(wǎng)輸入電動機(jī)后，通過電動機(jī)內(nèi)部的電磁作用轉(zhuǎn)為機(jī)械能，帶動機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)做功。作用在轉(zhuǎn)軸和負(fù)載上的轉(zhuǎn)矩，是由轉(zhuǎn)子線圈中的電流同氣隙中的磁場相互作用產(chǎn)生的。而磁場是由永磁體組成的磁極產(chǎn)生的。在電動機(jī)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換過程中，含四種能量形式：電能、機(jī)械能、磁場儲能、熱能。上述四種能量之間關(guān)系如下：電網(wǎng)輸入電動機(jī)的電能=電動機(jī)內(nèi)部磁場儲能的增量+電動機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能的能量損耗+電動機(jī)機(jī)械能輸出第一講1.2工作原理6根據(jù)畢奧—薩伐電磁力定律，通電導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力作用，并且電流方向、磁場方向以及電磁力方向符合左手定則。如圖1所示。電動機(jī)轉(zhuǎn)子線圈在定子磁場中，線圈兩邊將受到電磁力的作用，而形成電磁轉(zhuǎn)矩，如圖2所示。圖1圖2第一講1.2工作原理7

換向器和電刷的作用——能使線圈邊電流方向改變的作用。圖3第一講1.2.1電樞電磁轉(zhuǎn)矩8

通常在電動機(jī)的一個磁極下，氣隙磁通沿電樞鐵芯外圓圓周分布是不均勻的。在磁極的中心位置磁通

磁密度B最大，且從磁極中心線位置向兩磁極邊緣時，磁通密度逐漸變小，直至為零。磁通密度為零的位置恰好處在兩磁極間的幾何中心線上。如圖4所示。根據(jù)畢奧—薩伐電磁力定律，當(dāng)磁場與通電導(dǎo)體相互垂直時，如圖5所示，作用在導(dǎo)體上的電磁力為：F=BIaLδ。電磁力F的單位：N；通電導(dǎo)體在磁場所處的位置的磁通密度B的單位：T；電流Ia的單位：A；通電導(dǎo)體在磁場中的有效長度Lδ的單位：m。圖4圖5第一講1.2.1電樞電磁轉(zhuǎn)矩9如果在磁場中電樞上有一匝線圈通以不變的電流Ia，那末，由一匝線圈的兩個邊產(chǎn)生的電磁力在一個磁極下就形成的電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為：

（1）

其中，

—

—?dú)庀洞磐芏仍谝粋€磁極下的平均值，單位T；

—電樞導(dǎo)體在氣隙中的有效長度（也稱計(jì)算長度），單位m；

—電樞導(dǎo)體中的電流，單位A；

—電樞鐵芯外圓直徑，單位m。電動機(jī)每極的磁通量為：

（2）第一講1.2.1電樞電磁轉(zhuǎn)矩101.2.2電樞感應(yīng)電勢若一根導(dǎo)體，在磁通密度為B(單位為：T)的磁場中，并接上外加電壓為的直流電源后，有電流流過，導(dǎo)體將受到電磁力F的作用，并以線速度(單位：)運(yùn)動，如圖6所示。第一講1.2.2電樞感應(yīng)電勢11

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，運(yùn)動導(dǎo)體切割磁場的磁力線將產(chǎn)生感應(yīng)電勢e，感應(yīng)電勢e加上導(dǎo)體電阻r上的電壓降，同外加電壓平衡：感應(yīng)電勢e的大小為：

式中，——為導(dǎo)體在磁場中的有效長度，單位為m。

感應(yīng)電勢e的方向可用右手定則確定。

在電機(jī)學(xué)中，e稱運(yùn)動電勢或切割電勢或旋轉(zhuǎn)電勢。第一講1.2.2電樞感應(yīng)電勢12

如果電樞上串聯(lián)布置有根總導(dǎo)體數(shù)，氣隙磁場的平均磁通密度為，電樞導(dǎo)體在氣隙磁場中的有效長度（也稱計(jì)算長度）為，那末，電樞的串聯(lián)總導(dǎo)體數(shù)的總平均電勢，如果電動機(jī)電樞線圈被電刷對稱地分成條(——為并聯(lián)支路對數(shù))并聯(lián)支路后，接到外加電壓上。那末，每條并聯(lián)支路兩端的感應(yīng)電勢是相等的，因此，電樞感應(yīng)電勢，又由于電動機(jī)的每極磁通量，電樞鐵芯外圓的線速度，式中，——為電樞轉(zhuǎn)速（rpm）。所以，電樞感應(yīng)電勢

第一講1.2.3電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)和電勢系數(shù)13

公式（3）中

的電流

為電樞線圈導(dǎo)體中的電流，如果電樞繞圈的并聯(lián)支路數(shù)為

，且電動機(jī)的輸入電流為I時，那末，電樞線圈導(dǎo)體中的電流

，所以，公式（3）又可寫成其中，稱為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，單位為。它是直流電動機(jī)的主要參數(shù)，在給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況下，它決定了電動機(jī)的輸入電流值；它也是直流電動機(jī)主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。第一講1.2.3電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)和電勢系數(shù)14前述公式（4）可寫成：稱為電勢系數(shù)，單位為：；若將公式中的轉(zhuǎn)速用角速度表示，而且，得到電勢系數(shù)

，(11）單位為：；第一講1.2.4電動機(jī)損耗及能量流程圖15

電動機(jī)的損耗可以分為兩類：A、同負(fù)載（電磁轉(zhuǎn)矩）有關(guān)的；B、同轉(zhuǎn)速有關(guān)的。

A、同負(fù)載（電磁轉(zhuǎn)矩）有關(guān)的損耗為：(1)電樞線圈的銅損耗：，其中，為電動機(jī)輸入電流，為電動機(jī)電樞電阻。(2)電刷接觸損耗：通常用計(jì)算，其中，——為一對電刷接觸電壓降。(3)換向損耗，是換向線圈內(nèi)的電損耗。該損耗會隨電樞電流（也即負(fù)載）的增大而增加。

第一講1.2.4電動機(jī)損耗及能量流程圖16

B、同轉(zhuǎn)速有關(guān)的損耗為：(1)電刷接觸損耗，也與轉(zhuǎn)速有關(guān)。(2)換向損耗。(3)轉(zhuǎn)子鐵芯損耗。它分為渦流損耗和磁滯損耗。(4)風(fēng)損和摩擦損耗，統(tǒng)稱為機(jī)械損耗。包括：電刷與換向器的摩擦損耗；軸承摩擦損耗，電樞與空氣的摩擦損耗。它們都與轉(zhuǎn)速有關(guān)，隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。若電樞還帶有風(fēng)扇，還應(yīng)加上風(fēng)扇引起的損耗。第一講1.2.4電動機(jī)損耗及能量流程圖17微型永磁電動機(jī)能量流程圖，如圖7所示。第一講1.2.4電動機(jī)損耗及能量流程圖18從機(jī)械系統(tǒng)這一側(cè)看，電磁功率為電磁轉(zhuǎn)矩與電樞角速度的乘積，即。但是，從電磁系統(tǒng)這一側(cè)看，則為：

當(dāng)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用方向與角速度方向一致時，電動機(jī)作機(jī)械功。此時，電樞感應(yīng)電勢的方向與輸入電流方向相反，從電網(wǎng)吸收電功率，并且通過電動機(jī)內(nèi)部的作用過程轉(zhuǎn)換成了機(jī)械功。電動機(jī)的電樞感應(yīng)電勢與輸入電流方向相反，通常又稱之為反電勢。在轉(zhuǎn)速不變的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩（含電樞鐵芯損耗和機(jī)械損耗等造成的損失轉(zhuǎn)矩）相平衡而對負(fù)載作機(jī)械功。第一講2、主要特性19

機(jī)械特性是指當(dāng)加到電動機(jī)電樞回路上兩端的電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化的特性曲線。

每一個電壓對應(yīng)著一條特性曲線。下面分析可知，這條特性曲線是一條下垂的直線，即隨著轉(zhuǎn)矩（橫坐標(biāo)）的增大，轉(zhuǎn)速隨之成正比例降低（縱坐標(biāo)），如圖8所示。2.1機(jī)械特性圖8第一講2、主要特性20如果忽略電樞反應(yīng)和其他引起磁通變化等次要因素，認(rèn)為電動機(jī)的氣隙磁通是一常數(shù)。此外，不計(jì)電勢和電流的脈動分量，那末，電動機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，電樞繞組的感應(yīng)電勢為，電磁轉(zhuǎn)矩，而且，電樞回路的電壓平衡方程式為：2.1機(jī)械特性第一講2、主要特性212.1機(jī)械特性第一講2、主要特性22其中，，公式（19）或（20）即為電動機(jī)的機(jī)械特性解析式。它表明：轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而下降，幾乎是一條直線。為空載轉(zhuǎn)速；為下降的斜率。該斜率同電樞電阻成正比，同轉(zhuǎn)矩系數(shù)與電勢系數(shù)的乘積成反比。也即，電樞電阻小，轉(zhuǎn)矩系數(shù)大時，斜率變小，轉(zhuǎn)速下降得慢，所謂機(jī)械特性較“硬”，反而，機(jī)械特性較“軟”。2.1機(jī)械特性第一講2、主要特性23

已知機(jī)械特性，可進(jìn)行如下計(jì)算：(1)已知機(jī)械特性，可求得對應(yīng)機(jī)械特性上各點(diǎn)的輸出功率和最大輸出功率運(yùn)行點(diǎn)：2.1機(jī)械特性公式（21）表明，輸出功率P2隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩T變化的關(guān)系是一條二次拋物線。當(dāng)T=0時，P2=0，當(dāng)T=

n0/cn

時，即堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時，P2

=0，因此，中間有一個最大輸出功率值。對公式（21）求導(dǎo)數(shù)，并使導(dǎo)數(shù)為零，可得：

對應(yīng)最大輸出功率時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：（22）第一講2、主要特性24該轉(zhuǎn)矩為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的一半，且此時的轉(zhuǎn)速為空載轉(zhuǎn)速的一半，即

（23）最大輸出功率（24）最大輸出功率時的電磁轉(zhuǎn)矩，電流以及輸入功率和效率，均可求得：2.1機(jī)械特性第一講2、主要特性25(2）已知機(jī)械特性，可求得電動機(jī)的最大效率運(yùn)行點(diǎn)：，即為輸出功率同輸入功率之比，且式中為電磁功率，機(jī)械損耗功率，所以，2.1機(jī)械特性應(yīng)用公式（20）可得：第一講2、主要特性26由公式（25）知：當(dāng)以及時，也即和時，均為零，也就是對應(yīng)于和時，在中間有一效率的最大值。用公式（25）對求導(dǎo)數(shù)，且使導(dǎo)數(shù)為零，可得對應(yīng)最大效率時的感應(yīng)電勢2.1機(jī)械特性并得到公式（28）表明：電動機(jī)的最大效率，取決于空載時電樞電阻壓降的相對值；在端電壓一定的情況下，取決于空載電流和電樞電阻。空載電流由對應(yīng)于轉(zhuǎn)子鐵芯損耗和機(jī)械損耗的損失轉(zhuǎn)矩決定。第一講2、主要特性27對應(yīng)于最大效率時的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩和功率均可求得：2.1機(jī)械特性第一講2、主要特性28

對應(yīng)于最大效率時的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩和功率均可求得：2.1機(jī)械特性從上面的分析可知，最大輸出功率對應(yīng)于二分之一空載轉(zhuǎn)速，此時的效率較低，經(jīng)驗(yàn)表明，在50%以下。因此，電動機(jī)不常在最大輸出功率點(diǎn)上運(yùn)行。最大效率點(diǎn)的輸出功率一般小于最大輸出功率，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也較高，電動機(jī)的額定運(yùn)行點(diǎn)通常取在其附近。第一講2、主要特性29令，此參數(shù)對電動機(jī)的機(jī)械特性影響很大。對應(yīng)最大效率點(diǎn)上的各物理量的值主要由值決定。將公式（28）、（29）、（30）、（31）、（32）、（33）、（34）可改寫成：2.1機(jī)械特性第一講2、主要特性30

調(diào)節(jié)特性是指當(dāng)加到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速隨著加到電樞回路兩端的電壓的變化而變化的特性曲線。每一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩對應(yīng)著一條特性曲線。從公式（19）可以看出，是一條直線，即隨著電壓（橫坐標(biāo)）的增大，轉(zhuǎn)速隨之正比例升高（縱坐標(biāo)），如圖9所示。2.2調(diào)節(jié)特性第一講2、主要特性31

穩(wěn)速微型永磁直流電動機(jī)的功能是，當(dāng)加到電樞回路兩端的電壓在容許的范圍內(nèi)變化時，以及加到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在容許的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)保持恒定。分下列三種情況：(1)電樞回路兩端電壓恒定，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性用百分?jǐn)?shù)來表示。即定義為：1/2額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速與額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速之差對額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)，稱為電壓一定時的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度，用K1表示。2.3穩(wěn)速品質(zhì)--帶上穩(wěn)速器之后作為穩(wěn)速微型永磁直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

式中，nN

——額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速；n1/2——1/2額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速。K1一般在1.5%～3%范圍內(nèi)。第一講2、主要特性32(2)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定，電樞回路兩端電壓變化時，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性用百分?jǐn)?shù)來表示。即定義為：電壓自最大使用電壓降低到最小使用電壓時，兩個轉(zhuǎn)速之差對最小使用電壓的轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)，稱為轉(zhuǎn)矩一定時的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度，用K2表示。2.3穩(wěn)速品質(zhì)--帶上穩(wěn)速器之后作為穩(wěn)速微型永磁直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

式中，nvmax

——最大使用電壓時的轉(zhuǎn)速；nvmin——最小使用電壓時的轉(zhuǎn)速。K2一般在1.5%～3%范圍內(nèi)。第一講2、主要特性33(3)加到電樞回路兩端的電壓以及加到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在容許的范圍內(nèi)變化時，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性用百分?jǐn)?shù)來表示。即定義為：1/2額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時最大使用電壓下轉(zhuǎn)速與額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時最小使用電壓下轉(zhuǎn)速之差同額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時最小使用電壓下轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)，稱為綜合轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度，用K3表示。2.3穩(wěn)速品質(zhì)--帶上穩(wěn)速器之后作為穩(wěn)速微型永磁直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

式中，——額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時最大使用電壓下的轉(zhuǎn)速；——額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時最小使用電壓下的轉(zhuǎn)速。K3一般在2%～5%范圍內(nèi)。第一講2、主要特性34

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)速微型永磁直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)際上是不斷變化的。這些變化，大致可分為三類：轉(zhuǎn)速漂移（轉(zhuǎn)速隨時間做較緩慢的變化）；轉(zhuǎn)速抖動（轉(zhuǎn)速隨時間作很快的變化）；轉(zhuǎn)速擾動（轉(zhuǎn)速變化是一種突變的性質(zhì)）。由于引起變化的原因很多，不是唯一的。一種原因可以引起漂移，也可以引起抖動或擾動。所以，對規(guī)定的轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定度也可統(tǒng)一定義為：2.3穩(wěn)速品質(zhì)--帶上穩(wěn)速器之后作為穩(wěn)速微型永磁直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

其中，——對規(guī)定的轉(zhuǎn)速的最大偏離值，n——規(guī)定的轉(zhuǎn)速。第一講2、主要特性35

電樞回路兩端電壓為額定值時，起動轉(zhuǎn)矩同額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用Kst表示。一般Kst=4~6倍，有的情況可達(dá)Kst=8~10倍，甚至更大。當(dāng)用于自動化裝置中作為執(zhí)行元件——伺服電動機(jī)時，一般還應(yīng)具有如下特性：(1)快速響應(yīng)，即機(jī)電時間常數(shù)要?。?2)控制靈敏，在低信號電壓下起動性能好，控制信號死區(qū)小，即起動電壓小。2.4起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

第一講3.常用永磁材料性能和選用36

將永磁材料制成等截面的磁環(huán)。在環(huán)上均勻地繞上線圈。若線圈中流有電流I，如圖10所示。對磁環(huán)的進(jìn)行充磁磁化，可得到磁滯回線，如圖11所示。3.1永磁材料的磁滯特性及其退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線

第一講3.常用永磁材料性能和選用37

當(dāng)增大電流，使磁場強(qiáng)度H達(dá)到HS時，磁環(huán)已達(dá)到飽和，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（也稱磁通密度）為BS。減小電流使H逐漸單方向降低到零，則磁感應(yīng)強(qiáng)度并不降到零，而降到Br，這個Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。若從這點(diǎn)開始改變電流方向并使反向電流不斷增大，則H也改變了方向并單方向不斷增大到HC，使磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到零，這個HC稱為矯頑力。它和Br是永磁材料的主要性能參數(shù)。從Br到HC的曲線段是在第二象限，稱為退磁曲線，即曲線。B的單位為：T，H的單位為。由鐵磁學(xué)理論可知，在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度同磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系為3.1永磁材料的磁滯特性及其退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線

第一講3.常用永磁材料性能和選用38

但是，在磁性材料中的這類鐵磁物質(zhì)中，由于在外磁場作用下被磁化后將會大大增強(qiáng)其磁場。這是因?yàn)檫@類鐵磁物質(zhì)都是由晶體構(gòu)造，每個晶體內(nèi)有許多很小的自發(fā)磁化區(qū)域，叫做磁疇。每個磁疇含有1015個原子，每個原子中的不成對的電子自旋形成磁疇的磁矩。因此種磁矩是無序排列（紊亂的），所以在鐵磁物質(zhì)內(nèi)部合成的磁化強(qiáng)度等于零。在外磁場的作用下磁矩的方向改變和疇壁的移動，呈現(xiàn)有序排列。因此，在宏觀上大大增強(qiáng)磁場。也即磁性材料在外磁的作用下被磁化后大大加強(qiáng)了磁場。所以，公式（45）可寫為3.1永磁材料的磁滯特性及其退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線

式中是鐵磁物質(zhì)被磁化后內(nèi)在的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度，又稱磁極化強(qiáng)度。第一講3.常用永磁材料性能和選用39

描述內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度同磁場強(qiáng)度的關(guān)系曲線，稱為內(nèi)稟退磁曲線（在第二象限），簡稱內(nèi)稟曲線。

磁疇的磁矩在絕對溫度為零時最大，隨著溫度升高會減小，當(dāng)達(dá)到居里溫度時，磁疇的磁矩宏觀上對外表現(xiàn)為零，鐵磁物質(zhì)失去磁性。各種永磁材料的居里溫度是不同的。釹鐵硼永磁材料的居里溫度較低。若上述磁環(huán)中的材料為均勻磁性材料而且磁場為均勻磁場，均沿著圓周，且方向均為圓周上一點(diǎn)的切線方向。因此，矢量可改為標(biāo)量，即：，又可得：。3.1永磁材料的磁滯特性及其退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線

如果退磁曲線的磁場強(qiáng)度H的負(fù)軸，改為正軸，也即取絕對值，那末，有：第一講3.常用永磁材料性能和選用40

從圖11中可知，當(dāng)電流I繼續(xù)反向增大到使磁場強(qiáng)度時，此時

左右，HK稱為臨界場強(qiáng)。HK越大，矩形度越高，說明永磁材料抗外磁場能力越強(qiáng)，磁穩(wěn)定性越好。當(dāng)電流I反向增大使磁場強(qiáng)度時，永磁材料的內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到零，磁環(huán)已完全失磁。稱作內(nèi)稟矯頑力。退磁曲線中磁感應(yīng)強(qiáng)度B為正值，而磁場強(qiáng)度H為負(fù)值，這說明B同H的方向相反，磁通經(jīng)過磁環(huán)時，沿磁通方向的磁位差不是降低而是升高。這就是說，磁環(huán)是一個磁源，類似于電路中的電源。3.1永磁材料的磁滯特性及其退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線

上述的閉合磁環(huán)，即使充好磁，使其磁化，其內(nèi)部存在剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，也不能在外界產(chǎn)生有用的磁場。就好像一臺發(fā)電機(jī)在短路狀態(tài)，對外界不能輸出電功率。若充好磁的磁環(huán)中存在一個缺口，形成一個氣隙，那末，在氣隙的兩端就形成了兩個磁極N和S，如圖12所示。根據(jù)磁通連續(xù)性原理,磁通是連續(xù)的，如果氣隙的截面和磁環(huán)的截面一樣，則磁環(huán)內(nèi)的磁通密度和氣隙中磁通密度的大小及方向完全相同。但是，磁場強(qiáng)度是不連續(xù)的。根據(jù)全電流定律，有：第一講3.常用永磁材料性能和選用413.1永磁材料的磁滯特性及其退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線

公式（50）為一直線方程式，在B-H坐標(biāo)上，其斜率。所以，通過原點(diǎn)作直線，使得斜率，同退磁曲線交于點(diǎn)，這點(diǎn)就是磁環(huán)的靜態(tài)工作點(diǎn)（相當(dāng)于電機(jī)的空載工作點(diǎn)），這是因?yàn)楹捅仨氃谕舜徘€上，如圖11所示。Hm的物理意義是：由于永磁體（磁環(huán)）不是無限長，其兩端要出現(xiàn)磁極，此磁極在其內(nèi)部形成一個與原磁化方向相反的“自退磁場”。所以，沒有外界退磁場時，因“自退磁場”的存在，永磁體也要退磁。這是在閉合磁環(huán)中，充磁后的剩磁為Br，而磁環(huán)開一個口，永磁體（磁環(huán)）內(nèi)磁通密度從Br下降到Bm的原因。若將退磁曲線的縱坐標(biāo)乘以磁環(huán)的截面積Sm，得到磁通量

的坐標(biāo)，將橫坐標(biāo)乘以磁環(huán)在磁化方向的平均長度hm，得磁勢F的坐標(biāo)，第一講3.常用永磁材料性能和選用423.1永磁材料的磁滯特性及其退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線

所以退磁曲線也可以用曲線來表示。的單位為Wb，F(xiàn)的單位為A/m。鋁鎳鈷永磁材料，退磁曲線的形狀同鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料（稀土鈷、釹鐵硼）的退磁曲線的形狀相比較有很大的區(qū)別，如圖13所示。第一講3.常用永磁材料性能和選用433.1永磁材料的磁滯特性及其退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線

鑄造型鋁鎳鈷永磁Br最高可達(dá)1.35T，但矯頑力HC低，通常小于160KA/m，內(nèi)稟矯頑力同HC接近，相差不大，而且退磁曲線是非線性的；鑄造型鐵氧體永磁Br較低，一般為0.2～0.45T，矯頑力HC比較高，為128～320KA/m，高的可達(dá)350KA/m左右，內(nèi)稟矯頑力同HC接近，相差也不大，退磁曲線基本上是一條直線；稀土永磁，如鑄造稀土鈷永磁Br值較高，一般為0.85～1.15T，矯頑力HC為480～800KA/m，內(nèi)稟矯頑力比HC大，退磁曲線基本上是一條直線；又如鑄造型釹鐵硼永磁，Br一般為1.02～1.25T，最高可達(dá)1.48T，矯頑力HC為760～992KA/m，內(nèi)稟矯頑力很大，一般為880～1680KA/m，最高可達(dá)2240KA/m，退磁曲線是一條直線。必須指出的是：對應(yīng)不同的溫度，有不同的退磁曲線。第一講3.常用永磁材料性能和選用443.2回復(fù)線

退磁曲線所表示的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系，只有在磁場強(qiáng)度單方向變化才存在。對已充磁磁化了的磁環(huán)，在外界去磁磁場的作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿圖14中的退磁曲線段BrP下降。如果在下降到P點(diǎn)時消去外加磁場強(qiáng)度HP，則磁感應(yīng)強(qiáng)度并不會沿退磁曲線段BrP回復(fù)到Br點(diǎn)，而是沿另一曲線段PBR上升到R點(diǎn)。若再施加去磁磁場，則磁感應(yīng)強(qiáng)度沿曲線段RB/P下降到P點(diǎn)。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“磁性適應(yīng)”現(xiàn)象，當(dāng)H的值在一定范圍內(nèi)反復(fù)變化若干次后才能完全重合。該回線的上升曲線與下降曲線很接近，可以近似地用一條直線來代替，稱為回復(fù)線。P點(diǎn)為回復(fù)線的起點(diǎn)。如果以后施加的去磁磁場強(qiáng)度不超過第一次的值HP，則磁感應(yīng)強(qiáng)度沿回復(fù)線作可逆變化。如果去磁磁場強(qiáng)度大于HP，比如，HQ>HP，則磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到新的起始點(diǎn)Q，沿新的回復(fù)線變化，不能再沿原來的回復(fù)線變化?；貜?fù)線的平均斜率與真空磁導(dǎo)率μ0

的比值μ稱為相對回復(fù)磁導(dǎo)率，簡稱回復(fù)磁導(dǎo)率（也稱回復(fù)系數(shù)或可逆磁導(dǎo)率）。第一講3.常用永磁材料性能和選用453.2回復(fù)線

當(dāng)退磁曲線為非線性時，μr的值與起始點(diǎn)的位置有關(guān)，不是常量，而是變量。但通常變化較小，可近似地認(rèn)為是一個常數(shù)，且近似等于退磁曲線在（Br，0）點(diǎn)處的切線的斜率值。對于鐵氧體永磁，因其退磁曲線基本上為一直線，只要當(dāng)磁場強(qiáng)度不超過其拐點(diǎn)K處，回復(fù)線同退磁曲線的直線段KT相重合。如果超過了拐點(diǎn)K，比如在M點(diǎn)，那末，回復(fù)線便是，不再同退磁曲線直線部分重合了，見圖14所示。對于稀土永磁，因其退磁曲線全部為直線，因此，回復(fù)線完全同退磁曲線重合。對于鐵氧體μr=1.1～1.3;對于粘結(jié)型釹鐵硼μr=1.15；對于鑄造型釹鐵硼μr=1.05。第一講3.常用永磁材料性能和選用463.2回復(fù)線

以單位體積來表示永磁材料向外空間儲存能量的能力，可用退磁曲線上每一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的乘積BH來衡量，BH稱為磁能積，單位為J/m3。圖15的左邊為退磁曲線；右邊畫出B同乘積BH的關(guān)系曲線，即磁能積曲線。在Br點(diǎn)，H=0；在HC點(diǎn)，B=0。所以，BH=0。對應(yīng)某一個磁感應(yīng)強(qiáng)度Bd時，有最大磁能積(BH)max。永磁材料的磁性能除Br和HC外，(BH)max也是一重要參數(shù)。第一講3.常用永磁材料性能和選用473.3磁能積和最大磁能積

前面說過，用永磁材料制成磁極，建立電動機(jī)所需要的激磁磁場，該磁場越強(qiáng)，說明用該永磁材料制成的磁極向外空間儲存的能量越大。以單位體積來表示永磁材料向外空間儲存能量的能力，可用退磁曲線上每一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的乘積BH來衡量，BH稱為磁能積，單位為J/m3。圖15的左邊為退磁曲線；右邊畫出B同乘積BH的關(guān)系曲線，即磁能積曲線。在Br點(diǎn)，H=0；在HC點(diǎn)，B=0。所以，BH=0。對應(yīng)某一個磁感應(yīng)強(qiáng)度Bd時，有最大磁能積(BH)max。永磁材料的磁性能除Br和HC外，(BH)max也是一重要參數(shù)。第一講3.常用永磁材料性能和選用483.4永磁材料磁性能穩(wěn)定性

(1)熱穩(wěn)定性永磁材料的磁性能會受其所處的環(huán)境溫度的改變而引起變化。比如，當(dāng)溫度從t0升高到t1時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B則從B0降低到B1。如圖16所示。但是，當(dāng)溫度從t1再降低到t0時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B不再回到B0，而是降低了，回到B0，以后隨溫度在t0和t1之間的變化，磁感應(yīng)強(qiáng)度B則在B0和B1之間變化。第一講3.常用永磁材料性能和選用493.4永磁材料磁性能穩(wěn)定性

(1)熱穩(wěn)定性此間的磁性能的損失，分兩個部分：一是可逆損失IR部分。各種永磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br

隨溫度可逆變化的溫度系數(shù)，單位為。同理，內(nèi)稟矯頑力Hci

隨溫度可逆變化的溫度系數(shù)，單位為。二是不可逆損失IL部分。這是不可避免的。當(dāng)溫度恢復(fù)后磁性能不能恢復(fù)到原來的值。不可逆損失率IL用百分比表示，。

永磁材料的可逆損失，經(jīng)重新充磁磁化后能夠恢復(fù)，而不可逆損失則不可能恢復(fù)的。因?yàn)樵诖藴囟认乱鹩来朋w微結(jié)構(gòu)的變化，造成不可能再恢復(fù)了。比如，釹鐵硼在較高溫度下引起了氧化，會造成不可逆損失。第一講3.常用永磁材料性能和選用503.4永磁材料磁性能穩(wěn)定性

材料手冊中，通常提供的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br的值為室溫t0=20℃時數(shù)值。那末，在工作溫度t1時的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Brt1則為：

式中IL為絕對值。對釹鐵硼永磁材料在開路時的磁性能不可逆損失，IL約為5%。鐵氧體永磁剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度溫度系數(shù)為：–(0.18～0.20）%K-1,但矯頑力的溫度系數(shù)是正值，為：+(0.40～0.60)%K-1。鋁鎳鈷永磁的=-0.02%K-1,其基本上同。稀土鈷永磁的=–0.03%K-1,其基本上同。釹鐵硼永磁的=–0.13%K-1,其基本上同，內(nèi)稟矯頑力的溫度系數(shù)=–(0.50～0.60)%K-1。第一講3.常用永磁材料性能和選用513.4永磁材料磁性能穩(wěn)定性

(2)磁穩(wěn)定性

永磁材料的磁性能會受到外界磁場干擾而發(fā)生變化。前面已說過，永磁材料的內(nèi)稟矯頑力越大，內(nèi)稟退磁曲線的矩形度越高（也即HK越大），那末，抗外界磁場的干擾能力就越強(qiáng)，磁穩(wěn)定性就越好。當(dāng)和HK大于某一定值后，其退磁曲線全部是直線。因此，回復(fù)線與退磁曲線相重合，外界磁場干擾就不會造成不可逆去磁。

(3)化學(xué)穩(wěn)定性

永磁材料受到酸、堿、氧氣、氫氣等的化學(xué)作用，其內(nèi)部或表面化學(xué)結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，將嚴(yán)重?fù)p害其磁性能。比如，釹鐵硼永磁材料的成份大部分是鐵和釹，容易氧化，需在制造永磁體時采取措施防止其氧化。

(4)時間穩(wěn)定性

永磁材料經(jīng)充磁磁化后，即使不受溫度、外界磁場以及化學(xué)因素的影響，其磁性能也會隨時間而變差。這種變化同材料的內(nèi)稟矯頑力Hci大小以及永磁體的尺寸形狀有關(guān)。比如，同永磁體細(xì)長比的大小有關(guān)。(5)沖擊和振動穩(wěn)定性

永磁材料經(jīng)充磁磁化后，如果受到外界沖擊和振動，也會使其磁性能發(fā)生變化。因此，永磁體充磁后，應(yīng)避免過大的沖擊和振動。

第一講3.常用永磁材料性能和選用523.5常用永磁材料特點(diǎn)

(1)鐵氧體(Ferrite)永磁

分：鍶鐵氧體和鋇鐵氧體。鍶鐵氧體的矯頑力比鋇鐵氧體的矯頑力大，更適合于在微電機(jī)中使用。永磁體的制造過程中，存在有各向同性和各向異性兩種。由于不含鎳、鈷等貴金屬，因此，成本低，價(jià)格低廉。它的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br較低，矯頑力HC相對較大，為鋁鎳鈷的2倍左右，而且退磁曲線基本上為一條直線。因此，用它設(shè)計(jì)制造的電機(jī)一般可以不進(jìn)行穩(wěn)磁處理。它的溫度系數(shù)比較大，溫度穩(wěn)定性差。但是，由于矯頑力的溫度系數(shù)為正值，即矯頑力HC隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小，這點(diǎn)很特別。因此在0℃以下溫度儲存和使用時要注意它的磁性變化。若設(shè)計(jì)不合理，在低溫下可能產(chǎn)生不可逆的去磁。此外，鑄造型鐵氧體永磁硬而且脆，機(jī)械加工性能差；它是屬非金屬材料，不導(dǎo)電，不能線切割加工，僅能切片及磨加工。

第一講3.常用永磁材料性能和選用533.5常用永磁材料特點(diǎn)

(1)鐵氧體(Ferrite)永磁

粘結(jié)型（或粉末燒結(jié)型）鐵氧體永磁，因含有粘結(jié)劑使得磁性能比鑄造型的差，其各向同性的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為0.15～0.17T，矯頑力HC為110～135KA/m，最大磁能積(BH)max為4～5.5KJ/m3，而各向異性的Br為0.28～0.30T，HC為180～210KA/m，(BH)max為15～16.5KJ/m3。粘結(jié)型鐵氧體易制成形狀復(fù)雜的磁體或薄壁環(huán)、薄片狀磁體；尺寸精度高，不變形(收縮率只有0.2～0.5%，而鑄造型則為13～27%)；磁性能分散性??；機(jī)械強(qiáng)度高，不易破碎，可進(jìn)行機(jī)械切削加工；電阻率高，易實(shí)現(xiàn)多極充磁；密度小，質(zhì)量輕。鑄造型鐵氧體永磁主要性能如表1所示。粘結(jié)型氧體永磁主要性能如表2所示。

第一講3.常用永磁材料性能和選用543.5常用永磁材料特點(diǎn)

第一講3.常用永磁材料性能和選用553.5常用永磁材料特點(diǎn)

續(xù)表1第一講3.常用永磁材料性能和選用563.5常用永磁材料特點(diǎn)

續(xù)表1注：溫度系數(shù)：=–(0.18～0.20)%K-1，密度：Y10T為(4～4.8)g/cm3,其余為(4.5～5.2)g/cm3，μr=1.03～1.27。第一講3.常用永磁材料性能和選用573.5常用永磁材料特點(diǎn)

(2)鋁鎳鈷(AlNiCo)永磁

鋁鎳鈷永磁分各向同性和各向異性兩種。由于含鈷、鎳等貴金屬，因此，價(jià)格比鐵氧體永磁貴。它的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高，但矯頑力HC低，很容易退磁。所以，總是采用裝配后充磁或者充磁后在保磁（用磁短路工具）情況下裝配電機(jī)。它的退磁曲線是非線性的。因此，用它設(shè)計(jì)制造的電機(jī)應(yīng)該進(jìn)行穩(wěn)磁處理。它的溫度系數(shù)小，溫度穩(wěn)定性很好，可適用于超高溫度使用，使用溫度可達(dá)300℃～450℃以上，而且耐腐蝕性能好。鑄造型鋁鎳鈷永磁硬而脆，僅能進(jìn)行磨削或線切割加工。鋁鎳鈷永磁主要性能如表3所示。第一講3.常用永磁材料性能和選用583.5常用永磁材料特點(diǎn)

第一講3.常用永磁材料性能和選用593.5常用永磁材料特點(diǎn)

第一講3.常用永磁材料性能和選用603.5常用永磁材料特點(diǎn)

第一講3.常用永磁材料性能和選用613.5常用永磁材料特點(diǎn)

(3）稀土鈷永磁(SmCo5、Sm2Co17等)

稀土鈷永磁的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和矯頑力HC都很高，Br接近鋁鎳鈷永磁的Br值，HC值約為鐵氧體永磁的3倍，而且退磁曲線基本上是一條直線。用它設(shè)計(jì)制造可以不進(jìn)行穩(wěn)磁處理。它的溫度系數(shù)比鋁鎳鈷稍高，但比鐵氧體低得多。因此，在高溫下使用時不怕退磁，磁性能穩(wěn)定，使用溫度可達(dá)300℃。鑄造型稀土鈷永磁硬而脆，機(jī)械加工性能很差，僅能用磨削和線切割加工。此外，由于貴金屬鈷的含量高，因此，價(jià)格很貴，是永磁體中最貴的一種。也有粘結(jié)型的稀土鈷永磁。鑄造型稀土鈷永磁主要性能如表4所示。粘結(jié)型稀土永磁主要性能如表5所示。第一講3.常用永磁材料性能和選用623.5常用永磁材料特點(diǎn)

第一講3.常用永磁材料性能和選用633.5常用永磁材料特點(diǎn)

第一講3.常用永磁材料性能和選用643.5常用永磁材料特點(diǎn)(4)釹鐵硼(NdFeB)永磁

釹鐵硼永磁是被稱為“磁王”的一代永磁材料。剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力HC和最大磁能積(BH)max都很高。Br值是鐵氧體永磁的3～4倍，是鋁鎳鈷和稀土鈷永磁的1～1.5倍；HC值是鐵氧體永磁的5～10倍，是鋁鎳鈷永磁的5～15倍，是稀土鈷永磁1.5倍;(BH)max值是鐵氧體永磁的10倍，是鋁鎳鈷永磁的5～8倍，是稀土鈷永磁的1.5倍。它的退磁曲線是一條直線。用它設(shè)計(jì)制造的電動機(jī)不用進(jìn)行穩(wěn)磁處理。它的價(jià)格比稀土鈷永磁便宜得多。它的居里溫度較低，溫度系數(shù)較高，熱穩(wěn)定性差。另外，它含有大量的鐵和釹元素，因此，容易被氧化、銹蝕，特別是粘結(jié)型釹鐵硼永磁，在粘結(jié)制造中由于溶劑揮發(fā)后形成許多毛細(xì)孔，水份更易滲入永磁體內(nèi)部，更加容易氧化。因此，釹鐵硼永磁的防潮、抗氧化是一個很重要的問題。第一講3.常用永磁材料性能和選用653.5常用永磁材料特點(diǎn)(4)釹鐵硼(NdFeB)永磁

釹鐵硼永磁防潮、抗氧化一般采用：涂敷法、電鍍法、納米技術(shù)法等方法。對于涂敷法，如使用含溶劑的一些絕緣防潮材料噴涂