現(xiàn)代永磁電機(jī)理論

現(xiàn)代永磁電機(jī)理論第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第一章永磁材料的性能和選用第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六1.1永磁材料－基本特點與參數(shù)

第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六1、退磁曲線Br－－剩磁密度Hc——矯頑力第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2、退磁曲線和磁能積曲線第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六3、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第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六4、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取絕對值，則有內(nèi)稟矯頑力——反應(yīng)永磁體抗去磁能力。矯頑力第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六5、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——使永磁體長時間保持在某一溫度，當(dāng)回復(fù)到室溫后，IL<5%的溫度。第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六6、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、時間穩(wěn)定性第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六（一）鋁鎳鈷系合金1.2主要永磁材料

成分特點：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)工藝簡單和產(chǎn)品性能高等特點。絕大部分鋁鎳鈷合金都采用鑄造法生產(chǎn)。

性能特點：高剩磁與低溫度系數(shù)，最大磁能積僅低于稀土永磁。

Tc：757～907℃、(BH)max約為16～72kJ/m3,

Br：0.78～1.30T,HCB：52～112kA/m。第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六（二）

永磁鐵氧體主要種類：鋇鐵氧體(BaO·6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO·6Fe2O3)。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，使鐵氧體的單疇粒子在磁場下轉(zhuǎn)動，得到易磁化軸與磁場方向一致的強(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：Tc：450～460℃，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、揚聲器、電機(jī)、電話機(jī)、笛簧接點元件和轉(zhuǎn)動機(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。第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六燒結(jié)鐵氧體產(chǎn)品第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六（三）鐵鉻鈷系合金成分特點：以鐵、鉻（23.5～27.5%）、鈷（11.5～21.0%）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(形變時效)顯著提高合金性能。性能特點：高剩磁Br1.53T，Hc66.5kA/m，(BH)max76kJ/m3。

第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六(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;第二代稀土永磁第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六性能ReCo5Re2Co17NdFeB型Br(T)0.88-0.921.08-1.121.18-1.25HCB(kA/m)680-720480-544760-920Hci

(kA/m)960-1280496-560800-1040(BH)max(kJ/m3)152-168232-248264-288各類稀土永磁材料的性能比較

第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

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407.6kJ/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系合金的另外一個最大的優(yōu)點是原材料豐富，價格便宜，其價格只相當(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。第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六1.3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＋磨粉粉末磁場取向與成型平行取向垂直取向燒結(jié)（磁場下）熱處理、磁體加工燒結(jié)磁體元件燒結(jié)法第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六燒結(jié)NdFeB第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六粘結(jié)法：磁粉與樹脂、塑料或低熔點合金等粘結(jié)劑混合壓制、擠出或注射成型，固化粘結(jié)磁體性能特點：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。第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六鐵氧體磁粉：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/α-Fe、SmFeN/α-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8～10%；Since1988第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六粘結(jié)磁體第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六1.4永磁材料的使用一、選用合適的永磁材料價格性能工作溫度二、退磁曲線——實測、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2～4h，冷卻至室溫鐵氧體：降溫到最低溫保存2～4h，升至室溫（Hc溫度系數(shù)正，溫度越低，Hc越小）第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第二章永磁電機(jī)的磁路計算第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2.1永磁電機(jī)磁路計算基礎(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－磁動勢第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六磁通源（電流源）磁動勢源（電壓源） 永磁體的等效 Fc——永磁體源的計算磁動勢第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六二、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)磁動勢Fa第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六三、永磁電機(jī)的等效磁路磁通源磁動勢源主磁導(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)。第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六漏磁系數(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）磁路計算第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2.2等效磁路分析一、磁化曲線的處理1、具有拐點的直線型磁化曲線：取計算矯頑力進(jìn)行計算工作溫度下磁化曲線最低工作點不低于拐點2、曲線型磁化曲線：穩(wěn)磁處理：回復(fù)線（直線化）最低工作點不低于拐點第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六二、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：回復(fù)線與合成磁導(dǎo)曲線的交點第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2、負(fù)載磁路作出空載工作點根據(jù)直軸去磁和助磁平移合成磁導(dǎo)曲線等效電樞磁動勢Fa'＝工作點:平移后合成磁導(dǎo)線與回復(fù)線的交點去磁校核：最低工作點高于拐點第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2.3永磁體的最佳工作點一、最大磁能的最佳工作點

永磁體提供的磁能永磁體體積最大磁能工作點：A點在回復(fù)線中點

最大磁能積：BrHc/2W＝第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六二、最大有效磁能時工作點考慮漏磁，實際參與機(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，A位于r－K中點

因有效磁能為最大，故而——負(fù)載漏磁系數(shù)第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第三章永磁電機(jī)電磁場分析第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六3.1電磁場有限元法一、電磁場基本原理

1、Maxwell方程組——電磁場基本方程第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2、位函數(shù)——磁矢位

定義：穩(wěn)定磁場的微分方程變?yōu)椋?、平面場域磁場問題轉(zhuǎn)化為邊值問題第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六4、邊界條件的確定

取一個極范圍為求解區(qū)域第一類邊界條件周期性邊界條件 第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六二、有限元基本原理1、求解區(qū)域離散化單元i、j、m－節(jié)點2、構(gòu)造插值函數(shù)：形狀函數(shù)三角形單元第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六3、條件變分問題離散化得到節(jié)點磁位的方程組4、非線性問題迭代求解得到節(jié)點磁位第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六5、有限元后處理——磁位的應(yīng)用計算磁通計算電動勢畫磁感線：等A線就是磁感線第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六3.2永磁電機(jī)電磁場計算的特點一、永磁體的模擬

永磁體的面電流模型第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六二、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：第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六3.3永磁同步電機(jī)的參數(shù)計算一、氣隙磁密分布各段徑向磁密：節(jié)點處徑向磁密：第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六氣隙磁密分布曲線第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六二、空載勵電動勢1、定子內(nèi)圓上節(jié)點磁位A1、A2、….An進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解2、每極基波磁通正弦項系數(shù)b1——每極單位長度q軸磁通的1/2

余弦項系數(shù)a1——每極單位長度d軸磁通的1/23、基波電動勢第45頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六三、電樞反應(yīng)電抗與負(fù)載勵磁電動勢1、求解負(fù)載磁場，對定子內(nèi)