（机械设计及理论专业论文）铁路驼峰永磁减速器的研究.pdf

摘要 随着铁路运输的快速发展，铁路车辆编组调度的效率成为越来越重要的问 题。当代铁路调车的主要方式是驼峰调车，目静，世界各国都采用在编组线内 设置驼峰减速器以控制车组溜放速度。目前所使用的装置普遍存在能耗巨大、 结构庞大、气液压系统比较复杂等问题，在提倡环保节能的今天，要求研制开 发性能及经济效果更佳的新型铁路驼峰减速设备。 本文将具有极高矫顽力及磁能积的钕铁硼永磁体用于编组站车组溜放速度 控制设备的关键部件，充分发挥了永磁减速器环保、低能耗、失电制动可靠、 控制性能优良等特点，解决了永磁体磁路通断控制较为困难、磁能利用率低、 漏磁严重等问题。文章首先介绍了铁路驼峰减速的技术背景及永磁材料的基本 理论，提出了研究永磁减速设备的必要性和可行性。着重对永磁减速器关键部 件磁开关组件的结构设计过程及设计方案进行了较详细的论述，确定了一种较 为合理的构造。接着针对该结构的永磁组件进行了磁路分析计算，简化出等效 磁路图、运用理想磁路计算法及磁导法确定磁路的静态工作点等参数，文章对 永磁组件的静吸力特性也进行了分析计算。为了得出形象准确的磁场分布情况， 建立了磁路a n s y s 模型并进行了仿真分析，对比了不同条件对磁路分布情况的 影响。课题对制作的各种模型进行了多次试验，测试了较丰富的数据。试验结 果表明：永磁减速器磁路控制性能良好，单位制动能高已接近现有减速器的水 平，为铁路驼峰减速技术提供了一个新型环保节能的解决方案。课题通过对永 磁式驼峰减速器的研究，又将此结构拓展到汽车辅助制动装置，对永磁缓速器 进行了初步研究，并进行了大量设计、仿真及试验工作，取得了较为满意的研 究成果。 关键词铁路驼峰；减速器；钕铁硼：磁路设计；a n s y s 仿真 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l a g e ，t h ee f f i c i e n c yo fo r g a n i z i n gr a i lv e h i c l e sb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，h u m ps h u n t i n gi st h em a i nm e a n si nm o d e mr a i lg r o u p a g es y s t e m n o w , r a i l w a yh u m pb r a k e sw e r es e ti nm a r s h a l l i n gy a r d si nm o s tc o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l di n o r d e rt oc o n t r o lt h es p e e do fr a i lv e h i c l e s t h e s ee q u i p m e n t ss h a r et h ep r o b l e m so fh i g he n e r g y c o n s u m p t i o n ，b u l k yc o n s t r u c t i o n ，c o m p l e xp n e u m a t i co rb y d r a u m a t i c s y s t e ma n do t h e r s t h e r e f o r e ，i ti so fh i g hs i g n i f i c a n c et od e s i g na n dd e v e l o pan e wh u m pr a i lb r a k ee q u i p m e n t w h e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de c o n o m i z a t i o no ne n e r g ya r ep r o m o t e d t h i st h e s i sa d o p t e dn d f e - bm a g n e tw i t hh i g hc o e r c i v ef o r c ea n d ( 且m xa st h e i m p o r t a n tp a r to fe q u i p m e n tt oc o n t r o lt h es p e e do fr a i lv e h i c l e si nh u m ps w i t c h i n g t h es t u d y m a d ef u l la d v a n t a g eo ft h ef h m r e so fe n v i r o n m e n t - f r i e n d l y , l o we n e r g yc o n s u m p t i o n h i g h r e l i a b i l i t yi nb r a k i n gw i t h o u te l e c t r i c i t y , e x c e l l e n tc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c e ，a n ds oo ni ns o l v i n g s u c hp r o b l e m sa sm a g n e tc i r c u i tc o n t r o ld i f f i c u l t y , l o we f f i c i e n c yo fm a g n e te n e r g yu s a g ea n d l e a k a g eo f m a g n e t i s m t h et h e s i si n t r o d u c e dt h et e c h n o l o g i c a lb a c k g r o u n do f m a g n e th u m pr a i l b r a k ea n dt h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e so fp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l si nt h ef i r s tp l a c e t h e n e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yi ns m d y i n gp e r m a n e n tm a g n e ts p e e dc o n t r o le q u i p m e n t sw e r ep u t f o r w a r di nt h ef o l l o w i n g t h r o u g hd e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h ed e s i g np r o c e s sa n dd e s i g nm e t h o d s o ft h es t r u c t u r eo ft h ek e yp a r t so ft h ep e r m a n e n tm a g n e tb r a k e ，t h em a g n e ts w i t c hp a r t ，t h e t h e s i sc o n c l u d e dar e a s o n a b l es t r u c t u r e t h et h e s i sw e n to nt oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h em a g n e t c i r c u i to ft h ep e r m a n e n tm a g n e tp a r ti nt h es t r u c t u r e ，s i m p l i f yt h ee q u i v a l e n tm a g n e tc i r c u i t d i a g r a m a n dd e t e r m i n et h ew o r k i n gp o i n ti ns t a t i cs t a t ew i mi d e a lm a g n e tc i r c u i tc a l c u l a t i o n m e t h o da n dm a g n e t i cc o n d u c t a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o d t h es t a t i cs u c t i o no ft h ep e r m a n e n tp a r t s w e r ea l s oa n a l y z e da n dc a l c u l a t e di nt h et h e s i s i nt h i ss t u d y , t h em a g n e td r c u i tw a sa n s y s s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e da n dt h em a g n e t i cc i r c u i td i s t r i b u t i o n su n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sw e r e c o m p a r e d ，i n o r d e rt oo b t a i nav i v i da n da c c u r a t e m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n t h e e x p e r i m e n t a t i o nw a sr e p e a t e df o rm a n yt i m e sw i t ha d e q u a t ed a t ao b t a i n e d t h er e s u l t so ft h e s t u d ys h o w e dt h a tp e r m a n e n tm a g n e th u m p r a i lb r a k ep o s s e s s e daf a v o u r a b l ec o n t r o l r 枷o r m a n c ea n di t su n i tb r a k i n gp o t e n t i a le n e r g yw a su pt ot h el e v e lo f t h eh u m pb r a k ei nu s e d a n dt h a ti tp r o v i d e dan e we n v i r o n m e n t f r i e n d l ya n de c o n o m i ce n e r g ys o l v i n gs c h e m ef o rh u m p v e l o c i t yc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，t h et h e s i se x p a n d e dt h es t u d yo f t h ep e t a n a n e n tm a g n e th u m pb r a k e t ot h es t u d yo f t h ea s s i s t a n tb r a k i n ge q u i p m e n to f a u t o m o b i l e s ，a n dc a r r i e do u tap r i m a r ys t u d yo f p e r m a n e n tm a g n e tr e t a r d e r s d e s i g n sa n ds i m u l a t i o n sa n de x p c f l m e n t sw e r ec a r r i e do u tw i m s a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d sr a i l w a yh u m p ；b r a k e ；n d f c b ：m a g n e t i cc i r c u i td e s i g n ；a n s y ss i m u l a t e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 员献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：细日期：2 笸上：堕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： ，6 n 谪 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 铁路是世界各国最重要的陆路交通工具之一，在我国，铁路的运输密度、 客货周转量、换算密度、运营效率、运输市场份额均位居世界前列。即使是在 公路运输最发达的美国，铁路仍然在大宗货物运输和联合运输中发挥着不可替 代的重要作用。 近年来，随着铁路运输的快速发展，铁路部门在全国范围内进行了五次大 规模的提速，京广、陇海、京九、汉丹、襄渝五条干线运行速度全面提高1 1 ， 使得铁路运输的最高时速达到了1 6 0 k m h 。面对快速发展的铁路运输，铁路车 辆的编组调度效率成为越来越重要的问题。我国编组站的作业量大，各项设备 的负荷较重，车辆在站的作业、停留对间随着负薪的增加而成指数增长，延误 列车也成倍增多。所以，必须提高编组站的调度效率才能适应我国铁路快速发 展的现状。 在编组站内，调车驼峰是进行铁路车辆勾挂编组的重要装备，而驼峰调车 作业中的核心问题是车组溜放速度控制问题。图1 - 1 为编组站驼峰调车场示意 图。现有的驼峰减速设备主要有车辆减速器和减速顶等，如双轨条液压浮轨重 力式减速器、气动浮轨重力式减速器、油气减速单元( 减速顶) 等。这些装置普 遍存在能耗巨大、结构庞大、气液压系统比较复杂等问题，在提倡环保节能的 今天，研制开发性能及经济效果更佳的新型铁路驼峰减速设备对铁路运输的发 展具有重要意义。 针对这种情况，本课题提出了一种新型的利用永磁体作为制动力来源的铁 路驼峰减速器，在制动过程中使永磁开关组件与车辆轮缘内外侧吸合，产生摩擦 力使车辆减速以达到调速的目的。与现有的设备相比不需要气、液供给，结构 更加简单，耐低温性能更加良好；制动时靠永磁体提供制动力来源，更加节能； 属于失电制动，安全性更好，它的出现将为现有驼峰减速技术提供一种新型环 保节能的解决方案。 北京t 业人学r 学硕十学位论文 撇职 。，一一璧! 謦一舞 二羹垦雾“ 、，一_ 霜一一 “i 麓_ 麓道l 麓疆抒霉一、 、一嚣一一 ； 孓雾雾雾”鼋 _ _ 心垦垦霭。壤嗣叠叠 l 蕊雾雾 登 、：、。里l ! 目强 一 、。l 。卜i 扯匹| 图i - i 编组站驼峰调下场示意图 1 2 编组站及驼峰减速技术简介 1 2 。1 铁路编组站概况 编组站是铁路运转的基本单位，素有货物列车的“制造工厂”之称。编组 站的t 要任务是解编各种类型的货物列车，组织和取送本地区的车流，供应列 车动力，整备检修机车，车辆作业等。需改编的货物列车，要到编组站解体， 然后编成新的货物列车发往前方技术站或目的地；无改编的通过列车，也要在 编组站换挂机车和进行必要的的技术作业，有时还需进行摘挂车组( 增减轴) 再继续前进。因此编组站对铁路运转生产、对机车车辆周转和货物送达，有着 极其重要的作用”1 。 编组站作业主要有如下两种： ( 1 ) 改编中转货物列车作业，解体列车的到达作业和解体作业、始发列车集 结、编组作业和出发作业。无改编中转货物列车作业，主要是换挂机车和列车 技术检查作业。部分改编中转货物列车作业，部分改编中转货物列车除进行无 改编中转货物列车的作业外，还要变更列车重量、变更列车运行方向或进行成 第1 章绪论 组甩挂等少量调车作业。 ( 2 ) 机务作业，包括机车出段、入段、段内整备及检修作业。车辆检修作业， 编组站的车辆作业包括列车技术检查及不摘车的经常维修和轴箱及制动装置的 经常保养，摘车的经常维修，货车的段修。其它作业，客运作业、货运作业、 军运列车供应作业等。 1 2 2 调车驼峰概况 调车驼峰是编组设备中最重要的装备之一，它的作用是使车辆达到必要的 驼峰高度，使之具有一定的势能，通过溜放，使分解的车辆之间能够重新编组 挂接( 图卜2 为驼峰溜放部分的照片) 。 图1 2 徐州北驼峰照片 世界上第一个调车驼峰于1 8 7 6 年在德国铁路斯比道夫编组站建成，它的建 成使调车作业由依靠机车推力为主发展为依靠车辆重力为主，调车作业能力、 安全条件、劳动强度和经济效益大大提高，是调车设备发展的第一次飞跃。1 。 欧美诸国铁路在2 0 世纪3 0 年代出现了机械化驼峰，4 0 年代出现了半自动化驼峰， 5 0 年代出现了自动化驼峰。 我国在新中国成立前调车场为平面牵出线，梯线咽喉布置，推送调车，人 工扳道，手闸制动。驼峰调车技术的研究始于5 0 年代后期，当时“平地起包”， 北京工业1 人学工学硕士学位论文 土法上马，迅速地实现了由平面调车向驼峰调车的转化，当时全国建起了1 5 0 多座简易驼峰，大大提高了调车作业的效率，降低了工人的劳动强度。1 9 6 0 年 我国建成第一座机械化驼峰，7 0 年代研制了半自动化驼峰和自动化驼峰；随着 车辆减速器、铁鞋、继电自动集中的相继研制成功，六七十年代我国在不少编 组站上大量推广应用机械化驼峰减速技术。 自8 0 年代初我国在南翔建成以国产设备为核心的第一座自动化驼峰以后， 1 9 8 9 年在郑北上行场实现微机控制的综合自动化系统，1 9 9 3 年又在石家庄编组 站实现了全站综合自动化。近几年我国自动化驼峰迅速发展，它带来了编组站 综合能力大幅度提高，调车事故率显著下降，经济效益指标好转的良好局面， 可以说，驼峰自动化是我国驼峰技术的主要发展方向。 驼峰的主要目的是使车辆能达到必要的驼峰高度，并使车钩压紧，便于摘 钩，车辆解体后重新编组。它的范围是指峰前到达场( 在不设峰前到达场时为 牵出线) 与调车场头部之间的部分线段，包括以下几个部分： ( 1 ) 推送部分。是指经驼峰解体的车列其第一钩车位于峰顶时车列全长所在 的线路范围。 ( 2 ) 溜放部分。由峰顶至计算点的线路范围。这个长度叫做驼峰计算长度。 每一调车线的计算点位置不同。 ( 3 ) 峰顶平台。推送部分与溜放部分的连接部分，设有一段平坦地段，叫做 峰顶平台。 驼峰的主要设备有：驼峰信号设备；驼峰减速设备，如车辆减速器，减速 顶，加速小车；道岔操纵设备；驼峰测量设备，如测速设备，测长设备，测重 设备，测阻设备等。 1 2 3 驼峰减速装置简介 驼峰调车作业中的核心问题是车组溜放速度控制问题，车辆减速器是实现 速度控制的主要装备，也是机械化驼峰主要标志。安装减速器目的是为了使车 辆连挂速度在允许的安全连挂速度( 我国规定矿为3 k m h ，最大不超过5 k m h ) 范围内。 自1 8 7 6 年德国铁路在斯毕道夫编组站建成世界第一个驼峰以后，约经过半 - 4 第1 章绪论 个多世纪的研究探索，美国终于1 9 5 6 年建成以减速器为调车工具，以数字电子 计算机进行控制，成功地实现了溜放车辆速度自动控制的自动化驼峰，峰顶推 送( 解体) 速度达5k m h 以上，车辆安全连挂率达9 0 以上。 英国铁路自1 9 5 8 年秋开始，经过近7 年的研究，在1 9 6 5 年建成世界上第 一个以液压减速顶和加速顶为调速工具的全顶自动化驼峰，铁路减速顶调速系 统从此诞生。接着又于1 9 7 2 年建成以油气减速顶( 简称减速顶) 为调速工具的全 顶自动化驼峰。 我国从2 0 世纪4 0 年代开始使用车辆减速器，在5 0 多年中，经过多次改型 换代，从早期的u p 一3 1 型、d k j 9 型发展到目6 u 的t j y 气动系列和t - j y 液压 系列车辆减速器，以及t - c s y 小车、减速项、加速顶、加减速顶、弹簧减速项， 平板阀顶、双临界速度减速顶、町控减速顶、停车顶、停车器、挡车器、可控 停车顶等。从驼峰头部至驼峰尾部的调速设备己形成配套系列，有力地推动了 编组场调车自动化的发展，给铁路运输带来了巨大的经济效益和社会效益。 车辆减速器是驼峰编组场的主要调速设备，目前t j k 型减速器广泛应用于 驼峰编组场的间隔制动位调速( 如图卜3 ) ，它以压缩空气为动力，使安装在制动 粱上的制动夹板对车轮产生侧压力来实现对车辆调速的目的。1 。 图卜3 驼峰车辆减速器结构图 驼峰间隔制动位减速器使用历史长、种类多。从传动动力来分，有电动、 气动和液压型；从制动原理分，有非重力式和重力式。间隔制动多采用浮轨重 北京_ | q p 大学t 学硕十学何论文 力式减速器，该种减速器结构简单、耗能少、控制简单且精度高。其动力可采 用电气、电液或全电动。 车辆减速器是编组站机械化、半自动化和自动化驼峰场的主要调速设备。 编组站驼峰场安装车辆减速器可以提高驼峰解体能力，保证作业和人身安全， 减轻劳动强度。车辆减速器的开发、研制和推广应用，极大地推动了我国编组 站现代化技术改造的进程。 1 3 钕铁硼永磁体的应用 钕铁硼永磁是目前世界七发现的磁性材料中磁性最强的一种，其磁性能比 广泛应用的铁氧体永磁高1 0 倍，比第一代、第二代稀土磁体( 杉钻永磁) 高将近 1 倍，近年来由于市场价格不断下降，已经显现出很高的性能价格比，钕铁硼 永磁越来越多地取代传统永磁体，成为制造高效能、小体积、轻质量的磁性功 能器件的理想材料，其应用己涉及国防军工和民品工业的各个领域，深刻影响 到国民经济的方方面面4 “”。 我国稀土金属资源非常丰富，主要分布在包头，江西，四川和山东等地。根 据天津地质研究所的最新研究，经国家储委批准的稀土金属工业储量为7 1 3 0 万 吨，占世界总储量5 5 ，并且品种全，质量高，为大力发展稀土材料提供了得天独 厚的条件。近年来稀土在高新技术材料方面的应用引人注目，如永磁材料，镍氢 材料，荧光材料，特种玻璃，稀土磁致冷材料等。其中永磁材料作为重要的功 能材料，己广泛应用于能源、交通、机械、医疗、计算机和家电等领域，深入国 民经济的方方面面，其产量和用量更是成为衡量一个国家综合国力和经济发展 水平的重要标志。因此大力开发新型稀土永磁材料，有利于将我国资源优势转化 为产业优势，带动高新技术及相关行业迅猛发展，给国民经济带来新的增长点。 目前，世界各国出现了大量使用钕铁硼永磁材料的制动装置，广泛应用在 汽车，火车等行业，以改进并代替原有传统的制动系统。比如目前在铁路机车 车辆领域内广泛采用制动系统，按照介质可以分为气动、液压或者电动机械制 动器：根据作用种类来分，一种是制动器的制动力是通过轮子传递的，它依赖 于轮轨之间的粘着系数；另一种是轨道制动器，它直接把制动力传递到钢轨上， 它与粘着系数无关。这些传统的制动系统正在被采用永磁材料的制动装置改进 第1 章绪论 并代替。近年来，在国外高速列车上出现的永磁轨道制动器”便是永磁材料运 用于制动领域的典型实例。 把钕铁硼永磁体用于铁路驼峰制动是一个创新构想，目f i 在驼峰减速领域 内，国内外均没有用永磁体进行制动的先例。开展对永磁式驼峰调车减速器课 题的研究将为现有驼峰减速技术提供一种结构简单、工作可靠、制动力较大、 能源消耗少、造价低、环保、低温工作稳定性能好、体积小、磁利用率高的新 型驼峰减速设备。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题旨在对铁路驼峰永磁减速器最为关键的磁开关组件( 磁头) 进行理 论分析和试验产品的设计制作。主要的内容包括以f 几个部分： ( 1 ) 磁开关组件的结构设计研究。对本课题提出的新型永磁开关组件进行 结构设计，以实现驼峰可控减速的功能，并进行结构优化。 ( 2 ) 磁开关组件磁路的计算分析。对优化的磁开关组件结构进行磁路计算 分析，得出该结构磁系统的各项参数。 ( 3 ) 模型的加工制作及制动性能试验。通过加工模型并进行试验束验证所 设计减速器的制动效果。 ( 4 ) 磁开关组件的有限元分析。运用a n s y s 分析软件对课题研究的磁系统 进行仿真，通过仿真优化磁系统的各项参数。 ( 5 ) 汽车永磁缓速器的初步研究及试验。课题的另一项创新是将永磁材料 运用于汽车辅助制动系统，进行了永磁缓速器的结构设计、a n s y s 仿真、样机 加工及台架试验等，为下一步更深入的理论及实践研究打下了基础。 北京t 业人学t 。学硕十学竹论文 第2 章永磁材料理论 2 1 永磁材料的发展现状和分类 磁性是最早被人类认识和利用的现象之一。中国的四大发明之的指南针 就是利用物质的磁性和地磁的一项伟大发明。我们所了解的磁性材料是可用于 制造磁功能器件的强磁材料。它包括硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致 伸缩材料、磁性薄膜、磁性微粉、磁性液体、磁致冷材料以及磁储冷材料等， 它们通称为磁功能材料。其中用量最大和用途最广的是硬磁材料和软磁材料。 硬磁材料的各向异性场高，矫顽力皿大，磁滞回线面积大，磁化到技术饱和需 要的磁化场大。现代硬磁材料的矫顽力般均大于4 0 0 k a m ，而软磁材料的矫 顽力一般小于8 0 a m ，最低可达0 0 8 a m 左右。由于软磁材料的矫顽力低，技 术磁化到饱和并去掉外磁场后，很容易退磁，而硬磁材料矫顽力高，磁化后去 掉外磁场仍能保持长期保持很强的磁性，因此硬磁材料又成作永磁材料”。 目前工业常用的永磁材料有铸造永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材 料和其他永磁材料等四大类。 表2 1 各种常见永磁材料的性能 类别型号 b a t )h a k a m )( 引砷。“k j r n ) t g 1 铸造永磁 a 1 n i c 0 5 系o ，7 1 3 24 0 6 09 5 68 9 0 材料a i n i c 0 8 系0 8 1 0 51 1 0 1 6 04 0 6 08 6 0 铁氧体永b a 铁氧体永磁，s r 铁 0 3 o 4 42 5 0 3 5 02 5 3 64 5 0 磁材料氧体永磁， 稀十钴系1 ：5 型s i n - c o 永磁 0 ，9 1 01 1 0 0 1 5 4 01 1 7 1 7 9 7 2 0 永磁材料2 ：1 7 型s i n - c o 永磁 l ，o 1 35 0 0 6 0 02 3 0 2 4 08 0 0 粘结s m - c o 永 1 0 1 0 78 0 0 1 4 0 01 6 0 2 0 48 l o 稀士铁系烧结n d - f e b 系永磁 1 1 1 48 0 0 2 4 0 02 4 0 4 0 03 1 0 永磁材料5 0 0 粘结n d f e b 系永磁 0 6 1 18 0 0 2 1 0 05 6 1 6 03 l o 其他永磁f e - c r - c o 系永磁 i 2 97 0 46 4 2 5 0 0 材料f c - n i - c u 系永磁1 3 04 85 6 6 0 6 0 0 p t o0 7 9 3 2 0 4 0 04 0 5 0 5 2 0 5 3 0 j s 第2 章永磁材料理论 作为第三代永磁材料的钕铁硼自1 9 8 3 年问世以来已经历了二十多年的应 用。二十多年来，钕铁硼的发展可谓r 新月异。从晶体结构、微观组织、磁 畴形态、反磁化机制到内外禀磁性和制备工艺等方面人们都进行了广泛深入的 研究。目前，烧结n d f e b 的最大磁能积( b 印一实验室达到4 5 1 k j m 3 ，批量生 产的n d f e b 磁体磁能积也已超过3 9 8k j m 3 。 永磁材料的应用主要是利用它在气隙中产生的磁场强度垃，而毋的大小 与永磁材料的最大磁能积( b 加。的平方根成萨比，可以用最大磁能积的不断提 高来说明永磁材料的发展( 各种永磁材料的磁能积发展见图2 一1 ) 。 图2 - 1 永磁材料磁能积的发展 2 2 钕铁硼永磁体的应用 烧结钕铁硼永磁材料较粘结钕铁硼永磁材料的磁性能更加优良，因此应用 更为广泛。烧结钕铁硼永磁材料按物理原理的应用可分为：电一机械转换，如 电机、发电机、传动装置、测量仪表、电流控制等；电一声转换，如发声装置、 收接声音装置、其他音频变换器；磁一机械力或转矩，如固定或提升装置、磁 处理装置、偶合及制动装置、磁力轴承、磁浮列车、电子称等；微波器件，电 子( 离子) 束聚焦，如功率管、波导管器件、粒子加速器、质谱仪、阴极射线 管等；传感器、电信号传输、转变，包括利用磁性、面积和体积效应的应用； 生物及磁疗，包括医疗设备、牙科器具、外科器具、磁疗及磁饰品等“州“”1 。 从烧结钕铁硼永磁成熟应用的角度看，十多年来，中国烧结钕铁硼永磁的 用途与西方国家的大为不同，1 9 9 5 年以前，扬声器是最大的用途，其次是磁分 北京i ：业人学t 学硕十学位论文 离、磁偶合器和各类磁化器，这些用途只需要低档磁体。近年来，中国烧结钕 铁硼永磁市场的结构发生了较大的变化。由于网络、移动通讯的普及，钕铁硼 在通讯领域的应用猛增，较低的价格也促进了它在电机、磁医疗器械、磁选设 备、机床等领域中的广泛应用。 在汽车工业的应用。汽车工业是钕铁硼永磁电机应用较多的领域之一。在 每辆汽车中，一股约有3 0 多个部位使用永磁电机。国外豪华轿车中使用微电机 的数量已经高达7 0 只，用以完成轿车上的各种控制动作。烧结钕铁硼永磁在汽 车电机上的使用始于起动电机、发电机、自动刹车，随之扩大到油泵电机、空 调电机等。因为永磁电机比感应电机功率系数高1 0 ，因此用永磁电机逐步取 代感应电机己是必然的趋势，高性能烧结钕铁硼磁体占有很大优势。 在计算机产业的应用。随着信息时代的到来，计算机的发展带动了相关配 套元件的发展，硬、软磁盘、光盘驱动头是使用钕铁硼较多的个方面。最近1 0 年，随着计算机的微型化，磁盘存储密度的增高，要求v c m 电机体积更小，反 应速度更快捷，惯性更小。v c m 电机外形的变化由厚重变为扁平、小巧。虽然 每个v c m 电机的磁片仪重1 5 9 ，但由于产量上亿只，故对高性能磁体的需求为每 年几千吨。钕铁硼在v c m 电机上的应用充分体现了钕铁硼磁体性能的优点。 在石油开采行业的应用。烧结钕铁硼永磁目前在矿山、石油开发与加工、 煤炭工业、钢铁厂、木材加工、制药、棉纺等行业选料除铁中有着广泛的应用。 由于我国石油中含有较多的腊，在石油开采过程中，必需使用烧结钕铁硼等永 磁材料做成的除腊器除腊，因此烧结钕铁硼永磁材料在石油开采中被广泛应用。 在核磁共振成像工业中的应用。核磁共振成像仪是2 0 世纪8 0 年代应用的 新技术新设备，它可对人体内部组织拍摄各种不同角度的相片，因此能构成立 体图像，确定病变的性质与形态，对确定初期肿瘤病变很有帮助。过去是用超 导磁体，缺点是造价高、运转费用高。如果用铁氧体永磁来做，一台核磁共振 仪大概需要铁氧体永磁数十吨，而如果改用钕铁硼永磁来做，每台约用o 5 t 。 在研磨加工设备中的应用。针对细管的内壁加工，出现了一种称之为“磁 研磨法”的加工方法。即在所要加工的管的内部放置一定数量的磁性粒子，粒 子受管外的四个钕铁硼永磁磁极的吸引而紧贴在管内壁上，当外磁极高速旋转 时，粒子的离心力即对管内壁作用成为研磨压力而对内壁进行研磨。 在斜拉力桥钢缆减振装置中的应用。在世界范围内较高的桥一般为吊桥和 第2 章永磁材料理论 斜拉力桥。斜拉力桥所用钢缆属细长型，抗震性能小，在风等外力作用下产生 摇摆及共振。因此对钢缆的减振成为保证桥安全的重要问题。一般是在钢缆固 定的端部装上减振装置以减少钢缆的振动。新方法是在钢缆的端部安装钕铁硼 磁体减振装置，用吸引方法将钢缆固定。 在新型永磁电机( i a ) 中的应用。新型智能永磁电机( i a ) 具有高效率、节省 资源、体积小和噪声低等优点。这种电机由一个感应电动机和一个永磁电动机 组成。i a 中的永磁电机的转子由高性能钕铁硼永磁体组成。一般的永磁电机是 由1 2 0 度矩形波驱动，这种永磁电机由1 8 0 度正弦波电压驱动。 在c 机床中的应用。当前，在美、欧工业化国家，汽车行业中由于大批量 生产自动化，已充分实现中小批量多品种柔性化生产，n c 机床不断增多。目i j ， 全世界机床拥有量约1 5 0 0 万台，其中n c 机床与机床总拥有量之比例约为7 1 ；全世界机床产量约为1 5 0 万台，其中n c 机床产量2 0 万台，n c 机床所占比 例约为1 3 3 ，其中约8 0 采用直流永磁电机控制“”。 2 3 钕铁硼永磁体相关理论 要想设计出一个合理实用的磁路，就必须充分了解永磁材料各项基本概念 和参量。永磁材料的技术磁参量可分为非结构敏感参量( 内禀磁参量) ，如饱和 磁化强度必、居里温度疋等；和结构敏感参量，如剩磁研、矫顽力耽、磁能 积( b 忉，。等。前者主要由材料的化学成分和晶体结构来决定，后者除了与内禀 磁参量有关外，还与晶粒尺寸、晶粒取向、掺杂物等因素有关。以下介绍一些 永磁参量的基本参量。 2 3 1 基本概念 饱和磁化强度m 。饱和磁化强度能是永磁材料极为重要的磁参量。永磁 材料均要求尬越高越好。饱和磁化强度决定于组成材料的磁性原子数、原子磁 矩和温度：“1 ”1 。 居里温度疋。强磁体由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居 罩温度或居里点乃。疋是磁性材料的重要参数，疋高的材料工作温度可以提高， 也有利于提高磁性材料的温度稳定性。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 剩磁研。铁磁体磁化到饱和并去除掉外磁场后，在磁化方向保留的 露或 毋简称为剩磁。a 矗称为剩余磁化强度，成称为剩余磁感应强度。 矫顽力垃。铁磁体磁化到饱和以后，使它的磁化强度或磁感应强度降低为 零所需要的反向磁场称为矫顽力，记作匝。矫顽力与铁磁体由 到m = o 的反 磁化过程的难易程度有关。 磁能积b h 。永磁材料用之为磁场源或动作源，主要是利用它在空气隙中产 生的磁场。 永磁的基本概念还有如j - h 曲线上的弯曲点风和方形度9 等“，在这里 不再深入讨论。 2 3 。2 磁参量 ( 1 ) 永磁材料的工作点与负载线。永磁体是在开路状态下工作的，由于开路 状态的磁体是在退磁场的作用下，所以工作状态的永磁体的磁感应强度不在闭 路状态的研点上，而在比研低的退磁曲线上的某一点上。这一点就称为永磁体 的工作点。显然工作点与退磁曲线的形状和工作状态磁体的退磁场大小有关。 在退磁曲线坐标中，连接工作点与原点的直线称为负载线，如图2 2 中的o a 。 l b 图2 - 2 永磁材料的工作点与负载线 ( 2 ) 回复磁导率。处于工作点的永久磁铁受到一个附加的周期性负磁场 乜作用时，原处于工作点的永久磁铁的曰沿退磁曲线降低到点1 ，见图2 - 3 。 当乜减小到零时，永久磁体的工作点不能再回到研点，而只能回到点2 。当 乜周期性地作用在该磁体上时，磁体的工作点将在1 与2 之间来回变化，从而 形成一个小回线，此小回线的斜率就叫做回复磁导率，用牖表示，即：。= 历。g r e c 的大小与鼠有关，坟越大则z ，e c 越小。当矫顽力凰近似的等于 第2 章永磁材料理论 研时，则肌，趋近于1 。越小，永久磁铁抗外磁场干扰的能力就越强。在毋 和也相同的情况下，。越小，( b 劢。就越高。 图2 - 3 州复磁导率 ( 3 ) 磁场的性能用磁场强度矢量日来描述。磁场也可以看成是一种特殊的 物质，每一点都有一定的强度和方向。 h ：三 ( 2 一1 ) g 。 式中卜磁体在磁场中受的力； g 。磁体所具有的磁荷。 磁场方向是处在该点n 极的受力方向，磁场强度单位在s i 制中是a m ( 安 米) 。当磁体无限小时，就成为一个磁偶极子。它所产生的外磁场与在同一位 置上的无限小面积的电流回路( 电流元) 产生的外磁场等效。这是磁场与电场 的主要区别之一。磁极不能独立存在，而电荷却可以。 ( 4 ) 用磁矩埘来表征磁偶极子的磁性强弱和方向。 m = q m l ( 2 - 2 ) 式中方向从负磁荷一铷到正磁荷孙的长度矢量。 磁场的分布可以用磁力线来描述。磁力线是有方向的曲线族，曲线上每一 点的切线方向即该点的磁场强度。 ( 5 ) 磁化强度表示物质在磁场中被磁化的程度和方向。 m - 墅( 2 - 3 ) v 式中膨一磁矩，m 的方向为磁化部分的s 极指向n 极： 卜体积。 ( 6 ) 工程上用磁感应强度口来描述物质的磁化程度。磁感应强度是一个矢 北京。i 业人学1 ：学硕十学伟论文 量，它反映了法拉第定律，即运动电荷通过磁场要受到磁场力的作用。若电荷 g 在磁场中以速度u 运动，它受到的磁场作用力； ，= q u x b 】 ( 2 - 4 ) 式中卜运动电荷所在处的磁感应强度。 载流i 的导体在磁场中受到的磁场力为f = l b x i 】 式中导线长度。 磁感应强度的单位在国际单位制( s i ) 中是t ( 特斯拉) 。 在磁场作用下，物质的磁感应强度丑由两部分组成，磁场强度h 和磁化强 度m 。 b = h + 4 z m = h + 最( 2 - 5 ) 式中b 广内禀磁感应强度。 ( 7 ) 用磁感应线来描述物质在磁场作用下的磁化强度，用磁通量西来表示。 妒= 仁s ( 2 6 ) 式中卜场中的计算面积。 磁通量是磁感应强度对某一面积的积分值，不是向量，但有正负。 在磁通量均匀分布的平面： 矿= b s( 2 - 7 ) 式中庐磁通量，单位为w b ； 酽一磁感应强度。 磁通可以看作是单位面积磁力线的数目。磁通单位在s i 制中是w b ( 韦伯) 。 磁感应强度可以看成通过该点磁力线垂直的小面积内单位面积的磁通量，所以 磁感应强度又称为磁通密度。 ( 8 ) 物质在磁场中被磁化的程度与该物质有关，同时与磁场强弱有关。 物质磁化程度用磁化率k 和磁导率口表示。 m = k h ( 2 8 ) b = i h 称为磁介质性能方程，此式由更一般的磁介质性能方程推导而来。 b = h + z o m = g o ( 1 + k 1 h 肌= 1 + k 第2 章永磁材料珲论 b = “o “? h u 2 a o r 式中厂相对磁导率，真空中胁= 1 ； 旷一绝对磁导率，h m = l a ； o 真空磁导率，4 “1 0 一。 日取决于“磁荷”和产生磁场的电流，而且与介质无关，口则受介质影响。 不同物质在磁场中的磁化程度不一样，叮根据，k 数值不同将物质分成j 类： ， o ，p 1 ，铁磁性物质；k 0 ，乒 l ，顺磁性物质；k 0 ，p 心、 i ( g 。n f 笏蕊 i 2 1 1l 图4 - 4 g s 可视为两个相套的圆筒等势面之间的磁导。 g s = f l o 最焉 式中漏磁段长度。 ( 4 一1 2 ) 北京t 业人学r 学硕士学侍论文 4 2 5 永磁体工作点的确定 永磁材料的工作点“”一般位于极限磁滞回线的第二向限部分( b 为正值，日 为负值) ，如图4 - 5 所示，对于绝大多数永磁材料，退磁曲线可以相当准确的 用公式4 - 1 3 表示。 曰= 而h + h c ( 4 1 3 ) b ，bs 在式4 1 3 中，展、研、皿分别为材料的饱合磁感应强度、剩磁、矫顽力， 其中玩取正值，去磁磁场强度为负值“1 。 b h h 。 h 图4 - 5 退磁曲线和同复线 ( 1 ) 永久磁铁工作点在退磁曲线上 i b hh 。h 。 h 图4 - 6 遐磁曲线和i ：作点 对于具有固定工作气隙的永磁磁路，永磁体所受的退磁场是恒定的，工作 点位于退磁曲线上，如多数电器仪表、扬声器、磁控管等。当永磁体工作点在 退磁曲线上时，工作点取决于两个条件： 第一个条件也称为“内部条件”，即岛和玩必须是退磁曲线上的一点。 第二个条件也称为“外部条件”，即玩和风在退磁曲线上的具体位置，这 还要取决于磁路中气隙磁阻和铁磁阻的大小，磁阻越大，磁通或历值就越低。 第4 章减速器永磁组件磁路分析计算 由克希荷夫第二定律町以推导，吼和玩必须满足f 面的关系式： 鲁一瓦o - i ! 嘛 ( 4 _ 1 4 ) h ok s 式中国一工作气隙6 l 及如的串联磁导( h ) ； 一永磁体长度( m ) ； 卜永磁体截面积( m 2 ) ； 卜磁系统漏磁系数，即盯2 寄，其中妒m 及蛳分别为磁铁及工作气 隙内的磁通值。 妊磁路内非工作气隙和导磁体磁阻上的磁压降系数，即 艮：生堡，琊为工作气隙上的磁压降，u c 为非工作气隙和 导磁体磁阻上的磁压降。 历和乜必须满足的第二个条件，即在俨日坐标平面内为一通过原点的直 线，直线的斜率为 t g 牡昙专嘭 ( 4 - 1 5 ) r ) 口为该直线与一日轴的夹角，该直线也称为负载线或磁导线。由退磁曲线与负 载线的交点可查得工作点处的坟僮，即可求出毋。和毋5 ，妒。= 如s ，毋f 毋。居。 ( 2 ) 永久磁铁工作点在回复线上 对于大多数永磁机构，由于工作气隙的变化以及外界磁场的影响，永磁体 受到的退磁场是变化的，其工作点不在退磁曲线上，而在回复线上，如图4 - 7 所 示。方案三的磁开关组件就属于这种情况，此时，磁路是线性的，在计算磁路 时可以把永久磁铁看成是一个恒定的磁势( ，聊。和一一个线性的磁阻如串联而 成，而磁开关组件其余部分的磁阻则等效为只j ，如图4 8 所示。在图4 7 中将 回复线延长至与横坐标日相交，交点即为虚拟矫顽力。但在实际情况下工 作点不会沿c 日。下降，而是到c 点后继续沿退磁曲线下降。永磁开关组件采用 的是钕铁硼永磁体，而稀土永磁在第二象限