（电机与电器专业论文）盘式无铁心永磁电机气隙磁场与永磁体涡流损耗分析.pdf

a b s t r a c t a x i a lf l u xd i s kc o r e l e s sm a c h i n e ，c o n t r a s t i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lr a d i a lf l u x m a c h i n e ，h a sm a n yo b v i o u sa d v a n t a g e s ：i t ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，t h ee x p e n s eo f m a c h i n i n ga n da s s e m b l i n gi sl o w e r , i t sr u n n i n gi ss t e a d y , n oe x c i t a t i o nc u r r e n t ，a n d t h ee f f i c i e n c ya n dt h ep o w e ri se n h a n c e d t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ed i s km a c h i n e i sp e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n e t h er a r ee a r t hp e r m a n e n tm a t e r i a li st h ef i r s ts e l e c t i o n t om a k et h ep e r m a n e n tm a g n e ti nt h em a c h i n e i no u rc o u n t r y , t h ed i s kp e r m a n e n t m a g n e tm a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e d b u tt h em a c h i n ei sb e i n gt r i a l - m a n u f a c t u r e a n d t h e r ea r em a n yp r o b l e m st ob es o l v e d t h ep a p e rm a i n l ya n a l y s e st h ea i rg a pm a g n e t i cf l u xd e n s i t yo ft h em a c h i n e ，a n d s t u d i e se v e r yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ea i rg a pm a g n e t i cf l u xd e n s i t yo ft h em a c h i n e t h e m a i nc o n t e n tj u s ta st h el i s tb e l o w ： f i r s t , t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp m s ma leb r i e f l yr e v i e w e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h ep e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a la n ds e l e c t i o n ，t h ed e s i g np r i n c i p l eo f t h em a g n e t i cc i r c u i t ，t h et h e o r yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，a n dt h ef e ms o f t w a r ea r e i n t r o d u c e d s e c o n d ，t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t h ef e ms o f t w a r e a n dt h es t r u c t u r e ，t h ep a p e rd e s i g n sa b o u tt w e n t yf e mp r o g r a m s ，w h i c hc o n s t i t u t ea s o f t w a r ep a c k a g ea i m i n ga tt h ec a l c u l a t i o no ft h em a g n e t i cf i e l do ft h ed i s k p e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n e t h r o u g ht h es o f t w a r ep a c k a g e ，t h ep a p e ra n a l y s i st h e m a g n e t i cf l u xd e n s i t yi nt h ea i rg a p w h e nd e s c r i b i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a ld i s t r i b u t i o no ft h ea i rg a pm a g n e t i cf l u x d e n s i t y , t h ed a t as h o u l db ee x p o r t e df r o mf e ms o f t w a r e ，a n dt h e nt h eo t h e rm a t h p l o t t i n gt o o li su s e dt op l o tt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf l u xd e n s i t yf i g u r e f o r t h ep r o b l e mo fc o m p a t i b i l i t yo ft h ed a t af o r m a t ，t h ed a t af o r m a t ，e x p o r t e df r o mt h e f e ms o f t w a r e ，s h o u l db ec o o r d i n a t e di n t ot h er e q u i r e m e n to ft h eo t h e rm a t ht o o l s f o rt h el a r g eq u a n t i t i e so ft h ed a t at h ep a p e rd e s i g n e dav bp r o g r a mt oh a n d l et h e d a t aa u t o m a t i c a l l y t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h es o f t w a r ep a c k a g e ，t h ep a p e rm a d eas e r i e so fa n a l y s i so f t h ea i rg a pm a g n e t i cf l u xd e n s i t y , i n c l u d i n gt h r e e d i m e n s i o n a lo p e nd o m a i nm a g n e t i c a n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c et ot h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yo ft h ep e r m a n e n tm a g n e tt h i c k n e s s ， t h ea n a l y s i so ft h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yw h e nt h ev a r i a t i o no ft h ew i d t ho ft h e p e r m a n e n tm a g n e t ，t h ea n a l y s i so fh a l b a c ha r r a yo fd i f f e r e n ta n g l ea n dt h ea n a l y s i so f t h ea i rg a pm a g n e t i cf l u xd e n s i t ya td i f f e r e n tr a d i a t i o n a l lt h ea n a l y s i sa b o v eo f f e r e d af o u n d a t i o no f t h ed e s i g n a t i o no f t h ep e r m a n e n tm a g n e ti nt h ed i s kc o r e l e s sm a c h i n e l a s t ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yo f t h ed i s km a c h i n e ， t h ep a p e rp r e s e n t sa no p t i m i z a t i o nd e s i g n a t i o no ft h em a c h i n e t h e n ，t h em o d e l i n g a n da n a l y s i si sm a d e t h er e s u l to ft h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g n a t i o nc o u l da c h i e v em o r ei d e a ls i n ew a v e f u r t h e r m o r e ，t h ee d d yc u r r e n tl o s si s a n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y a n dt h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ee d d yc u r r e n tl o s sc o u l db e r e d u c e dl a r g e l y k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n e ；h a l b a c ha r r a y ；f e mm e t h o d s ；m a g n e t i c f i e l da n a l y s i s ；c o r e l e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：奇养j 眈 签字日期： 三。- 7 年2 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：音剩吨 导师签名： 辱，趁 签字日期：三。0 7 年z 月7 同签字日期：砷年乒月眵日 第一章绪论 1 1 永磁电机的发展概况 第一章绪论 电机按励磁方式可以分为电励磁和永磁励磁两种。为了使电机产生感应电势 和电磁力矩，必须有励磁源提供符合特定要求的气隙磁密。而励磁源可以是按一 定要求设计好的通电线圈，也可以是按要求设计好的永磁体。例如，传统上的直 流电机和交流同步电机采用直流电流励磁，这种励磁方式叫做电励磁。因此，这 种电机被称为电磁式电机。永磁材料在经过外界磁场的磁化以后，在没有外界磁 场的情况下，仍能够保持很强的磁性，因此，可以用来取代电机的直流励磁。这 种采用永久磁铁作为励磁的电机，被称为永磁电机。本文研究的盘式无铁心永磁 同步电机属于永磁类电机。 目前永磁电机主要可以分为以下几类： 1 ) 永磁同步发电机 永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就取消了容易出问题的 集电环和电刷装置，成为无刷电机，因此，结构简单，运行更为可靠。 2 ) 调速永磁同步电动机和无刷直流电动机 随着电力电子技术的迅猛发展和器件价格的不断降低，人们越来越多地用变 频电源和交流电动机组成交流调速系统来代替直流电动机调速系统。在交流电动 机中，永磁同步电动机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系，这一固 有特性使得它可直接用于开环的变频调速系统，尤其适用于由同一变频电源供电 的多台电机要求准确同步的传动系统中，这可以简化控制系统，还可以实现无刷 运行，而且较高的效率和功率因数可以减小价格昂贵的配套变频电源的容量，因 而在各种调速系统中的应用越来越广泛。这类电机通常由变频器频率的逐步提高 来起动，在转子上可以不设置起动绕组。与过去使用的直流电动机相比，体积减 小6 0 左右，总损耗降低2 0 左右，而且省去了电刷和换向器，维护方便。 3 ) 高效永磁弼步电动机 永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功 率因数( 可达到l 甚至容性) ，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运 行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇( 小容量电机甚至可 以去掉风扇) 和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高2 8 个百分点。而f j l ，永磁同步电动机在2 5 1 2 0 额定负载范围内均可保持较 第一章绪论 高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电机一般都在转子 上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力，所以又称异步起动 永磁同步电动机。由于钕铁硼永磁同步电动机价格比同规格的感应电动机贵1 倍 左右，应用前需进行经济比较分析，目前主要应用于纺织化工业、陶瓷玻璃工业 和年运行时问长的风机、水泵等。 4 ) 永磁直流电动机 直流电动机采用永磁励磁后，既保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和 机械特性，还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜 量少、效率高等特点。 5 ) 永磁特种电机 由于稀土永磁具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点，可以容许所制 成的电机具有较大的气隙长度和气隙磁密，因而在永磁体安放和磁路结构设计上 有很大灵活性，可以根据使用场合，特别是汽车、计算机和航天工程的需要，制 成与传统电机不同的结构形状和尺寸，例如盘式电机、无槽电机、无铁心电机等。 这既可以进一步减少电机的质量和转动惯量，提高电机的反应灵敏度；又可以减 少电机转矩的脉动，增加运行的平稳性；还可以简化电机的结构和工艺。因而在 计算机外围设备、办公设备和要求精确定位控制的场合得到广泛应用【l l 。 永磁电机具有以下特点： 1 ) 由于永磁电机是靠永磁体励磁，所以它不需要励磁电源，节省了能源， 降低了成本； 2 ) 永磁电机不需要励磁绕组，因而永磁交流电机不需要电刷和滑环等接触 装置，这不但减少了机械和电气损耗，而且实现了无刷或无接触式的电机结构， 使得电机运行可靠，无须经常维修； 3 ) 与电磁式电机相比，永磁电机中，当永磁材料和磁路的尺寸一定时，气 隙磁场或丰磁通是不能任意调节和改变的，电磁电机就可以采用改变励磁电流的 简单办法来调节气隙磁场； 4 ) 由于永磁电机用永磁材料来励磁，而且永磁材料多种多样，所以，永磁 材料性能的高低、磁性能的稳定性，永磁材料的机械性能、上艺性和经济性，就 直接影响着永磁电机的运行可靠性、使用范围、制造容量和经济价值，必须慎重 选择永磁材料。 目前，包括微特电机，大中小型电动机和大型发电机在内的各类电机都可以 采用高磁场永磁式转子电机。而永磁材料经历了铁氧体、铝镍钴、稀土钴、钕铁 硼等几个发展阶段，1 9 8 3 年，钕铁硼永磁材料的出现是永磁材料领域划时代的 革命。由于钕铁硼磁铁的磁性和物理特性优于其它永磁磁铁，且成本较低、原材 第一章绪论 料来源较有保证，故各主要工业发达国家对其开发及应用非常重视。近十年来， 钕铁硼磁铁的应用几乎遍及所有机种，尤其在无刷直流电机和交流永磁式伺服电 动机中的应用取得了突破性进展。 1 2 盘式永磁电机电磁场计算国内外发展状况 永磁电机与传统电机相比具有节能高效、结构简单等一系列优点，尤其在能 源短缺的当今世界，引起了国内外学者和业内人士的高度重视，成为电机行业中 新的发展热点，其应用领域也在不断扩展。盘式永磁同步电动机的发展是轴向磁 场电机发展的结果。国外已经出现了多种结构形式的盘式永磁同步电机，也研制 成了特别适合于大力矩直接驱动装置的多定子和多转子交错排列组成多气隙的 大转矩盘式永磁同步电动机。 在电磁场分析方面，由于盘式永磁同步电机的特殊结构决定了其气隙磁场为 三维分布，加上永磁材料、导磁材料和定子开槽的影响，要准确分析这种电机的 磁场是比较困难的。 在该电机电磁场的多年研究过程中，h w e b 教授首先将这种电机的磁场简化 为各向异性的线性三维平面场，提出了解析计算法。而后，美国的j da n g e l o 利用三维有限元对盘式永磁直流电机进行了分析。1 9 9 4 年，k k u r i h a r a 等人在 文献1 1 】中应用场路耦合时步有限元法分析了永磁同步电动机的稳态运行性能， 探讨了由于谐波磁场存在而引起的电流谐波和转矩波动问题，建立了永磁同步电 动机新的研究方法。1 9 9 5 年，q c r a i u 等人在文献【2 】中用有限元法计算了永磁 直流电动机的性能。1 9 9 9 年，s e u n g c h a np a r k 等人在文献【3 】中采用场路耦合时 步有限元法分析了永磁无刷直流电动机的运行性能，计算了一台外转子无刷直流 电动机电流的变化规律。2 0 0 1 年，s l h o 和w n f u 等人在文献 4 d p 研究了 计及永磁涡流损耗时无刷电动机的运行特性，借鉴异步电机的分析方法，建立了 计及永磁体存在涡流时等效电路模型，使分析更加精确。 近十几年来，我国对盘式电机磁场的研究也逐渐开展起来。西北工业大学李 钟明、刘卫围等编著的稀土永磁电机一书中详细阐述了稀土永磁电机的特殊 性，全面介绍了各类永磁电机的理论和设计技术；沈阳工业大学特种电机研究所 的唐任远院士编著的现代永磁电机理论与设计一书采用以等效磁路解析求解 为主，结合磁场数值计算的方法对多种永磁电机的原理、结构、设计进行了研究， 总结了近年来永磁电机的研究成果。 1 9 8 5 年，蒋豪贤利用l a p l a c e 方程求出盘式轴向磁通电机气隙磁通密度，并 给出计算公式，表明该磁场沿圆周方向呈正弦分布，沿轴向衰减、沿径向减小。 第一章绪论 1 9 9 1 年，顾其善、侯书红对三相盘式感应电机的磁场进行了研究，提出了二维 分布的磁路模型。1 9 9 2 年王琳、何全普等将分环法用于盘式感应电机磁场分布 的计算，将三维磁场计算问题化为有限个二维问题求解。通过有限元计算，揭示 了该种电机磁场沿径向的分布规律，结论和顾其善等人提出的一致。除此之外， 国内外对盘式永磁电机磁钢的结构、尺寸的计算、工作点的确定等也有大量研究。 随着计算机技术及相关软件水平的迅猛发展，对盘式永磁电机电磁场的研究已经 过渡到了以电磁场数值计算为基础的研究方法。 总之，国际上对永磁电机电磁场的研究已经取得了一定的成果，但是各种电 机的分析模型还有待完善和改进，对电机电磁参数和运行性能的精确计算也有待 继续深入研究。随着应用领域的不断拓展，对永磁电机的性能会提出新的要求， 为满足新的需求将会出现新型的设计，所以关于永磁电机的研究也会不断扩大和 深入。同时，随着计算机计算能力的不断增强，有限元数值计算技术的日益进步， 对永磁电机的计算分析研究将会达到更高的水平。 1 3 本课题研究意义及内容 1 3 1 本课题研究意义 本课题是国家8 6 3 项目“新型稀土永磁电机设计与集成技术”中“无铁心稀 土材料永磁电机”的一部分。 与传统的径向磁通圆柱式电机相比，轴向磁通的盘式永磁同步电动机有着许 多明显的优点：其结构较为简单，加工及装配费用低，电机运行可靠，不需励磁 电流，提高了电机的效率和功率密度。盘式电机永磁化是一种发展趋势，而稀土 材料是其首选的永磁材料。我国已研制出盘式永磁同步电动机，但还处于试制阶 段。 为了发展我国新一代高性能伺服电机及伺服系统，改变高性能伺服电机长期 依赖进口的局面，把盘式永磁同步电机产品化，已成为我国电机行业一项十分紧 迫而艰巨的任务。而产品化的实现，还有许多研究课题亟待解决，主要集中在以 下四方面：盘式永磁电机i 维电磁场的计算、新型永磁电机优化设计规律、新型 永磁电机的制造工艺与装备、电机专用烧结钕铁硼永磁材料和新型永磁磁路结构 及其充磁方法。 在这种新型盘式电机的电磁场计算方面，还应加深磁场分析与计算的深度。 由于盘式电机的轴向磁通结构与无铁心结构，决定了该电机磁场呈三维、开域分 布；而对于永磁同步电机米说，要求气隙磁场的波形为正弦形、磁密幅值尽可能 高。通过查阅国内外文献，发现关于利用有限元分析永磁电机永磁体内磁场和涡 第一章绪论 流场的研究和论文还非常少。近年来虽然有一些关于铁磁材料的计算方案和相应 的研究论文出现，但是由于永磁电机的形状结构以及电枢绕组端部电流分布十分 复杂，大多数方案都是简化计算。所以，如何更真实地精确的反映气隙磁密和减 少永磁体内涡流损耗，就成为一个很具有现实意义的课题。 本项目的完成将推动我国稀土永磁材料产业的发展，扩展钕铁硼永磁材料的 应用领域和市场容量，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，其经济效益和社会效 益是十分巨大的。 1 3 2 本课题研究内容 本课题主要研究内容是：将电机内的电磁场、有限元软件和盘式无铁心永 磁电机特殊结构相结合，设计出了针对盘式无铁心永磁同步电机的计算程序，对 盘式无铁心永磁同步电机进行一系列仿真分析计算：在上述基础上，对基于 h a l b a c h 阵列的盘式无铁心永磁同步电机进行了一系列系统分析，总结出h a l b a c h 阵列在电机电磁场设计中的设计规律，为在电机设计过程中永磁体的设计提供依 据，以根据不同的需要设计不同的h a l b a c h 阵列来满足实际需求；在对盘式无铁 心永磁同步电机磁场进行详尽的分析的基础之上，提出对该电机的新的设计方 案，并就此方案进行建模分析；此外，还对新模型从定性的角度进行涡流损耗分 析，分析表明其结构也有利于减小涡流损耗。 第二章永磁材料与聚磁技术 第二章永磁材料与聚磁技术 2 1 永磁材料及其特性 电工设备中使用大量磁性材料。从某种意义上讲，磁性材料决定着设备的性 能。而磁性材料按矫顽力日。的大小可以分为两大类：软磁材料和硬磁材料。矫 顽力皿 1 0 4 a j m 的材料叫做硬磁材 料。其中软磁材料一般用于导磁材料，增加磁通量；硬磁材料一般用来作永磁材 料f 1 5 1 。 2 1 1 软磁材料 软磁材料的磁滞回线面积很小，如图2 - 1 ，剩磁e 很容易被消除。从图2 - 1 可以看出，软磁材料的磁滞回线狭长，磁滞现象不明显，因而在交变磁场中的磁 化特性可以近似的用它的起始磁化曲线表示。 盱 形a 量 珊 啦， 钐 r - b ，童 图2 1 软磁材料的磁滞同线 由于软磁材料的磁滞回线所包围的面积小，因而在交变磁场中的磁滞损耗 小，所以软磁材料适合用于交变场中，如各种电感元件、电机、变压器、电磁铁、 继电器等的铁心都用软磁材料制造。采用软磁材料作为铁心，还可以在电流切断 后，使铁心中的磁性很快消除。 为了增强磁场或增大线圈的磁通量，要求磁性材料有很高的相对磁导率。， 第二章永磁材料与聚磁技术 因此，铁心一般都工作在接近饱和区。 铁磁材料的性质与它所包含的成分及加工工艺有极大的关系。在一般的金属 元素中，只有铁、钴、镍是磁性物质。其中铁常被用来作为软磁材料，而钴、镍 由于产量稀少，价格昂贵，一般只用来制造合金，以改进材料的磁性能。纯铁的 软磁性能很好，常用来制造大型电磁铁的铁心，但铁中含有杂质后其性能大大降 低。最常用的软磁材料是硅钢片，也叫电工钢片。铁内掺进硅后可以提高磁导率， 增大电阻率，降低矫顽力。因而可以提高磁性能，减小涡流和磁滞损耗。但铁中 加入硅后会使它的机械性能变脆，不易加工，因此硅钢片的含量都在4 5 以下。 金属软磁材料都有一个共同的缺点，就是电阻率低，因此用在频率较高的交 变磁场中时，会产生很大的涡流。 2 1 2 永磁材料 硬磁材料的特点是矫顽力。大，剩磁b 大，磁滞回线所包围的面积也大， 磁滞回特性特别显著。如图2 2 所示。若将硬磁材料放在外磁场中，磁化至饱和， 去掉磁场后，它仍能保持较强的剩磁且不易消除，所以硬磁材料又称永磁材料。 撰。 劢_c 强 匕 办 叫艮 图2 2 硬磁材料的磁滞回线 永磁材料的磁感应强度b 、磁化强度日和磁场仍有如下关系 b = 牡0 垤七“j | p 口m = b p o h ( 2 1 ) ( 2 2 ) 达到饱和磁化所对应的e 、m 、皿分别称为饱和磁感应强度、饱和磁化强 第二章永磁材料与聚磁技术 度、和饱和磁场强度。达到磁饱和后，m ，随h ，变化很小。风m ，称为饱和内禀 磁感应强度。标志永磁材料性能的基本参数是剩磁密度b ，、矫顽力日。及最大磁 能积( 阴) 一。 目前，在工业与科学技术中广泛应用的永磁材料有三大类：1 ) 铝镍钴 ( a l - n i c o ) 永磁材料；2 ) 铁氧体永磁材料；3 ) 稀土永磁材料。各种材料在磁性能、 资源和价格等方面均各具特点。 1 ) 铝镍钴永磁材料 铝镍钴永磁材料系铸造永磁材料，从3 0 年代起直到6 0 年代末，在永磁材料 领域一直占有统治地位，现在仍有较多的应用。这类永磁材料的优点是：( 1 ) 剩 磁e 高，耳= 8 0 0 0 1 3 5 4 0 g s ；( 2 ) 磁能积较高，( 明) 一= 4 1 3 m g s o e ；( 3 ) 温 度系数小，因温度变化引起的磁性能的改变较小。但存在下列缺点：( 1 ) 矫顽力 低；( 2 ) 去磁曲线为非线性，易受交变磁场和冲击、振荡及铁器接触等因素的作 用而发生某种程度的退磁；( 3 ) 最主要缺点是含有战略金属元素钴与镍，因而价 格偏高。 2 ) 铁氧永磁材料 铁氧永磁材料主要有钡铁氧体( b a o 。f e ：o ，) 和锶铁氧体( s r o 。f e ：0 3 ) 两类。由 于原料易得，工艺简单，价格低廉而性能适中，综合效果比较好，在7 0 年代得 到迅速发展。铁氧体永磁材料的主要优点是：( 1 ) 矫顽力以较高， 只= 1 6 0 0 3 5 0 0 0 e ；( 2 ) 去磁曲线近似为直线，或在很大的范围内近似为直线， 回复直线基本上与去磁曲线重合；( 3 ) 原料丰富，价格低廉，制造工艺简单。主 要缺点为：( 1 ) 剩磁e 小，e = 2 0 0 0 4 2 0 0 g s ；( 2 ) 磁性能受温度影响大，温度稳 定性差。 3 ) 稀土永磁材料 稀土永磁材料是二十世纪6 0 年代出现的新型金属永磁材料，它是以稀土金 属元素与过渡族金属间化合物为基体的永磁材料。由于含有稀土族元素，因此称 为稀土永磁材料【l7 1 。稀土永磁材料分为两大类：一类是稀土钴永磁材料，也叫钐 一钴稀土永磁材料，一类是铁基稀土永磁材料，也叫钕铁硼永磁材料。 钐一钴稀土永磁材料，也称钴基稀土永磁材料，其主要优点为：( 1 ) 矫顽力 高，见= 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 e ，具有很强的抗去磁能力；( 2 ) 具有很高的磁能积， ( 删) 一可达3 0 m g s o e ；( 3 ) 去磁曲线基本上是一条直线，回复直线与去磁曲线 基本重合，只要退磁场小于h c ，则不会发生不可逆退磁现象；( 4 ) 温度稳定性好。 尽管稀士钴永磁材料性能优异，但因含有贮存量稀少的稀土金属钐和稀缺、 昂贵的战略金属钴，因此价格较贵，其发展受到较大限制。 钕铁硼稀土永磁材料主要成分是n d ：f e 。b ，当( n d ) 原子和铁( f e ) 原子被不 第二章永磁材料与聚磁技术 同的r 原子和其它金属原子取代时，可发展成多种成分不同、磁性能不同的 r f e - b 系列永磁材料。钕铁硼稀土永磁材料诞生于8 0 年代。 钕铁硼永磁材料的优点是：( 1 ) 磁性能高，它的( 肼) 。为铁氧体永磁材料的 5 1 2 倍，为铝镍钻永磁材料的5 1 5 倍，潜在的磁能极高，理论上可达5 2 7 k j m 3 ； ( 2 ) 资源丰富，价格较便宜：( 3 ) 机械力学性能比较好，可进行切削加工和钻孔。 其缺点是居里温度低，温度稳定性差，化学稳定性也差。但这些缺点可以通过调 整化学成份和采取其它措施加以克服。 总之，钕铁硼作为第三代稀土永磁材料，具有很高的性能价格比，因此近几 年在科研、生产、应用方面都得到了持续高速发展。以信息技术为代表的知识经 济的发展，给稀土永磁钕铁硼产业等功能材料不断带来新的用途，这为钕铁硼产 业带来更为广阔的市场前景。 2 1 3 永磁材料的选择 永磁材料的种类多种多样，性能相差很大，因此在设计永磁电机时首先要选 择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标1 1 1 o 归纳起来，选择的原则为： 1 ) 应保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标； 2 ) 这个磁场必须有相对稳定性，在环境的温度、湿度、冲击、振动、盐雾、 铁器接触等因素作用下，该磁场的变化必须在预定给定的指标范围内； 3 ) 具有良好的机械性质，例如韧性、挠曲性、抗张强度、压缩强度等； 4 ) 价格适中，经济性好。 目前，能够满足这四方面的永磁材料还没有研制出来。现有的永磁材料按这 四方面来衡量，总有某些欠缺，但是，一般说来： 1 )随着性能的不断完善和相对价格的逐步降低，钕铁硼永磁材料在电机 中的应用将越来越广泛。不仅在部分应用场合有可能取代其它永磁材 料，还可能逐步取代部分传统的电励磁电机； 2 )对于性能要求一般，体积质量限制不严的应用场合，价格是主要因素， 优先采用价格低廉的铁氧永磁材料； 3 )对温度稳定性要求严格的场合，如各种测量仪器用电机，优先采用温 度系数低的铝镍钴永磁材料； 4 ) 对于性能和可靠性要求很高而价格不是主要因素的场合，优先选用高矫 顽力的2 ：1 7 型稀土钴永磁材料； 5 ) 在大批量生产且磁极形状复杂的场合，优先采用粘结永磁材料。 本文中所研究盘式电机采用了无铁心结构，这样不但简化了电机结构，而且 彻底消除了由十铁心的存在而引起的铁心涡流损耗。 第二章永磁材料与聚磁技术 综合考虑以上各种因素以及前文所述各种永磁材料性能，本文中所设计的盘 式无铁心永磁同步电机，采用了钕铁硼永磁材料，在电机气隙磁场设计上取得了 良好的效果，下文电机磁场分析中也都是以钕铁硼永磁材料做的永磁体为基础进 行的。 2 2 聚磁技术 2 2 1 聚磁技术 聚磁技术就是运用永磁体和导磁体的各种排列方式，使最多的磁通量聚集到 工作的气隙中去。自上世纪六十年代以来，国内外都开始重视研究聚磁技术。在 高矫顽力永磁材料问世前，人们也曾努力使磁通量集中到工作气隙中去，但由于 矫顽力低，一方面造成了永磁体的退磁；另一方面造成了大量的漏磁。所以聚磁 效果不好。 迄今，只发现超导材料在超导态时表现出绝磁性质，磁力线不能进入超导体 内部。而一般物体在正常态下都是导磁体，磁力线可以进入一般物体内部。因此 常温下没有绝磁物质可以帮助汇聚磁力线。为了把尽可能多的磁通量汇聚到工作 气隙中，只有依靠高矫顽力的永磁体。这种永磁体受得住较强的退磁场，它发出 的磁力线不仅可以进入工作气隙，而且还能将其它永磁体的磁力线受到一定约 束，更多的进入工作气隙。聚磁技术的基础就是最普通的同极相吸和异极相斥原 理。 高矫顽力永磁材料的回复磁导率，1 ，它自身的磁阻较大，所以当它与高 b ，低日，的永磁材料联合运用时，一般要放在后者的根部和侧部。若放在前部， 气隙磁密反而下降。 2 2 2 永磁体的基本排列方式 1 ) 永磁体的串连和并联 把永磁体当作电压源，则串联永磁体的磁势相加，而磁通不变( 相当于串联 电压源的电势相加，而电流不变) ；并联永磁体的磁势不变，而磁通相加( 相当于 并联电压源的电势不变，而电流相加) 。当然，磁路与电路相比也有不同之处， 导电体的电阻率与绝缘体的电阻率相差约1 0 培倍以上，所以漏电可以不计；导磁 体的磁导率只有空气的1 0 2 1 0 6 倍，并且导磁体还有磁饱和现象，所以漏磁通量 是相当可观的。 在低矫顽力的永磁材料组成的磁路巾，往往漏磁通大于有用磁通。因此，磁 第二章永磁材料与聚磁技术 路计算困难的多，但是，将磁路与电路相比，还是可行的。 在高矫顽力的永磁材料组成的磁路中，由于高矫顽力永磁材料回复磁导率 ，1 ，所以永磁体的内阻很大，当永磁体厚度增加时，磁势增加，同时内部磁 阻也增大，结果在扣除永磁体内部磁压降后，对外部的磁势贡献几乎不增加。所 以，这类永磁体总是取扁平的形状，即磁极面积大，厚度小。这种永磁材料即便 剩磁很高，也必须取扁平形状。 2 ) 永磁体的径向磁化和轴向磁化 圆柱形( 圆片形) 或圆环形( 圆筒形) 永磁体的磁化方向有两种，一种是径向磁 化，如图2 - 3 ( a ) 所示，另一种是轴向磁化，如图2 - 3 ( b ) 所示。 a ) 径向结构b ) 轴向结构 图2 3 永磁体充磁方向 3 1 面极式和隐极式 有的永磁体在磁路中直接面对工作气隙，称为面极式；有的永磁体在磁路中 不直接面对工作气隙，而由导磁体将磁极引导到工作气隙，称为隐极式。相对来 讲，隐极式情况更为复杂一些：有的情况下，从一块永磁体引出一对磁极；有的 情况下，要从一块永磁体引出若干对磁极，也称为爪极。 4 ) 内磁式与外磁式 当永磁体的矫顽力和磁能积都比较低时，一般采用外磁式结构，永磁体位于 工作气隙的外缘。在这种结构中，或者使永磁体的充磁方向较长，以弥补矫顽力 的不足；或者使永磁体的磁极面积较大，以弥补磁能积的不足。在外磁式结构中， 泄露的磁通比较大。 当永磁体的矫顽力和磁能积都有很大提高以后，逐渐转向内磁式结构，将永 磁体放在工作气隙的内缘。在这种结构中，永磁体的磁极面积和充磁方向的长度 都受到严格的限制。虽然如此，由于内磁式结构能充分利用永磁体的磁力线，故 仍然能够获得较高的气隙磁密。 5 ) 整体式和拼块式 部分铸造永磁体往往做成整体式的磁路结构，在一个磁路中往往只有一块或 两块永磁体。 由于某些永磁材料定向工艺要求比较严格，只能做较小的块，所以往往做成 拼块式磁路结构，由阴块以致更多的小块永磁体适当组合，由导磁体把他们连接 起来，构成符合要求的磁路系统。 第二章永磁材料与聚磁技术 6 ) 清一色和混合式 以前，在一个磁路中，只用一种永磁材料，称它为清一色磁路结构。近十几 年来，逐渐发展起混合式的磁路结构。混合式磁路结构常常优于清一色磁路结构。 2 3 磁场设计原理 2 3 1 基本定律 如同把电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁路i l 酬。应当 指出的是，电路中导电材料的电导率一般比周围绝缘材料的电导率大几千亿倍以 上，而磁路中导磁材料的磁导率一般比非导磁材料的磁导率大几千倍，二者相差 较大。因此，磁路中存在的漏磁现象要显著的多，但是由于漏磁计算困难大的多， 所以一般磁路计算中要把漏磁忽略掉，同时要说明的是，在某些情况下，由于忽 略漏磁通而造成的误差是十分可观的。 由于磁通的连续性，忽略漏磁通后，磁路就与电路相似，在一条支路中有处 处相同的磁通。进行磁路分析和计算时，需要用到以下几条基本的定律： 安培环路定律 沿着任何一条闭合回线，磁场强度日的线积分【只出 恰好等于该闭合回线所包围的总电流值y f ( 亦称为全电流) ，这就是安培环路定 律或称全电流定律。用公式表示为 【h , , d l = j ( 2 3 ) 卫 一 、 若沿回线厶h 处处相等，且闭合回线所包围的总电流是由通有电流f 的 匝线圈所提供，则上式可简化为 月z = n i ( 2 - 4 ) 磁路的欧姆定律作用在磁路上的磁动势f 等于磁路内的磁通量与 磁阻尺，的乘积 f2 如 ( 2 5 ) 其中心为磁路磁阻，r 。= 石1 ，彳为磁路截面积。 磁路的基尔霍夫第一定律穿出( 或进入) 任一闭合面的总磁通量恒等于 零，即 第二章永磁材料与聚磁技术 y 中：0 该定律称为磁路的基尔霍夫第一定律。 磁路的基尔霍夫第二定律任意闭合磁路中， 等于该闭合磁路磁势代数和，即 r m j * ，= 最 ( 2 6 ) 各部分磁路磁压的代数和 ( 2 7 ) 该定律称为基尔霍夫第二定律。 磁通密度的线性叠加原理 一个永磁体在空间单独存在时，其磁通密度有 其空间分布。两个或更多个永磁体组成一个系统时，其空间磁密分布是各永磁体 各自单独存在时的空间磁密分布的线性叠加。 显然，这里忽略了永磁体之间的相互影响，会使工作点发生变化。实验证明， 永磁体问的相互影响使永磁体的工作点发生变化确实是存在的。但对于相吸永磁 体这种影响是可以忽略的。对于相斥的永磁体系统，这种影响也较小。 相似性原理从实验事实总结出永磁磁路的相似形原理如下： 如果两个磁路大小不相等，但在几何上是相似形，并且其中的永磁体和导磁 体的性能相同，两者的配置情形也相同，则该两个磁路的气隙磁密b 。相等。 口 2 3 2 永磁体体积和气隙磁密的计算 含有永磁材料的磁系统称为永磁磁路。永磁材料也称为硬磁材料，它和软磁 材料一样具有磁滞现象，所不同的是它的矫顽力只远比软磁材料高，因此磁滞 回线宽。永磁体在使用前一般都经过一些工序，而决定永磁体的工作状态，即一 般所说的工作点。 确定永磁体的工作点后，磁路的求解任务就容易解决了。永磁磁路的计算一 般含有两类任务，其解法分述如下： 1 ) 已知磁路尺寸和磁通值，求永磁材料的尺寸 永磁材料提供的磁能为 = 三( 吃。) 圪 式中，匕= s l ，永磁体体积，m 。 为了以最小磁钢体积圪获得一定的磁能，应使吃以乘积最大。根据 ( 2 - 8 ) 第二章永磁材料与聚磁技术 可以求得 b m s = o b g s g h = r f f g s ：竺 吃 ，：监：上竺 h m h m 入g ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 要计算出s 和，必须先确定仃，、，之值。但永磁材料尺寸确定之前这两个值只能 凭经验估计，算出s 和，后，在进行核算和修正，直到核算正确为止。 2 ) 已知永磁材料以及磁路各部分尺寸，求工作气隙的磁通值 如果不考虑漏磁，认为永磁磁通全部流过工作气隙，那么确定工作点后，很 快可以求得气隙磁通值 中g = b s ( 2 。1 3 ) 其中，b 为工作点的磁感应强度，单位为t 。 第三章电机磁场分析基础 第三章电机磁场分析基础 3 1 电磁场的基本理论依据 在电机理论中，存在着许多电磁场问题，而在电机学里往往用电路和磁路的 方法来处理。这是因为目的不同而造成的。在电机学当中，主要目的在于介绍电 机的基本原理和它的主要性能，因此要把问题简化。而在电机设计中，需要计算 主磁通、漏磁、有效电阻、电抗、气隙磁密分布等等。这就需要从电磁场的基本 理论出发分析电机内的电磁场。而且，由于近代电机对计算的准确度要求更高， 有些问题必须从电磁场的理论入手不可。并且，随着大型有限元计算软件的发展， 对电机内的电磁场的计算也越来越精确了。 在永磁电机设计过程中，可以先由磁路理论进行基本设计，然后再由电磁场 理论出发，用有限元软件进行精确的计算，以达到对电机设计的要求，从而使电 机设计过程既得到简化，又达到电机设计的精确性要求。 3 3 13 1 1 电磁场的基本方程 电机内电磁场的基本方程指的就是麦克斯韦方程组f 1 8 】，它们一般用微分形式 写出 r o t = - ，+ 等( 3 - 1 ) r o 诹：一竽( 3 2 ) a l 、 d i v d = p( 3 3 ) d i v b = 0 ( 3 4 ) 在真空中( 在空气中也近似正确) ，有 j = 口 j d 2 e o e b 2 p o h 式中，岛真空( 或空气) 的电容率； ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 第三章电机磁场分析基础 心填空( 或空气) 的磁导率。 在介质材料中有 j = 仃e d = e b = l h 式中，= 所风介质的磁导率； 从介质的相对磁导率； s = 岛介质的介电常数： 二介质的相对介电常数。 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - l o ) 式( 3 1 ) ( 3 1 0 ) 是电磁场的宏观表示。它们的应用是普遍的，既可用于恒定 磁场，亦可用于似稳电磁场和交变电磁场。 在恒定电磁场中，所有的场量不随时间而变化【2 0 1 。在似稳电磁场里，因为交 变的频率较低，源点和场点的距离较近，这里就不存在滞后位的问题，这实际上 是不考虑位移电流密度_ ( - l j 的作用。又因电机里电压不高，在研究电机中的电磁 o 谚 场时往往可以忽略d 和p 。另外，电机中的交变电磁场通常符合上述的似稳条件， 所以实际是按似稳电磁场处理的。根据上述说明，在电机中应用的麦克斯韦方程 组是 r o 田= j r o t e ：一丝 西 d i 馏= 0 j = 盯e ，d i v j = 0 b = “h 3 1 2 求解麦克斯韦方程的辅助位函数及其方程 ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3