（电机与电器专业论文）钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究.pdf

钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 费；而且同现有的检测设备相比，设备成本纠氐、测量时间大大缩减，能够满足生产实 际中对永磁体逐块检测的需求。 第三部分是在上面的测量基础上，重点分析了永磁材料磁性能对电机参数的影响， 并在此基础上总结了永磁电机防失磁的合理设计措施。永磁体作为永磁电机的磁通源或 磁动势源，其外形尺寸和磁性能尤其是热稳定性直接影响着电机运行性能。从转子结构 的合理设计、永磁体尺寸的选择和最大去磁工作点的校核三个方面提出永磁电机防高温 失磁的设计方法。在一定温度下，永磁体退磁曲线上拐点位置的高低不但影响着永磁体 用量，还直接影响着电机运行的可靠性。拐点位置越高，永磁体用量就会相应的增加， 进而增加电机成本。为了避免电机发生失磁，设计时必须采用电磁场计算永磁体各部分 的最大去磁工作点并使受到去磁作用最大的部分的最大去磁工作点高于拐点位置，从而 保证永磁电机运行过程中避免失磁，又可尽量降低成本。 关键词：永磁材料 热稳定性温度系数无损检测 一u 沈阳工业大学博士学位论文 t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h es t u d yo nt h er e a s o n a b l es e l e c to fp e r m a n e n tm a g n e t ， e f f e c to np e r m a n e n tm a g n e t i cm a c h m eo fp e n n a n 嘣m a g n e t i e ( p r n ) m a t e r i a la n dt e s tm e t h o d s a n de q u i p m e n to ft h e r m a ls t a b i l i t yi no r d e rt or e s o l v et h ed e m a g n e l j z 撕o np r o b l e mo fp m m a c h i n ew h i c hh a v eo b t a i n e ds o n l l ，a c h i e v e m e n to nt h e o r ya n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i s p r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lk e yt e c h n o l o g i e sr & dp r o g r a m m ea n dt h es c i e n c ea n d t e c h n o l o g yi t e m so fl i a o n i n gp r o v i n c ea n ds h e n y a n gc i t ya n di s ap a r to ft h ei t e m ：o _ b , o r l l n l o r t n e s sk 影t e c h n i q u eo fr a l - ee a r t hp mm a t e r i a la p p l i c a t i o no nh i g l ll 蝴o r m a n e e e l e c t r i c a lm a c h i n e ”i nr a r ee a r t ha p p l i c a t i o na a g i n e e r i n g f o u rp a r t sa r ci n c l u d e d 勰f o l l o w s ： f i r s to f a l l 1 0 t so f p e r m 锄e n tm a g n e t i cs a m p l e s 瓣m e a s u r e da n dr e s u l t sa n d 丘吣t 0 幅a f f e c t i n g a c c u r a c yi nt h ee o t l l s eo f m e a s u r e m e n ta l ea n a l r z e , 1 p 舡 a m e t e r so f p mr o a t e r i a la f f e c td i r e c t l y t h ep e r f o 黜o f p r om a c h i n e s i no r d e rt of i n do u tt h ep e r f o r m a n c ea c t u a l i t yo f p mm a t e r i a k l o t so fp e r m a n e n tm a g n e t i cs a m p l e sa r cm e a s u r e d b a s i n go nt h ea n a l y z i n go fm e a s u r e m e n t r e s u l t s t h e r e 戤m o l ed i f f e l - e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo f p mm a t e r i a l t h ed i f f e r e n c eb e h a v eo n u n i f o r m i t y , c o h e r e n c ea n dt h e r m a ls t a b i l i t ya n de x i s t si nn o to n l yd i f f e r e n tm a n u f a c t o r i e sb u t a l s od i f f e r e n tb a t c hm a t e r i a l sp r o a u e ei ns a m em a n u f a c t o r y t h ed i f f e r e n c en o to n l yi n c r e a s e s t h ed i f f i c u l t yo fm a c h i n ed e s i g nb u ta l s or e d u c e st h er e l i a b i l i t yo fp mm a c h i n e i nt h er e s u l t s ， t h e r m a ls t a b i f i t yi se m p h a s i z e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sp r o v i d e sd a t ab a s ef o rp mm a c h i n e sd e s i g n b a s i n go i lt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sb e f o r ea n dc o m b i n e dw i t ht h er e l a t i o n s h i po fm a g n e t i c p a r a m e t e r so fp e r m a n e n tm a g n e ta n dt h ec h a r a c t e ro fd 跚衄回t i = 洳c i 吣c a l c u l a t i n g f o r m u l a so f t h ep o s i t i o no f k n e ep o i n ta n dt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t 、哦a n a l y z e da n d g i v e n b y t h ef o r m u l a s , n o to n l yt h ep o s i t i o no f k n e ep o i n to n w o r k i n gt e m p e r a t u r ec 锄b ec a l c u l a t e d 矗o m t h em a g n e t i cp a r a m e t e r sg i v e nb yt h em a t e r i a lf a c t o r yb u ta l s ot h ei n h e r e n tc o e r c i v ef o r c ec a n b ec a l c u l a t e df r o mt h ed e t e n n i n a t ep o s i t i o no fk n e ep o i n t0 1 1 w o r k i n gt e m p e r a t u r e t h e a p p l i c a t i o no f t h ef o r m u l a sm a k et h es e l e c t i o no f p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l sm o l ep a r t i c u l a r s e c o n d l y , t h en o n - d e s l r u e f i o nm c a s l l l 蜘f l c l l tt e c h n i q u eo f t h e r m a ls t a b i l i t yo f p mm a t e f i a li s r e s e a r c h e da n ds e v e r a lm e t h o d sw e r eb r o u g h tf o r w 暂d i no r d e rt om e e tt h en e e d so fm o f e m a n u f a c t o r i e s ，t w om e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r da n de o i l 唧o n d i n ga p p a r a t u s e sa r ed e s i g n e d 1 1 1 ， 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 t h ea p p l i c a t i o no fm e t h o d sa n da p p a r a t u s e sn o to n l yc 觚k e e pt l l ci n 喇i 哆o fp e m m n c n t m a g n e t i cm a t e r i a l sa v o i d i n gt h ew a s t eb r o u g h ta b o u tb yt h ei n c i s i o nb u ta l s oc a nd e c r e a s et h e c o s to f t h ed c v i e , ea n dm e a s m e m e n tt i m et om e e tt h en e e d so f m a n u f a c t u r ei np r a c t i c e t h et h i r dp a r td e v o t e d 幻t h ee f f e c to fp e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a lp a r a m e t e r so np t i i m a c h i n ed e s i g na n dp u tf o r w a r dt h es p e c i f i c a t i o no fd e m a g n e t i z a t i o np r o o fo fp e r m a n e n t m a g n e tm a c h i n eo i lh i g ht e m p e r a t u r e t h es p e c i f i c a t i o ni sp u tf o r w a r df r o mt h es e l e c t i o no f l ：m m l a n e n tn l a g n e tm a t e r i a l s ，a p p r o p m t ed e s i g no fr o t o l , c a l c u l a t i o no fm a x i m a l d e m a g n e t i z a t i o nw o r k i n gp o i n tt h r e ef a c e t s b 面 1 9a sa 8 0 l l r e eo f f l u xo rm a g n e t i cm o t i v ef o r c e , p mm a t e r i a la f f e c t st h eo e r f o m m c eo f p mm a c h i n e s o nd e f i n i t et e i n p 嗽t h ek n e ep o m to f p m m a t e r i a la f f e c t sn o to n l yt h ev o l u m eo fm a t e r i a lb u ta l s ot h er e l i a b i l i t yo fp mm a c h i n e i n o r d e rt of f r l b - u l - ee l e c t r i c a lm a c h i n e sr e l i a b l eo p e r a t i o n , t h em a x h n a ld e m a g n e t i z 啦w o r k i n g p o 证o fp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a ls h o u l db ea b o v et h ek n e ep o i n t i ft h ek n e ep o i n to fp m m a t e r i a li sh i g h , t h ev o l u m ea n do s tm u s ti n c r e a s ea c c o r d i n g l y k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l ，t h e r m a ls t a b i l i t y ，t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t , n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g i v 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：丛= 丝日期：亟! 堑：! ! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、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循此规定) 签名：必导师签名：煮! 至生徊期：星丝五：f 沈阳工业大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和选题意义 永磁材料由于其固有特性，经过预先磁化( 充磁) 以后，不再需要外加能量就能在 其周围空间建立磁场。我国是最早发现永磁材料的磁特性并将其应用于生产实践的国 家。随着人类社会的发展以及生产技术的提高，人们对永磁材料的机理、构成和制造技 术进行了深入研究，相继发现并研制了碳钢、钨钢、钻钢、铝镍钴、铁氧体、稀土永磁 等永磁材料。2 0 世纪6 0 年代出现的稀土永磁材料由于其优异的磁性能和良好的性能价 格比，在许多领域得到愈来愈广泛的应用，使永磁材料的发展有了更大的突破【1 1 1 2 1 | 3 【4 l 。 特别是2 0 世纪8 0 年代出现的钕铁硼( n d f e b ) 永磁材料，具有较高的最大磁能积 ( 肼) 。、剩磁辟和矫顽力风。目前其室温下剩余磁感应强度西已达到1 6 1 t ，内禀 矫顽力凰已达到2 7 8 6 k a m ( 3 5 k o e ) ，最大磁能积高达4 4 4 k j m 3 ( 5 5 5 m g o e ) 。此外，近 年来n d f c b 的耐热性和抗腐蚀性等性能大为提高，使其在应用方面成为性能价格比高 的材料p o l 。因此，被人们称为“一代磁王”( 或为“磁中之王”) ，预计在今后相当长 的时间内将仍然如此。图1 1 是1 9 8 5 2 0 1 0 年全世界烧结钕铁硼材料的总产量统计与 预测i l ”，在未来几年的时间里烧结钕铁硼材料的产量将大幅增加。 图1 11 9 8 5 2 0 1 0 年全世界烧结钕铁硼材料的总产量统计与预测 l r l 9 1 1 t o t a l o u t u t s t a t i s t i c o f s i n t e r e d n d f e b a r o u d t h e w o r l d i n1 9 8 5 - 2 0 1 0 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 将n d f e b 永磁材料应用在各种电机上，不但可以明显减轻电机的重量，使电机的 外型尺寸减小，而且可以获得高效节能效果和提高电机的性能【1 0 f i 。结合电力电子新技 术，使稀土永磁电机的性能可以实现传统电励磁电机难以达到的高性能。可以说稀土永 磁材料对电机的发展起着重大作用，各种用途的新型稀土永磁电机进入了一个崭新的发 展阶段。 在进行永磁电机磁路设计时永磁体的参数直接影响到电机的整体性能，因此永磁电 机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。我们必须全面了解 磁体的使用特性，例如磁体室温、工作温度和最高温度下的磁参数，磁性能稳定性等， 才能够做到设计合理，使用得当l l o l 。 但烧结n d f e b 永磁材料也有其不足之处，就是温度特性差，具体体现在居里温度 较低、温度系数高两方面【1 2 】【1 3 】1 1 4 1 1 5 1 。烧结n d f e b 材料的居里温度一般为3 1 0 4 1 0 0 c 左 右，而铁氧体的居里温度为4 5 0 0 c ，钐钴为8 0 0 8 5 0 0 c 左右，铝镍钴甚至比钐钴还要 高些；n d f e b 永磁材料温度系数中剩磁屏的温度系数口( & ) 可达0 1 3 0 d k , 内禀矫 顽力风i 的温度系数口( z 白) 达一( 0 鲫7 ) o d k 。中国国家标准o b t 1 3 5 6 0 - - 2 0 0 0 给 出口( 耳) 典型值为一o ，1 2 k ，口( 总j ) 为一0 6 k ( 2 5 1 4 0o c ) ，而i e c6 0 4 ( o - 8 - 1 给出口( b d 为一( o 1 o 1 2 ) k ，口( - c i ) 为一( o 4 5 o 6 ) k ( 2 0 1 0 0 o c ) 。虽然在这两个标准中温度系数作为辅助磁性能值给出，但较高的温度系数造成其 磁性能热稳定性较差，高温下使用时磁损失较大。一般n d f e b 永磁材料在高温下使用 时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲1 1 6 1 1 7 1 1 8 1 1 9 1 ，如图1 2 所示。 从图中可以看出，烧结n d f c b 永磁材料在常温或者较低温度下，退磁曲线为一直 线。但在温度较高的情况下，退磁曲线的上半部分为直线，下半部分开始拐弯，开始拐 弯的点称为拐点( 又称为膝点) ，如图1 3 中k 点即为某一温度下烧结钕铁硼材料退磁 曲线的拐点。烧结n d f e b 永磁材料的这种缺点增加了永磁电机设计中的复杂性，也降 低了电机运行的可靠性1 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 i 2 3 。永磁电机在运行时受到作用的退磁磁场强度是反复 变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度将会沿着图1 3 中的退磁 曲线盛k 下降。当退磁磁场强度不超过拐点k 时，回复线与退磁曲线的直线段基本重 2 沈阳工业大学博士学位论文 合；当退磁磁场强度超过拐点k 后，新的回复线p r 就不再与退磁曲线重合了。这样当 退磁磁场强度消失后，永磁体的剩余磁感应强度毋将下降，这直接影响了电机的运行 性能，这种现象称为不可逆退磁，又叫失磁刚 z 5 1 2 6 1 1 2 n 。 图1 2 烧结钕铁硼永磁材辩不同温度下的退磁曲线 l 强g 1 z1 ) e l m g n e t i m gc a n c e o f s i n t e r e dn d f e ba td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 0 图1 3 钕铁硼永磁材料拐点和回复线示意图 f 皓1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f l m e ep o i n ta n dr e c o i lc u r v eo f n d f e b 永磁体失磁后，只有对其重新充磁才能够继续使用，造成了相当大的损失。例如： 电动自行车经过几次上坡和顶风行驶后，车速就会明显下降；磁力传动器使用一段时间 后传动力矩下降；手机话筒使用一段时间后出现输出下降的现象。这些产品价值较高， 由失磁带来的损失远远大于永磁材料本身的价值。钕铁硼永磁电机中的永磁体失磁后， 3 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 永磁体的剩磁降低，空载反电动势下降，电机的各项性能指标都会发生改变，造成了诸 如发电机输出电压达不到额定电压、电动机额定负载下电流增大等情况。 而在实际生产中，拐点位置的确定存在着不少不确定因素。由于生产工艺和技术上 的原因，同一厂家，同一型号，甚至同一批磁体的磁性能特别是高温下拐点位置存在着 较大的差异。差异的存在增加了永磁电机设计的难度，降低了永磁电机运行的可靠性。 这是钕铁硼永磁电机虽具有诸多优点、可是很多用户担心电机失磁仍然不敢应用的原 因，也是制约钕铁硼永磁电机推广应用的主要瓶颈。 从目前情况来看，最为直接的方法是对装入电机前的n d f e b 永磁体进行逐块测 量，确切的知道每一块永磁体的实际拐点位置或者保证每一块永磁体按照电机设计要求 不会发生失磁。对永磁材料进行逐块检测，必须是无损检测，不能破坏永磁体的外在尺 寸和内在磁性能，特别是大尺寸永磁体：又必须减小每块的测量时间( 包括加温时 间) ，以满足电机生产厂家对大量永磁体检测需求；还须降低检测装置的成本。这就要 求对高温下无损检测方法及其装置进行研究，在做到快速的同时，不需要准确知道每一 点磁特性的具体参数，但要求快速测出产品磁特性是否在规定范围内，而且测量设备的 重复性要好。 1 2 永磁防失磁技术的研究及国内外发展现状 永磁电机时有发生的退磁问题一直困扰着永磁电机生产厂家和用户，为了防止失磁 现象的发生，往往在设计过程中将永磁体磁化方向长度留有较大的裕量，这样做的后果 就是增加永磁体用量，进而提高永磁电机的制造成本。尤其是近些年来，随着铁、战略 金属、稀土等原材料的大幅涨价，永磁体的价格也随之上涨，一味的增加永磁体的磁化 方向长度，虽然可以保证电机不失磁，可随之增加的制造成本也同样限制了使得永磁电 机的推广应用。 在以往的永磁电机设计中，永磁体的空载工作点、负载工作点、最大去磁工作点通 常是按“路”的方法计算的。但是出路的方法计算时只考虑电枢磁动势对永磁体的平均 去磁，而无法计及对永磁体的局部去磁，求得的只是平均工作点，所以不能准确反映永 磁体的实际工作状态。 4 沈阳工业大学博士学位论文 所以说为了防止由于永磁材料热稳定性差而造成永磁电机失磁，必须在设计中校核 永磁电机的最大去磁工作点和该温度下永磁材料退磁曲线的拐点，以增强其可靠性，降 低生产成本。为此必须知道每一种型号n d f e b 永磁材料在最高工作温度下退磁曲线拐 点的位置。精确计算永磁电机最大去磁工作点，使电机在最不利情况下( 包括高温度、 大电流) 工作点仍然在永磁体退磁曲线拐点的上方往返变化。当电机停止运行时，永磁 材料的剩余磁感应强度日基本不变1 2 s 1 1 2 9 1 1 3 0 1 1 3 ”。 为了提高电机性能，使之运行可靠，电机生产厂家采取了很多的措施，例如有的电 机厂家将制成的电机放在恒温箱中升温到要求值，再施加最大退磁电流，以考核电机是 否退磁。这需要设备大，时间长，而且一旦发生失磁。由于不能确定哪一块永磁体失 磁，只好全部拆下永磁体进行逐块检测，然后再重新安装，由此带来巨大的损失。 作为永磁电机防失磁技术研究的主要方面，永磁材料的磁性能尤其是高温性能的好 坏是直接决定电机运行可靠性的关键。借助于现有的磁测量技术获取永磁材料的磁性 能，并以此作为电机设计的依据也是目前电机生产厂家的设计生产中的必要的一个环 节。 对具有高剩磁、高矫顽力的稀土永磁材料尤其是烧结钕铁硼的测量作为新兴的检测 技术，在传统的磁测量技术基础上多年来也取得了相当大的成就，但其所应用的测试原 理仍然为经典的电磁感应法和霍尔效应法1 3 2 3 6 1 。电磁感应法是以电磁感应定律为基础测 量磁场的一种方法，当把绕有匝数为、截面积为4 的探测线圈放在磁感应强度为玩 的被测磁场中时，如果采用某种办法使线圈中所耦合的磁通西发生变化，那么根据电磁 感应定律，就会在线圈中产生感应电动势，e = 一n d 妒d t = 一n a d b o d r ，探测线圈m 的乘积是一常数( 称线圈常数) 。只要测量出感应电动势对时间的积分值，便可求出磁感 应强度历的改变量，j a b o l = l 苦d f 。霍尔效应法的原理是基于导体内移动的电子在 磁场作用下受到洛伦兹力的作用，使电子向一侧偏转，形成电子的积累；积累起来的电 子将建立电场；电子在受到洛伦兹力的同时，还受到与其方向相反的电场力作用；当二 力相等时，电子的积累达到动态平衡。这时在两横端面间建立的电场称为霍尔电场，相 应的电动势称为霍尔电动势。通常霍尔电动势c ，h 可表示为： 5 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 u h = z 8 0 郎d = z 8 0 且，式中玉- 霍尔器件的厚度；r h 霍尔常数：r m 霍 尔器件常数：卜_ j 恿过霍尔器件的电流；b 。被测磁场的磁感应强度。对于一定的 霍尔器件，只要通过的电流恒定不变，便可以通过霍尔电动势的测量而测定磁场 b o 3 7 - - 4 2 。 目前对钕铁硼永磁材料的磁性能检验分为材料检验和成品检验，前者通过测量磁 滞回线或者第2 象限曲线，获得永磁体比较完整的技术参数，以此来判断材料磁性能的 好坏；后者通过测量成品的开路磁通、表面磁场分布或磁矩，以此来判断成品磁体是否 合格【4 3 1 4 4 4 s ! 。 对永磁材料进行材料检验的主要设备是磁滞回线测试仪和振动样品磁强计，通过 国内外同类产品的比较，国内外设备无论在结构还是在测量准确性、重复性方面都差距 不大，达到很高的水平 4 6 1 。通过磁滞回线测试仪和振动样品磁强计都可以准确测定永磁 材料在不同温度下的退磁曲线b - h 和内禀矫顽力曲线乒碍并在同一张坐标纸中打印出 来，便于分析比较，如图1 4 所示。通过测试出的退磁曲线可以得到电机设计所需各参 数，包括最大磁能积( 肼) 一、剩磁日、矫顽力鼠和上b 、临界场强风、最大磁能积 处剩磁晚和矫顽力玩等h 6 - s o l 。 图1 4 现有磁滞回线测试仪测试曲线 f 龟l ，4t e s tc u r v eo f m a g n e t i ch y s t e r e s i sl o o pm e t e r 一6 沈阳工业大学博士学位论文 但这些设备只适合于那些要求准确测量样品磁性参数的场合。对影响电机运行稳 定性的永磁体拐点位置，虽然可以通过测量出高温下的第2 象限曲线准确得到，但要想 用这些设备对永磁体进行逐块的快速检测是不可能的科1 1 5 2 1 1 5 3 。主要原因有两个，一是检 测时间长；二是价格昂贵。磁滞回线测试仪在测量过程中为了得到完整的测量曲线，必 须进行逐点扫描，缓慢地施加退磁磁场大小，得到磁场强度和对应的剩磁之间的关系， 以便得到各数据点的位置，进而得到完整的退磁曲线，这就直接影响着检测时间。同时 价格昂贵也是限制其推广应用的一个重要原因，例如德国科伦磁物理公司的磁滞回线测 试仪至少需要十几万欧元，国内购买的少数几家单位也只是用来进行标准样品的测试以 及研究之用 4 6 1 1 4 s 。振动样品磁强计在检测时需要将永磁体切割成小块，这样破坏了永磁 体成品的完整性，无法做到无损检测。 永磁材料的成品检验是众多永磁材料和永磁电机生产企业选用的检验永磁体合格与 否的方法。所采用的设备主要是依据上述两种测试原理的特斯拉计和感应线圈+ 磁通计 4 3 1 1 4 4 1 5 3 1 。 从国内外磁测量方面的情况来看，相对于永磁材料的材料检验，永磁材料的成品检 验无论是在测试方法还是在测试仪器方面都显得相当落后，实际测量过程中都存在着较 大的误差。在开路情况下，永磁体周围漏磁通所走的路径不同，使得永磁体表面不同位 置的磁密值不同，在测量过程中，霍尔探头离开测试点的距离和探头放置的倾斜度等都 会影响测量结果。所以采用这一方法时，除了霍尔元件本身的原因外，实际测量位置的 不确定性、人为因素对测量结果影响很大，对同一样品同一位黄进行多次测量，测量结 果偏差较大。在文献1 4 4 中曾对同批2 0 块n 4 0 牌号的烧结n d f e b 磁体利用磁滞回线 测试仪和特斯拉计分别测量，通过结果的比对，发现利用霍尔片来测量表面场存在着较 大的偏差，也得出了相同的结论“霍尔片表面磁场法评价n d f e b 磁体块一块之间一致性 不是十分合理”。有的厂家采用感应线圈+ 磁通计来进行检测，根据不同大小的永磁体 绕制不同的线圈，通过测量永磁体开路磁通来检测其一致性。由于线圈的面积不可能和 永磁体面积完全相等以及永磁体开路情况下漏磁通的存在，使得这一方法在检测过程中 仍然受到人为因素的影响，检测结果同样不能完全代表永磁体之间性能的差异。 一7 - 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 上面所讲的几种成品检验的方法虽然被很多材料和电机厂采用，但受到方法本身的 限制，不可避免地存在着缺点。这几种成品检验方法只是在常温下对永磁体进行检测， 对永磁电机生产厂更为关心的永磁材料热稳定性则无法检测。特斯拉计和亥姆赫兹线圈 + 磁通计检测的物理量分别是磁密和磁通值，最后可以归结为对永磁体剩磁的检测，也 就是采用这些方法能判断的只是不同永磁体的剩磁，而无法检测出永磁材料的其他磁参 数 4 3 4 4 1 。剩磁达到要求的情况下，永磁体并不一定为合格品，这一点可以从图1 5 中看 出。图中两个永磁体具有相同的剩磁值日o ，在实际检测过程中，检测结果也是一样 的，但是退磁曲线相差很大，如果将图1 5 b 所示的永磁体装入电机，在正常运行的范 围内，电机就有可能发生失磁。 ( a ) 图1 5 不同永磁体的退磁曲线 魄1 5d e m a g n e t i z i n ge n t r eo f d i f f e r e n tp e r m a n e n tm g n e t m a t e r i a l 为了弥补现有成品检验方法的不足，也为了满足永磁电机生产厂对热稳定性的要 求，钕铁硼生产厂家也曾尝试过不同的方法。有人在烧结炉的各个部位安放巾1 0 1 0 m m 样品，利用测量样品的性能来确定产品的性能，结果发现样品的测量性能与产品 的测量性能相差较大。有人采用切割永磁块测试的方法，破坏了产品的完整性；割过试 样的产品无法交付用户使用，消耗了钕铁硼材料和需要切割费用，割样测量所需时间较 长，代价较高；而检验结果仅是磁体某个角上的性能，由于磁体性能不均匀，测量结果 与磁体实际性能相差较大 5 2 1 1 5 3 1 。 8 沈阳工业大学博士学位论文 综上所述，永磁材料的材料检验虽然可以获得材料详细的磁性能参数，包括永磁体 的热稳定性，但是由于检测设备的昂贵、检测时间长以及在检测过程中需要将永磁体切 割等缺点，使其在永磁体成品的快速无损检测中无法得到应用。永磁材料的成品检验的 检测对象虽然是永磁体的成品，而且检测过程中不破坏永磁体的完整性，但目前成品检 验的方法和设备都无法对直接影响电机运行稳定性的永磁体热稳定性进行检测。 本文正是从永磁材料成品检验入手，提出几种永磁材料热稳定性快速无损检测方 法，并开发出相应的测试装置，快速检测永磁体在工作温度下的实际拐点位置；结合电 机设计，保证永磁电机的最大去磁工作点落在永磁材料的拐点位置之上，防止永磁电机 失磁现象的发生。从而帮助永磁电机生产厂家降低电机生产成本，提高电机运行可靠 性，促进永磁电机在各行业的推广应用。 1 3 论文的主要工作 本文从电机用钕铁硼永磁材料的合理选择、热稳定性检测以及永磁电机合理设计几 个方面入手，对永磁电机防失磁技术进行了研究。主要内容包括： l 对钕铁硼材料进行检测。掌握目前国内钕铁硼材料性能现状 为了了解现阶段钕铁硼材料性能，利用现有设备对大量钕铁硼材料常温和高温下磁 性能参数尤其是热稳定性进行检测，在大量的实验数据中对与热稳定性紧密相关的拐点 位置、温度系数进行总结、比较。 2 在对测试结果总结分析基础上，总结规律、推导由常温下性能推算高温热稳定性的方 法 根据大量实验的检测结果，针对磁性能参数稳定的生产厂家，推导出常温下内禀矫 顽力和某一温度下拐点位置与其他磁性能参数之间的关系，以便电机生产厂家对材料提 出更为具体的要求。 3 对永磁体进行快速无损检测方法的研究，提高目前永磁材科的成品检测水平 ( 1 ) 研究工作温度下模拟电机实际工况的无损检测方法，并开发快速无损测试装置， 以缩短检测时间，降低电机设计成本； 一9 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 ( 2 ) 研究工作温度下实测磁通的无损检测方法，并开发相应测试装置，以便更为直接 地观察永磁体拐点位黄情况。 1 分析永磁材料热稳定性对永磁电机的影响以及电机防失磁的合理设计 ( 1 )以具体电机为例，分析不同转子结构对整个电机磁路的影响，根据实际需要来选 择合适的磁路结构； ( 2 )分析永磁体的尺寸变化对永磁电机参数的影响，根据电机参数的变化趋势来确定 永磁体的大小，使其满足电机性能要求同时尽可能降低电机制造成本； ( 3 )分析永磁体熟稳定性主要是拐点位置对电机设计和运行性能的影响，通过分析来 验证永磁体热稳定性对电机设计和运行可靠的重要性。 1 0 沈阳工业大学博士学位论文 第二章烧结钕铁硼永磁材料的热稳定性检测 2 1 永磁体的稳定性 任何磁性材料都存在着材料自身的磁性能稳定问题。对于电机用烧结钕铁硼永磁材 料来说，其磁性能稳定与否直接影响着永磁电机的稳定性和可靠性。影响永磁体稳定性 的外界条件有许多种，其中主要是温度、时间、外磁场、化学腐蚀、辐射、机械振动或 撞击等因素。为了保证永磁电机在运行过程中电气参数不发生变化，必须保证永磁材料 磁性能的稳定性，与永磁电机密切相关的主要是磁稳定性和温度稳定性。 磁稳定性是指在施加外磁场条件下永磁体磁性能发生变化的情况，如图2 1 所示， 分别为永磁体在t o 和t l 温度下磁感应强度和磁极化强度与磁场强度之间的关系。内禀矫 顽力曲线的矩形度越高、内禀矫顽力越大，永磁体的抗去磁能力越强。 温度稳定性是指永磁体由所处环境温度改变而引起磁性能变化的程度。永磁材料剩 余磁感应强度日和内禀矫顽力 b 随温度可逆变化的程度分别用温度系数嘏) 和a ( h o ) 来表示，单位为l ( 。经过热处理消除永磁体的不可逆损失的情况下，若永磁体的温度 从t o 升至t l 时，磁密从风降为厨l ，内禀矫顽力从既m 降为上b ，如图2 1 所示，则该 磁体温度系数为： 图2 1 不同温度下的磁性参数值 n 鲒1v a l u eo f m a g n e t i c p a r a m e t e r so i ld i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 口( 缉) = 瓣b r l - g r 0 1 。 帆，= 急尚圳。 永磁电机在运行的过程中，随着电机温升和电枢反应电流的存在，使得电机内部永 磁体所受到的外部影响是温度和磁场的结合，所以在下面的分析中，将温度稳定性和磁 稳定性通称为热稳定性，即钕铁硼永磁材料在不同温度下施加反向磁场所引起的磁性能 的变化。具体表现在永磁材料在电机工作温度下的剩磁与内禀矫顽力的温度系数的大小 以及退磁曲线拐点位置的变化。 2 2 测试仪器介绍 为了能对国产钕铁硼永磁材料的性能进行全面了解，为永磁电机的设计和制造提供 参考，利用中国计量科学研究院磁性测量实验室研制的n i m - 1 0 0 0 0 h 型稀土永磁检测系 统对样品进行了磁性参数的测量。该套测试系统代表了国内相关领域的最高水平，主要 磁性参数的测试结果同国外同等设备相比，最大误差仅为1 4 7 1 。可以说本文的测试结 果基本反映了国内烧结钕铁硼永磁材料的现状。n i m - 1 0 0 0 0 h 型稀土永磁检测系统的基 本构成如图2 2 所示。 图2 2 现有磁滞回线测试仪的构成结构图 f 塘2 2 c o m p o s i n g c h a r t o f m a g n e t i c h y s t e r e s i s l o o p m e t e r 1 2 沈阳工业大学博士学位论文 2 2 1 测试线圈 测试过程中采用的测量线圈是，曰线圈，通过测出的，啊曲线来计算出b 日曲 线。测量线圈采用绝缘良好的细软铜线，均匀地绕在无磁的线圈骨架上。对于，值的测 试，通常采用双线圈法【4 7 l 网，所谓的双线圈包括磁通测量线圈和磁场补偿线圈，二者串 联反接，根据电磁铁极面的大小和磁体尺寸，两个线圈采用同心式或者双心式，如图 2 3 所示。如果直接测b 值，由于需要通过紧贴磁体表面绕制的测试线圈来测试穿过磁 体横截面的磁通，对线圈的绕制要求非常严格，很容易产生误差。而测，值时采用的是 双线圈法，对线圈的大小要求不是很严格，而且从下面的公式推导可以看出，采用双线 圈法同样可以得到准确的测试结果。 ( a ) 同心式( b ) 鄹凸式 图2 3 ，测量线圈 n 9 2 3 ，蛐g c o i l 磁通测量线圈和磁场补偿线圈应该满足如下的关系： l 彳l i 弘2 式中：l 磁通测量线圈的匝数； 彳l 该线圈的横截面积； m 磁场补偿线圈的匝数： 4 厂该线圈的横截面积。 1 3 ( 2 1 ) 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 厂值可由下面的公式( 式中e 为线圈两端感生电动势，彳。为永磁体的截面积，毋为 穿过线圈的磁通) 推导计算得出： p ：一坚= - n 塑 归一百百 蛾= b a o + _ o 何0 l 厶) 如= 8 a o + i d o 日0 ：一厶) ( 同心式) ( 2 2 ) 或 或 如= a o h a 2 ( 双心式) ( 2 3 ) 测试线圈两端与积分器连接。积分器的输出值翰： 砜= 一去弛) d r = 一去f 业坠掣 一去【( l 一2 舰一( i 一2 k 姒】 ：鱼照二丝塑二丝丝! 蜀c u o = 一面1 “巡坠掣 一些璺纽型2 ) l d r d t j = 一面1 ( l b a 。+ n t u o 脚1 一n t v o h a o n 2 9 0 h a 2 ) ：一丝! 垒望二丝丝! r c 在第二象限，日为负值，取绝对值得： u o = w ( b + 1 t o h ) 是与测试线圈、积分器电路参数r 、c 相关的常数： 形一( n 1 - n 2 ) a o 届c 1 4 ( 同心形) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 沈阳工业大学博士学位论文 w n i a o( 劝厶形) r c 在磁性材料中 b = 胁m 一风h 取绝对值 ，= a o m = b + a o h 式中，肘为磁化强度，j 为磁极化强度。 所以 u o = 肼 j ：粤 ( 2 7 ) 缈 场强h 的测量也有两种方法：扁平线圈测日法和双层同轴测日法鲫。设测日线圈 的面积为爿3 ，线圈匝数为3 ，由下列公式可以推出日值的大小： e - - 一詈= 一3 业 ( 2 8 ) d f l z 5 ， 9 = 4 o f r j d t 则 2 2 2 测试过程 在测量常温下的，打曲线时，根据试样的形状( 如长方体、圆柱体等) ，先测量出 试样的几何参数( 如长、宽、直径等) ，在充磁机上饱和充磁；然后对仪器进行初始 化，其中包括根据试样设定参数、调整仪器漂移和把仪器设在开始测试状态等：第三步 是把试样放在极头之间，装好，前线圈，再通过电磁铁把试样夹紧，启动测试程序进入 测试阶段，澳4 试结果的曲线通过计算机记录并打印。 在测量高温下的，订曲线时，与常温测量基本一样。唯一不同的是要把试样在极头 中通过温控仪先加热至预定的温度，对于标准样e 1 0 x1 0 m m 的永磁体保温5 分钟。由 于磁体是热的良导体，可认为此时极头的温度就是试样的温度，然后再进行测量。表 2 1 是对某一标准试样分别加热不同时间的测量结果，可以看出5 分钟的保温时间足够 1 5 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究 长，不会影响测量结果；但是对于更大尺寸的永磁体，为了保证测量准确，保温时间应 当适当延长。而且在每一个温度下检测时，在加热前都必须对试样重新饱和充磁。 表2 1 某一标准样加热不同时间的测量结果 t a b l e 2 1t e s t i n gr