永磁電機中的磁性材料

2021-01-20 找磁材

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出品｜找磁材

作者｜懂磁帝


永磁電機採用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流，效率高、結構簡單，是很好的節能電機。與傳統的電勵磁電機相比，永磁電機具有結構簡單，運行可靠，體積小、質量輕，損耗小、效率高等顯著優點。永磁電機應用範圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業生產和日常生活的各個領域，隨著高性能永磁材料的發展和控制技術的迅速發展，永磁電機的應用將會變得更為廣泛。

大家都知道電機的種類繁多，但基本原理都是應用電生磁及電磁感應現象實現電能和動能的相互轉換，想了解更多關於電機的基本原理和結構，可點擊查看電機的基本原理與基本結構，直流電機與交流電機。


19世紀20年代出現的世界上第一臺電機就是由永磁體產生勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石（Fe3O4），磁能密度很低，用它製成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。

隨著各種電機迅速發展的需要和電流充磁器的發明，人們對永磁材料的機理、構成和製造技術進行了深入研究，相繼發現了碳鋼、鎢鋼（最大磁能積約2.7 kJ/m3）、鈷鋼（最大磁能積約7.2kJ/m3）等多種永磁材料。特別是20世紀30年代出現的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85kJ/m3）和50年代出現的鐵氧體永磁（最大磁能積可達40kJ/m3），磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機又紛紛使用永磁體勵磁。但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36～160 kA/m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它們在電機中的應用範圍。一直到20世紀60年代和80年代，釤鈷永磁和釹鐵硼永磁材料相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優異磁性能特別適合於製造電機，從而使永磁電機的發展進入一個新的歷史時期。

 

1）剩磁的影響 

對於直流電機，在同樣的繞組參數和測試條件下，剩磁越高，空載轉速越低、空載電流也越小；最大扭矩越大，最高效率點的效率越高。在實際的測試中，一般都是用空載轉速的高低和最大扭矩的大小判斷磁鋼的剩磁標準。 

對於同一繞組參數和電參數而言，之所以剩磁越高，空載轉速越低、空載電流越小，是因為運行中的電機，以比較低的轉速，就產生了足夠的反向感生電壓，使得施加在繞組上的電動勢的代數和減小。

 2）矯頑力的影響 

在電機運行的過程中，始終存在著溫度和反向退磁場的影響。從電機設計的角度上講，矯頑力越高，磁鋼的厚度方向可以越小，矯頑力越小，磁鋼的厚度方向越大。但是磁鋼超過一定的矯頑力之後，是沒有用處的，因為電機的其他元件也不可能穩定地在那個溫度下工作。矯頑力滿足需求即可，以在推薦的實驗條件下滿足需要為標準，沒有必要浪費資源。

 3）方形度的影響 

方形度僅僅影響電機性能測試效率曲線的平直性，儘管目前還沒有把電機效率曲線的平直性列為重要的指標性標準，但是，這對於輪轂電機在自然路況條件下的續行距離非常重要。因為路況條件不同，電機不可能始終工作在最大效率點上，這就是為什麼有的電機的最大效率並不高而續行距離反而遠的原因之一。 一個好的輪轂電機，不僅最大效率應當高，而且效率曲線應當儘可能的水平，效率降低的斜率越小越好。隨著輪轂電機的市場、技術和標準的成熟，這將逐漸成為一個重要的標準。  

4）性能的一致性的影響 

剩磁不一致：即便是有個別性能特別高的也不好，由於各單向磁場區段的磁通不一致，導致扭矩的不對稱而發生震動。

矯頑力不一致：尤其是個別產品的矯頑力過低，容易產生反向退磁，導致各磁鋼的磁通不一致使電機震動。這種影響對於無刷電機更顯著。

 

1、磁鋼厚度的影響

在內或外磁路圈固定的情況下，厚度增加時，氣隙減小，有效磁通增加，同樣的剩磁，空載轉速降低，空載電流減小，電機的最大效率提高；但是，也有不利的方面，如電機的換向震動增加，電機的效率曲線相對變陡。因此，電機磁鋼的厚度應當儘可能的一致，減小震動。

2 、磁鋼寬度的影響

對於密排分布的無刷電機磁鋼，總的累計間隙不能超過0.5毫米，過小會無法安裝，過大會導致電機震動和效率降低，這是因為測量磁鋼位置的霍爾元件的位置和磁鋼的實際位置不對應。此外，必須保證寬度的一致性，否則電機的效率低、震動大。 

對於有刷電機，磁鋼之間都有一定的間隙，是留給機械換向過渡區的。雖然留有間隙，但大多廠家為了保證電機磁鋼的安裝位置準確，都有嚴格的磁鋼安裝工裝，來保證安裝精度。如果磁鋼的寬度超出，會無法安裝；如果磁鋼寬度過小，會導致磁鋼定位失準，電機的震動增加、效率降低。 

3、 磁鋼倒角大小和不倒角的影響 

如果不倒角，則電機的磁場邊沿的磁場變化率大，造成電機的脈震，倒角越大，震動越小。但是倒角一般對磁通有一定的損失，對於有些規格倒角到0.8時，磁通損失0.5~1.5%。對於有刷電機剩磁偏低時，適當減小倒角大小，有利於補償剩磁，但是，電機的脈震增加。 一般而言，剩磁偏低的時候，可以適當放大長度方向的公差，這樣可以在一定程度上提高有效磁通，使電機的性能基本不變化。


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