稀土永磁材料的渦流損耗

2021-01-08 找磁材

釤鈷和釹鐵硼都是金屬材料,由於金屬材料良好的導電性,電阻率都是很低的,這對於電機一類的旋轉機械來說並不是好事,因為它會帶來旋轉機械的渦流損耗,造成包括磁體在內的旋轉機械發熱。因此,在旋轉機械中所出現的磁體渦流損耗,對磁體和電機設計者來說是必須要考慮的。今天懂磁帝就帶大家了解一下什麼是磁體的渦流損耗,在磁材生產方面如何避免渦流損耗。

要了解和降低渦流損耗,首先我們應該知道渦流損耗是如何產生的。這裡需要引出一個概念—趨膚效應(集膚效應)

當交變電流通過導線時,電流密度在導線橫截面上的分布是不均的,隨著電流變化頻率的升高,電流越來越集中於導電錶面,導線內部電流越來越小,這一現象稱為趨膚效應。

圖片來源於網絡。頻率越高,趨膚效應越

引起趨膚效應的原因就是渦流。從電磁感應定律可知,交變電場周圍會產生交變磁場,當交流電通過導體時,會在導體內部及導體周圍產生交變磁場,使導體內部產生呈渦旋狀的感應電流,渦電流簡稱渦流。

離導體中心越近,交變磁場在導體內所產生的感生電動勢就越高,渦流越強,對原電流的阻礙作用就越強,導致趨近導體中心的電流密度小,而趨近表面的電流密度較大。

由於感應電動勢隨著頻率的提高而增加,趨膚效應亦隨著頻率提高而更為顯著。當頻率很高的電流通過導線時,可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過,這等效於導線的截面減小,大大降低了導體材料的有效利用率。

渦流損耗

由於釤鈷和釹鐵硼永磁的電阻比較很小,因此在交變電場中的渦流一般都比較大。由於電流的熱效應,渦流會使磁體發熱,溫度過高時就會發生熱退磁。

渦流損耗的大小與磁場的變化方式、磁體的運動、磁體的形狀、磁導率和電阻率等因素有關。旋轉機械的轉速(相當於頻率)和磁導率越高,電阻率越低,則趨膚深度越小,引起的損耗越大。在電動汽車、電梯等領域,為了進行速度控制,永磁電機通常由逆變器功率源來控制,由於存在載波頻率的高次諧波,也會使磁體中渦流損耗變大並造成熱退磁。

通過提高電阻率降燒結釹鐵硼的渦流損耗

從電機設計角度出發,為了降低永磁體在旋轉機械中的渦流損耗,人們提出了若干技術方法,例如環繞磁體的屏蔽柱、分割磁體和側面隔離磁體的方法等。

從磁體的角度出發,降低電機渦流損耗的最有效方法之一,就是採用粘結磁體,因為粘結劑的存在及足夠高的體積分數,使粘結磁體的點的電阻率是燒結磁體的102~104倍,但電機的功率和最高使用溫度受到了很大的限制,因此最直接的方法是提高燒結磁體自身的電阻率。

提高燒結磁體的電阻率有多種方法,如添加高電阻率的粉體(Al2O3等)、塗覆SiO2塗層等,不過這些方法都會在一定程度上影響燒結磁體的磁性能,因此在磁體研發過程中需要在電阻率和和磁性能之間做一個平衡。

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