永磁电机设计

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1、 第 一 章 永 磁 电 机 的 构 成 材 料 q永 磁 材 料 的 性 能 和 选 用 q铁 心 材 料 q导 电 材 料 q绝 缘 材 料 一 、 永 磁 材 料 的 性 能 和 选 用（ 一 ） 、 永 磁 材 料 磁 性 能 的 主 要 参 数（ 二 ） 、 几 种 主 要 永 磁 材 料 的 基 本 性 能 （ 三 ） 、 永 磁 材 料 的 选 择 和 应 用 注 意 事 项 （ 一 ） 、 永 磁 材 料 磁 性 能 的 主 要 参 数 1、 退 磁 曲 线 2、 回 复 线 3、 内 禀 退 磁 曲 线 4、 稳 定 性 1、 退 磁 曲 线永 磁 材 料 用 磁 滞 回 线

2、 来 表 示 永 磁 体 的 磁 感 应 强 度 随 磁 场强 度 改 变 的 特 性 ， 如 图 2-1所 示 。 图 1-1 饱 和 磁 滞 回 线 退 磁 曲 线 ： 磁 滞 回 线 在 第 二 象 限 的 部 分 称 为 退 磁 曲 线 ，它 是 永 磁 材 料 的 基 本 特 性 曲 线 。 图 1-2（ a） 退 磁 曲 线 退 磁 曲 线 的 两 个 极 限 位 置 是 表 征永 磁 材 料 磁 性 能 的 两 个 重 要 参 数 。剩 余 磁 感 应 强 度 ， 又 称 剩 余 磁 通密 度 ， 简 称 剩 磁 密 度 ， 单 位 为 T（ 习 惯 单 位 为 Gs或 G， 1

3、Gs 10 4T） 。磁 感 应 强 度 矫 顽 力 ， 简 称 矫 顽力 ， 常 简 写 为 ， 单 位 为 A/m（ 习 惯 单 位 为 Oe， 1Oe 1000/（ 4 ） A/m 79.577A/m 80A/m ） 。 rBcBH cH 退 磁 曲 线 的 特 点 ： 永 磁 体 是 一 个 磁 源 。 为 表 述 方 便 起 见 ， 实 用 上 常 取 的 绝 对 值 ， 或 者 说 ， 把 轴的 正 方 向 改 变 ， 负 轴 改 为 正 轴 。 H H 图 1-2（ b） 退 磁 曲 线 磁 能 积 ： 退 磁 曲 线 上 任 一 点 的 磁 通 密 度 与 磁 场 强 度 的

4、乘 积 称为 磁 能 积 图 1-3 退 磁 曲 线 和 磁 能 积 曲 线 1， 2 退 磁 曲 线 3， 4 磁 能 积 曲 线 中 间 某 个 位 置 上 磁 能 积 为 最 大 值 ， 称 为 最 大 磁 能 积 ， 符 号 为单 位 为 J/m3， 它 也 是 表 征 永 磁 材 料 磁 性 能 的 重 要 参 数 。 maxBH 对 于 退 磁 曲 线 为 直 线 的 永 磁 材 料 ， 显 然 在 （ ） 处 磁 能积 最 大 ， 为 2/,2/ cr HBcrHBBH 41)( max 2、 回 复 线 实 际 上 ， 永 磁 电 机 运 行 时 受 到 作 用 的 退 磁 磁

5、 场 强 度时 反 复 变 化 的 。 （ 1 1） 图 1 4 （ a） 回 复 线 多 次 反 复 后 形 成 一 个 局 部 的 小 回 线 ， 称 为 局 部 磁 滞 回 线 。由 于 该 回 线 的 上 升 曲 线 与 下 降 曲 线 很 接 近 ， 可 以 近 似 地 用 一 条直 线 来 代 替 ， 称 为 回 复 线 。 这 种 磁 密 的 不 可 逆 变 化 将 造 成 电 机 性 能 的 不 稳 定 ， 也 增 加了 永 磁 电 机 电 磁 设 计 计 算 的 复 杂 性 ， 因 而 应 该 力 求 避 免 发 生 。 PR Hp外 加 退 磁 磁 场回 复 线PR若 HQ

6、Hp， 磁 密沿 作 可 逆 变 化PR 回 复 线 的 平 均 斜 率 与 真 空 磁 导 率 的 比 值 称 为 相 对 回 复磁 导 率 ， 简 称 为 回 复 磁 导 率 ， 符 号 为 ， 简 写 为 。 式 中 ， 为 真 空 磁 导 率 ， 又 称 磁 性 能 常 数 ， =4 10-7H/m。 0 rec rHBr 010 0 特 点 ： 退 磁 曲 线 上 各 点 的 回 复 线 可 近 似 认 为 是 一 组 平行 线 ， 他 们 都 与 退 磁 曲 线 上 （ ） 处 切 线 相 平 行 。 利 用这 一 近 似 特 性 ， 实 际 工 作 中 求 取 不 同 工 作 温

7、 度 、 不 同 工 作状 态 的 回 复 线 就 方 便 得 多 。 0,rB （ 1 2） 图 1 4 （ b） 回 复 线 拐 点 ： 有 的 永 磁 材 料 ， 如 部 分 铁 氧 体 永 磁 的 退 磁 曲 线的 上 半 部 分 为 直 线 ， 当 退 磁 磁 场 强 度 超 过 一 定 值 后 ，退 磁 曲 线 就 急 剧 下 降 ， 开 始 拐 弯 的 点 称 为 拐 点 （ 见 图2-4b） 。 大 部 分 稀 土 永 磁 的 退 磁 曲线 全 部 为 直 线 ， 回 复 线 与 退 磁曲 线 相 重 合 ， 可 以 使 永 磁 电 机的 磁 性 能 在 运 行 过 程 中 保

8、 持 稳定 ， 这 是 在 电 机 中 使 用 是 最 理想 的 退 磁 曲 线 。 3、 内 禀 退 磁 曲 线 磁 性 材 料 在 外 磁 场 作 用 下 被 磁 化 后 产 生 的 内 在 磁 感 应 强 度 ， 称 为内 禀 磁 感 应 强 度 ， 又 称 为 磁 极 化 强 度 。 iB JMJ 0式 中 ， 为 磁 化 强 度 （ A/m） M由 铁 磁 学 理 论 可 知 ， 在 磁 性 材 料 中 = + 在 均 匀 的 磁 性 材 料 中 ， 上 式 的 矢 量 和 可 改 成 代 数 和 若 取 绝 对 值 ， 则 式 （ 2-5） 可 改 写 成 M0 H0B HBMBi

9、 00 HBBi 0 （ 1 3） （ 1 4）（ 1 5）（ 1 6） 描 述 内 禀 磁 感 应 强 度 与 磁 场 强 度 关 系 的 曲 线 是 表 征永 磁 材 料 内 在 磁 性 能 的 曲 线 ， 称 为 内 禀 退 磁 曲 线 ， 简 称 内 禀 曲 线 ，如 图 2-5所 示 。 )(i JB H )(i HfB 图 1-5 内 禀 退 磁 曲 线 及 与 退 磁 曲 线 的 关 系 称 为 内 禀 矫 顽 力 （ A/m） 。反 映 永 磁 材 料 抗 去 磁 能 力的 大 小 ， 是 表 征 稀 土 永 磁抗 去 磁 能 力 强 弱 的 一 个 重要 参 数 。cJHcJ

10、K / HH KHri 9.0 BB 内 禀 退 磁 曲 线 的 矩 形 度 越 大 ， 磁 性 能 越 稳 定 。 为 内 禀 退磁 曲 线 上 当 时 所 对 应 的 退 磁 磁 场 强 度 值 （ 见 图 1-5） 。 4、 稳 定 性主 要 包 括 温 度 稳 定 性 、 磁 稳 定 性 、 化 学 稳 定 性 和 时 间 稳 定 性 。 （ 1） 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 ， 如 图 2-6所 示 。 图 1-6 可 逆 损 失 与 不 可 逆 损 失 磁 性 能 的 损 失 可 以 分 为

11、两 部 分 ：1） 可 逆 损 失 2） 不 可 逆 损 失 不 可 恢 复 损 失可 恢 复 损 失 1） 可 逆 损 失 是 不 可 避 免 的 。 各 种 永 磁 材 料 的 剩 余 磁 感 应 强 度随 温 度 可 逆 变 化 的 程 度 可 用 温 度 系 数 （ %/K） 表 示 。 同 样 ， 还 常 用 （ %/K） 表 示 永 磁 材 料 的 内 禀 矫 顽 力 随 温 度可 逆 变 化 的 程 度 。 Br100)t 010 01Br tB BB（HcJ 100)t 01cJ cJcJHcJ tH HH（ （ 1 8）（ 1 9）2） 不 可 逆 损 失 是 温 度 恢 复

12、 后 磁 性 能 不 能 恢 复 到 原 有 值 的 部 分 。 通常 以 其 损 失 率 （ %） 表 示 。IL 1000 00 B BBIL （ 1 10） 居 里 温 度 ： 随 着 温 度 的 升 高 ， 磁 性 能 逐 步 降 低 ， 升 至 某 一 温 度 时 ，磁 化 强 度 消 失 ， 该 温 度 称 为 该 永 磁 材 料 的 居 里 温 度 ， 又 称 居 里 点 ，符 号 为 ， 单 位 为 K或 。 cT C手 册 或 资 料 中 通 常 提 供 的 是 室 温 时 的 剩 余 磁 感 应 强 度 ， 则 工作 温 度 时 的 剩 余 磁 感 应 强 度 为式 中 ，

13、 和 取 绝 对 值 。 0t rt0B1t rt1B )(1001)1001( 01Brrt0rt1 ttILBB IL Br （ 1 11） （ 2） 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 。 理 论 分 析 和 实 践 证 明 ， 一 种 永 磁 材 料 在 工 作 温 度 时 的内 禀 矫 顽 力 越 大 ， 内 禀 退 磁 曲 线 的 矩 形 越 好 （ 或 者 说 越 大 ） ， 则 这 种 永 磁 材 料 的 磁 稳 定 性 越 高 ， 即 抗 外 磁场 干 扰 能 力 越 强 。 当 和 大 于 某 定 值

14、 后 ， 退 磁 曲 线 全 部 为 直 线 ， 回复 线 与 退 磁 曲 线 重 合 ， 在 外 施 退 磁 磁 场 强 度 作 用 下 ， 永磁 体 的 工 作 点 在 回 复 线 上 来 回 变 化 ， 不 会 造 成 不 可 逆 退磁 。 cJtHKH cJtH KH 永 磁 材 料 在 不 同 工 作 温 度 下 施 加 退 磁 磁 场 引 起 的 磁性 能 变 化 ， 称 为 热 稳 定 性 。（ 3） 化 学 稳 定 性 是 指 受 酸 、 碱 、 氧 气 和 氢 气 等 化 学 因素 的 作 用 ， 永 磁 材 料 内 部 或 表 面 化 学 结 构 发 生 变 化 的 情况

15、。 在 生 产 过 程 中 需 采 取 措 施 来 防 止 氧 化 要 在 成 品 表 面 涂 敷 保 护 层 ， 如 镀 锌 、 镀 镍 、 电 泳 等 。 （ 4） 时 间 稳 定 性 ， 通 常 以 一 定 尺 寸 形 状 样 品 的 开 路磁 通 随 时 间 损 失 的 百 分 比 来 表 示 ， 叫 做 时 间 稳 定 性 ，或 叫 自 然 时 效 。 研 究 表 明 ， 它 与 材 料 的 内 禀 矫 顽 力 和 永 磁 体尺 寸 比 有 关 。 对 永 磁 材 料 而 言 ， 在 一 定 温 度 下 随 时 间 的 磁 通 损失 与 所 经 历 时 间 的 对 数 基 本 上 成

16、 线 性 关 系 。cJHDL/ 总 结剩 磁 密 度矫 顽 力最 大 磁 能 积 rB cH maxBH1、 退 磁 曲 线2、 回 复 线 回 复 磁 导 率拐 点 r 3、 内 禀 退 磁 曲 线4、 稳 定 性 内 禀 磁 感 应 强 度内 禀 矫 顽 力内 禀 退 磁 曲 线 的 矩 形 度 iB cJHKH温 度 系 数损 失 率剩 余 磁 感 应 强 度 HcJILrt1B （ 二 ） 、 几 种 主 要 永 磁 材 料 的 基 本 性 能 1、 铝 镍 钴 永 磁2、 铁 氧 体 永 磁3、 稀 土 永 磁4、 粘 结 永 磁 1、 铝 镍 钴 永 磁 铸 造 型 粉 末 烧

17、结 型 分 类 图 1-7 铝 镍 钴 永 磁 的 退 磁 曲 线1 LN10 2-LNGT40 3-LNGT32 4-LNGT72 5-LNG32H 6-LNG32 7-LNG52 特 点 ：v 温 度 系 数 小 v 剩 余 磁 感 应 强 度 较 高 ， 但 矫 顽 力 很 低 v 退 磁 曲 线 呈 非 线 性 变 化 v 硬 而 脆 ， 可 加 工 性 较 差 表 1-1 铝 镍 钴 永 磁 材 料 牌 号 及 其 主 要 磁 性 能 rB cH max)(BH rB Br r牌 号 剩 余 磁 感应 强 度 磁 感 应 强 度矫 顽 力 最 大 磁 能 积 温 度系 数/%K-1

18、回 复 磁导 率T kGs kA/m kOe kJ/m3 MGOeLN10 LNG13LNG32LNG37LNG40LNG44LNG52LNG60LNGT70 0.60.71.21.21.251.251.31.350.9 6.07.012.012.012.512.513.013.59 3648444848525660145 0.450.600.550.60.60.650.70.751.82 1012.73236.939.843.851.76070 1.251.64.04.635.05.56.57.58.8 -0.022 -0.016 -0.016 6.0 7.06.0 6.73.5 4.8 2

19、.4 3.62.4 3.6 表 1-2 铝 镍 钴 永 磁 材 料 部 分 牌 号 的 物 理 和 力 学 性 能 牌 号 密 度/g cm-3 电 阻 率 /cm 线 膨 胀系 数 / 10-6K-1 硬 度HRC 抗 拉 强 度/N mm-2LN 10LNG 13LNG 32LNG 52 7.07.27.37.3 60 65654750 13.012.411.211.2 45 47525050 24 2、 铁 氧 体 永 磁 钡 铁 氧 体 锶 铁 氧 体 分 类 图 1-8 铁 氧 体 永 磁 的 退 磁 曲 线 优 点 ：v价 格 低 廉 ， 制 造 工 艺 也 较 为 简 单 v矫

20、顽 力 较 大v密 度 小 v退 磁 曲 线 接 近 于 直 线缺 点 ：v剩 磁 密 度 不 高 ， 最 大 磁 能 积 不 大v剩 磁 温 度 系 数 大v矫 顽 力 温 度 系 数 为 正 值 v硬 而 脆 ， 可 加 工 性 较 差 表 1-3 铁 氧 体 永 磁 材 料 牌 号 及 其 主 要 磁 性 能rB cH cJH xBH ma)(牌 号 剩 余 磁 感 应 强度 磁 感 应 强 度矫 顽 力 内 禀 矫 顽 力 最 大 磁 能 积T kGs kA/m kOe kA/m kOe kJ/m3 MGOeY8TY10TY15Y20 Y23Y25Y28Y32 0.20.2350.20

21、.280.360.320.380.320.370.360.400.370.400.400.42 2.02.3522.83.63.23.83.23.73.64.03.74.04.04.2 125160128160128192135190170190135170175210160190 1.572.011.602.01.602.401.702.382.142.381.702.142.202.642.012.38 210280 140195190230140200180220165195 2.643.52 1.762.452.392.891.762.512.262.772.072.45 6.509.

22、506.409.6014.317.518.022.020.025.522.528.026.030.030.033.5 0.81.20.81.21.82.22.32.82.53.22.83.53.33.83.84.2 表 1-4 铁 氧 体 永 磁 的 其 它 物 理 特 性C密 度/gcm3 电 阻 率 / cm 剩 磁 温 度系 数 /%K-1 居 里 温 度/ 线 膨 胀 系数 / 10-6K-1 硬 度 HV4.5 5.1 106 -0.20 450 460 7 15 480 580 3、 稀 土 永 磁 稀 土 钴 永 磁 钕 铁 硼 永 磁 （ 1） 稀 土 钴 永 磁优 点 ：v

23、、 及 都 很 高 v退 磁 曲 线 基 本 上 是 一 条 直 线v温 度 系 数 小 ， 居 里 温 度 高 分 类 rB cH max)(BH 缺 点 ：v价 格 贵v硬 而 脆 v装 配 困 难 表 1-5 稀 土 钴 永 磁 材 料 部 分 牌 号 及 其 主 要 磁 性 能 rB cH max)(BH BrC r牌号 剩 余 磁 感 应强 度 磁 感 应 强 度矫 顽 力 最 大 磁 能 积 温 度 系数/%K-1（ 20100 ） 回 复磁 导率 密 度/gcm-3T kGs kA/m kOe kJ/m3 MGOeXGS-80XGS-144XGS-160 0.60.70.80.9

24、0.91.0 6789910 320384520640640720 4.04.86.58.08.09.0 7276120152152176 9.09.515191922 -0.09-0.05-0.05 1.051.101.051.101.051.10 8.28.38.28.38.28.3 （ 2） 钕 铁 硼 永 磁 图 1-9 不 同 温 度 下 钕 铁 硼 永 磁 （ NdFeB264/82EH） 的 内 禀 退 磁 曲 线 和 退 磁 曲 线 优 点 ：v目 前 磁 性 能 最 高 的 永 磁 材 料 v价 格 便 宜缺 点 ：v居 里 温 度 较 低 v温 度 系 数 较 高 v容 易

25、 锈 蚀 rB cH cJH xBH ma)(牌 号 剩 余 磁 感 应强 度 磁 感 应 强 度 矫顽 力 内 禀 矫 顽 力 最 大 磁 能 积T kGs kA/m kOe kA/m kOe kJ/m3 MGOeNdFeB416/84 1.431.49 14.314.9 836 10.5 915 11.5 398422 50 53NdFeB280/85M 1.161.22 11.612.2 845 10.6 1114 14.0 263287 33 36NdFeB264/82H 1.121.19 11.211.9 816 10.2 1353 17.0 247271 31 34NdFeB336

26、/94H 1.281.34 12.813.4 938 11.8 1313 16.5 318342 40 43NdFeB376/100H 1.361.41 13.614.1 1000 12.6 1274 16.0 358382 45 48NdFeB320/91SH 1.251.31 12.513.1 912 11.5 1592 20.0 302326 38 41 表 1-6 烧 结 钕 铁 硼 永 磁 材 料 部 分 牌 号 及 其 主 要 磁 性 能 4、 粘 结 永 磁定 义 ： 粘 结 铁 氧 体 永 磁 粘 结 稀 土 钴 永 磁 粘 结 钕 铁 硼 永 磁 分 类 优 点 ：v形 状

27、自 由 度 大 ， 尺 寸 精 度 高 ， 不 变 形 v产 品 性 能 分 散 性 小 v机 械 强 度 高 v电 阻 率 高 v原 材 料 利 用 率 高 v密 度 小 、 质 量 轻 表 1-7 粘 结 永 磁 材 料 部 分 牌 号 及 其 主 要 磁 性 能 cBH max)(BHrB Br牌号 剩 余 磁 感应强 度 磁 感 应 强 度矫 顽 力 最 大 磁 能 积 内 禀 矫 顽力 温度系数/%K-1 抗压强度/Nmm 2 密度 /g cm-3T kGs kA/m kOe kJ/m3 MGOe kA/m kOeGBM-5GBM-6GBM-F-2GBM-F-3 0.450.500.

28、500.550.250.300.150.25 4.5555.52.531.52.5 2002802803208016072120 2.53.53.54.01.02.40.91.5 2440404881248 35561.01.50.51.0 640 640120240144224 8.0 8.01.53.01.82.8 0.110.110.130.20 150250150250180250180250 5.76.05.76.04.04.53.54.5 总 结 rB cH1、 铝 镍 钴 特 点2、 铁 氧 体 特 点 不 高 较 大 小 大 退 磁 曲 线 大 部 分 直 线Br 小较 高 很

29、 低退 磁 曲 线 非 线 性 cHrBBr HcJ 0 rB cH maxBH 稀 土 钴 特 点 钕 铁 硼 特 点 目 前 性 能 最 高价 格 便 宜 较 高 高 温 时 退 磁 曲 线 下 半 部 分 弯 曲Br价 格 贵 小 很 高 ， 很 高 ， 很 高退 磁 曲 线 基 本 是 直 线 Br 3 、稀土永磁 4、 粘 结 永 磁 特 点 尺 寸 精 度 高 ， 不 变 形 产 品 性 能 分 散 性 小 机 械 强 度 高 电 阻 率 高 原 材 料 利 用 率 高 小 （ 三 ） 、 永 磁 材 料 的 选 择 和 应 用 注 意 事 项1、 永 磁 材 料 选 择 的 原

30、则 ： 1)气 隙 磁 场 和 性 能 指 标 2)磁 性 能 的 稳 定 性 3)机 械 性 能 4)价 格 适 宜 2、 应 用 注 意 事 项 ： 1)需 对 永 磁 体 进 行 逐 块 检 测 。 2)磁 场 热 处 理 工 艺 3)稳 磁 处 理 二 、 铁 心 材 料 表 1 8 具 有 代 表 性 的 永 磁 电 机 用 铁 心 材 料 种类 Co-Fe-v 2%Ni-Fe Fe 电磁钢板 6.5%SI-Fe 粉 末烧 结Fe FE-Cr合金 非 晶态 材料 坡 莫合 金(PC)饱 和磁 化强 度/T 2.3 2.17 2.15 2.12.0 1.8 1.52 1.31.8 1.

31、6 0.8 形 状 板 、块 块 板 、块 板 板 块 板 、块 薄带 板 铁 心 材 料 的 铁 损 涡 流 损 耗 磁 滞 损 耗 ： mhh fBp 1.6mT1 2mT3.1 2Bfp ee 23.1 BfpFe 表 1-9 无 取 向 性 电 磁 钢 板 的 典 型 特 性 8B 50B 50/15W 1000/5W 400/10W电 磁钢 板 板 厚/mm 电 阻 率/ cm /T /T /W kg-1 W kg-1 W kg-135A21050A23050A47050A1300 0.350.500.500.50 59593914 1.461.481.511.52 1.661.67

32、1.701.75 2.02.23.88.1 18243476 16223072 薄 板 材 0.100.150.20 525254 1.581.581.44 8.19.613.6 8.59.812.56.5%Si 0.100.20 8282 1.251.27 6.08.4 7.58.1 三 、 导 电 材 料 漆 包 线 是 在 以 铜 为 主 体 的 导 电 材 料 上 ， 涂 敷 以 合 成树 脂 为 主 体 的 绝 缘 物 而 制 成 的 。1.导 体 材 料（ 1） 电 工 用 铜 （ 2） 电 工 用 铝 2.绝 缘 材 料 （ 1） 聚 氨 酯 类 树 脂 (UEW) （ 2） 酯

33、 类 (PEW) （ 3） 聚 酯 亚 胺 (AMW-X) （ 4） 酸 酯 胺 亚 胺 (AIW) （ 5） 聚 酰 亚 胺 (IMW) 应 对 逆 变 器 过 电 压 的 漆 包 线 使 用 IGBT那 样 的 前 沿 技 术 能 进 行 快 速 开 关 的 逆变 器 ， 会 产 生 很 高 的 过 电 压 ， 由 于 局 部 放 电 而 导 致绝 缘 被 破 坏 的 报 告 也 多 了 起 来 。 四 、 绝 缘 材 料 1、 浸 渍 清 漆 2、 槽 内 的 绝 缘 材 料 浸 漆 绝 缘 纸 粉 末 涂 料 第 二 章 永 磁 电 机 磁 路 计 算 基 础q永 磁 电 机 的 等

34、效 磁 路 q等 效 磁 路 的 解 析 法 q等 效 磁 路 的 图 解 法 q永 磁 体 的 最 佳 工 作 点 一 、 永 磁 电 机 的 等 效 磁 路（ 一 ） 永 磁 体 等 效 成 磁 通 源 或 磁 动 势 源（ 二 ） 外 磁 路 的 等 效 磁 路（ 三 ） 永 磁 电 机 的 等 效 磁 路（ 四 ） 主 磁 导 和 漏 磁 导（ 五 ） 漏 磁 因 数 和 空 载 漏 磁 因 数 （ 一 ） 永 磁 体 等 效 成 磁 通 源 或 磁 动 势 源 HBB riri 0)1( HBMBi 00 HMM r 1r HMHMB rrr 000i )1() （ 已 知 HBHM

35、B rirrr 000 HMB 00 HMHHMB rrr 0000 ) （H 取 绝 对 值 （ 2 1） 图 3-1 永 磁 材 料 的 内 禀 曲 线 和 退 磁 曲 线 1、 永 磁 体 等 效 成 磁 通 源 由 式 （ 3 1） 得 0rm mrmirm HAABBA即 4044 101010 （ 2 2） 式 中 ， 为 永 磁 体 虚 拟 内 禀 磁 通 r mirr AB 为 永 磁 体 的 虚 拟 内 漏 磁 通 ， 或 叫 虚 拟 自 退 磁 磁 通 0 m0Mp Mp m0rm0r0 FHhh AHA 图 3-2 永 磁 体 等 效 成 磁 通 源 （ 2 3）（ 2

36、4） 0mMpc0mcm mc0MpMpcMp mr0rm hHFF FFHhhHh A 2 40 10 )(10)(或 图 2-3 永 磁 体 等 效 成 磁 动 势 源 2、 永 磁 体 等 效 成 磁 动 势 源 （ 2 5） （ 二 ） 外 磁 路 的 等 效 磁 路1、 空 载 情 况 m 分 为 图 2-4 空 载 时 外 磁 路 的 等 效 磁 路 2、 负 载 运 行 时 图 2-5 负 载 时 外 磁 路 的 等 效 磁 路 戴维南等效变换 n a a aa 11 1 F F FF （ 2 6） （ 三 ） 永 磁 电 机 的 等 效 磁 路 （ a） 磁 通 源 等 效 磁

37、 路 （ b） 磁 动 势 源 等 效 磁 路图 2-6 负 载 时 永 磁 电 机 的 等 效 磁 路 （ 四 ） 主 磁 导 和 漏 磁 导 F 1、 主 磁 导 s efi0s 0 22 KK LKKA 2、 漏 磁 导 漏 磁 导 的 计 算 较 为 繁 杂 （ 五 ） 漏 磁 因 数 和 空 载 漏 磁 因 数 m 1 1、 定 义2、 空 载 0 aF 0 1 二 、 等 效 磁 路 的 解 析 法（ 一 ） 等 效 磁 路 各 参 数 的 标 么 值 （ 二 ） 等 效 磁 路 的 解 析 解 （ 三 ） 解 析 法 的 应 用 （ 一 ） 等 效 磁 路 各 参 数 的 标 么

38、 值 1、 基 值 选 取 ： 磁 通 基 值 磁 动 势 基 值 磁 导 基 值 mrrb AB Mpccb hHFF 0bbb F mrmrmm bBB rrrr 1 b m cmcmm hHHFFf acaa hFFf 2、 相 应 物 理 量 的 标 么 值 cccc 1 hFFf b 1 b00 b 用 标 么 值 表 示 时 ， 直 线 的 回 复 线 (或 退 磁 曲 线 )表 示 成 ： m00rm F r mm mm 11 hb f 或 以 标 么 值 表 示 的 等 效 磁 路 （ a） 磁 通 源 等 效 电 路 （ b） 磁 动 势 源 等 效 磁 路图 3-7 以 标

39、 么 值 表 示 的 等 效 磁 路 （ 二 ） 等 效 磁 路 的 解 析 解1、 磁 路 不 饱 和 ， 即 、 和 都 是 常 数 （ 1） 空 载 n 000 00 1 nmm mmf f求 解 得 m0nm0 m0n nm0 11 1 hf b 空 载 永 磁 体 工 作 点 ( , 或 , ) 0mb 0mh 0m 0mf 永 磁 体 提 供 的 总 磁 通 漏 磁 通 每 极 气 隙 磁 通 0 mrm000 00mrm0m00 mrm0000 mrm00m0 )( ABbABbbbABhb ABhf ABb mrmmmrmr rm求 得 空 载 时 各 部 分 磁 通 ： （

40、2） 负 载 namNmN mNmN ff f )( 1求 解 得 负 载 永 磁 体 工 作 点 ( , 或 , ) mNb mNh mN mNf mNn anmN mNn anmN 11 11 hff bf 永 磁 体 提 供 的 总 磁 通 漏 磁 通 每 极 气 隙 磁 通 mrmNmNN mrmNN mrmNmN )( ABhb ABhf ABb rmNrN rmN 求 得 负 载 时 各 部 分 磁 通 ： 2、 磁 路 是 饱 和 的 ， 不 是 常 数 （ 1） 当 磁 路 的 饱 和 程 度 不 高 时 ， 近 似 计 算（ 2） 当 磁 路 比 较 饱 和 时 ， 迭 代

41、法 n 图 2-8 计 算 框 图 0mb m mm h hb 0 00 95.0 （ 三 ） 解 析 法 的 应 用上 述 方 法 推 广 应 用 于 所 有 永 磁 材 料1.对 于 铁 氧 体 永 磁 和 部 分 高 温 下 工 作 的 钕 铁 硼 永 磁 图 2-9 具 有 拐 点 的 直 线 型 退 磁 曲 线 和 回 复 线 Mpcc hHF （ 1） 设 计 时 保 证 最 低 工 作 点高 于 拐 点 ， 用 替 代cH cH（ 2） 工 作 点 低 于 拐 点 ， 用 和 替 代 和 mirr AB rBcH cHirB 2.对 于 铝 镍 钴 类 永 磁图 3-10 曲 线

42、 型 退 磁 曲 线 和 回 复 线 用 和 替 代 和 rB cH irB cH 必 须 着 重 指 出 ， 永 磁 材 料 的 磁 性 能 对 温 度 的 敏 感 性 很大 ， 尤 其 是 钕 铁 硼 永 磁 和 铁 氧 体 永 磁 ， 其 的 温 度 系 数达 -0.126%/K和 -(0.180.20)%/K。 因 此 实 际 应 用 时 ， 不能 直 接 引 用 材 料 生 产 厂 提 供 的 数 值 ， 而 要 根 据 实 测 退磁 曲 线 换 算 到 工 作 温 度 时 的 计 算 剩 磁 密 度 和 计 算 矫 顽力 ， 以 此 作 为 基 值 进 行 计 算 。 温 度 不

43、同 ， Br和 Hc随 着 改变 ， 计 算 出 的 工 作 点 和 磁 通 也 不 相 同 。 三 、 等 效 磁 路 的 图 解 法图 解 法 求 解 等 效 磁 路 就 是 求 出回 复 线 与 合 成 磁 导 线 的 交 点 )( mm Ff )( mn f 图 2-11 空 载 时 等 效 磁 路 图 解 法 1、 空 载 2、 负 载 图 2-12 负 载 时 等 效 磁 路 图 解 法 如 起 增 磁 作 用 从 原 点 向 右 移 动 的 距 离 aF aF如 起 去 磁 作 用 从 原 点 向 左 移 动 的 距 离 aFaFN 当 永 磁 材 料 的 退 磁 曲 线 有 拐

44、 点 时 ， 要 进 行 去 磁 校核 计 算 ， 即 计 算 出 电 机 运 行 时 可 能 出 现 的 最 大 去 磁 电流 ， 用 以 求 出 该 时 的 工 作 点 a， 如 a点 低 于 退 磁 曲 线 的拐 点 ， 则 将 产 生 不 可 逆 退 磁 。 此 时 ， 或 者 调 整 磁 路 设计 ， 使 a点 高 于 拐 点 ， 或 者 据 此 重 新 确 定 回 复 线 起 始点 和 新 的 回 复 线 ， 重 新 求 解 。 图 2-13 坐 标 的 永 磁 体 工 作 图 图 2-14 以 标 么 值 表 示 的 永 磁 体 工 作 图 HB mMpAhP 四 、 永 磁 体

45、 的 最 佳 工 作 点（ 一 ） 最 大 磁 能 的 永 磁 体 最 佳 工 作 点 mMpDD VBHHhBAFJ )(212121 m )(BHFV DDm 5.0DD b 图 2 15 最 大 磁 能 时 的 永 磁 体 工 作 图A是 中 点 （ 二 ） 最 大 有 效 磁 能 的 永 磁 体 最 佳 工 作 点 2max) eee FW （ 图 2 16（ a） 最 大 有 效 磁 能 时 的 永 磁 体 工 作 图rm r ABACABOA ABAC BAAB 221 又 2ee b 22 12 ee b图 2 16（ b） 最 大 有 效 磁 能 时 的 永 磁 体 工 作 图

46、 （ 三 ） 永 磁 体 最 佳 工 作 点 的 应 用 及 注 意 事 项 211n anmN fb an 22 f mMprs efi00n 2 AhKK L 00bbb h AhH ABFF Mp mrMpc mrcr s efi0s 0 22 KK LKKA 1 当 退 磁 曲 线 具 有 拐 点 时 ， 首 先 要 进 行 最 大 去 磁 工 作点 ( ， )的 校 核 ， 使 其 高 于 退 磁 曲 线 (或 回 复 线 )的拐 点 ( ， )， 即 或 ， 并 留 有 充 分 余地 ， 以 防 止 永 磁 体 产 生 不 可 逆 退 磁 。 在 保 证 不 失 磁 的前 提 下

47、追 求 尽 可 能 大 ( 通 常 不 是 最 大 )的 有 效 磁 能 。2 在 设 计 电 机 时 首 先 着 眼 于 最 佳 电 机 设 计 ， 有 时 只 好放 弃 永 磁 体 的 最 佳 利 用 。 一 般 取 0.60 0.85， 这需 要 根 据 对 电 机 的 具 体 要 求 ， 经 过 方 案 比 较 后 确 定 。 mhb mhhkb kh mhb kb mhh kh mNb 第 三 章 永 磁 同 步 电 动 机q特 点 和 分 类 q永 磁 同 步 电 动 机 的 结 构 q永 磁 同 步 电 动 机 的 稳 态 性 能 q永 磁 同 步 电 动 机 磁 路 分 析 与

48、 计 算 q永 磁 同 步 电 动 机 参 数 计 算 和 分 析 q异 步 起 动 永 磁 同 步 电 动 机 的 起 动 过 程 一 、 特 点 和 分 类 1、 特 点 ：结 构 较 为 简 单 ， 运 行 更 为 可 靠 ,提 高 了 效 率 和 功 率 密度 2、 分 类 ：（ 1） 按 工 作 主 磁 场 方 向 的 不 同 径 向 磁 场 式轴 向 磁 场 式横 向 磁 场 式 （ 2） 按 电 枢 绕 组 位 置 的 不 同 内 转 子 式外 转 子 式 （ 3） 按 转 子 上 有 无 起 动 绕 组 无 起 动 绕 组 的 电 动 机有 起 动 绕 组 的 电 动 机 （

49、4） 按 供 电 电 流 波 形 的 不 同 矩 形 波 永 磁 同 步 电 动 机正 弦 波 永 磁 同 步 电 动 机 永磁电机基本部分 固 定 部 分转 动 部 分辅 助 部 分 定 子 机 座定 子 铁 心定 子 绕 组端 盖 及 底 板 转 轴转 子 铁 心转 子 绕 组风 扇 1、 总 体 结 构二 、 永 磁 同 步 电 动 机 的 结 构 实 心 结 构叠 片 叠 压结 构 图 3-1 永 磁 同 步 电 动 机 结 构 示 意 图1 转 轴 2 轴 承 3 端 盖 4 定 子 绕 组 5 机 座 6 定 子 铁 心7 转 子 铁 心 8 永 磁 体 9 起 动 笼 10 风

50、扇 11 风 罩 图 4-2 永 磁 电 机 横 截 面 示 意 图1 定 子 2 永 磁 体 3 转 轴 4 转 子 铁 心 v定 子 铁 心v转 子 铁 心 图 4-3 非 常 规 分 布 的 永 磁 同 步 电 动 机 绕 组 矩 形 波 采 用 集 中 整 距 绕 组正 弦 波 采 用 分 布 短 距 绕 组 采 用 一 些 非 常 规 绕 组减 少 杂 耗 采 用 星 形 接 法 2、 转 子 磁 极 结 构 永 磁 体 在转 子 位 置的 不 同 表 面 式内 置 式爪 极 式 凸 出 式插 入 式 径 向 式切 向 式混 合 式 （ 1） 表 面 式 转 子 磁 极 结 构 （

51、a） 凸 出 式 （ b)插 入 式图 4-4 表 面 式 转 子 磁 极 结 构1 永 磁 体 2 转 子 铁 心 3 转 轴 特 点 ：工 艺 简 单 、 成 本 低 无 异 步 起 动 能 力 A） 表 面 凸 出 式 转 子 结 构 特 点 ：结 构 简 单 、 制 造 成 本 较 低 、 转 动 惯 量 小 永 磁 磁 极 易 于 实 现 最 优 设 计 B） 表 面 插 入 式 转 子 结 构 特 点 ：动 态 性 能 较 凸 出 式 有 所 改 善 漏 磁 因 数 和 制 造 成 本 都 较 凸 出 式 大 。 （ 2） 内 置 式 转 子 磁 极 结 构 A） 径 向 式 结

52、构 特 点 ：漏 磁 因 数 小 极 弧 因 数 易 于 控 制转 子 冲 片 机 械 强 度 高安 装 永 磁 体 后 转 子 不 易 变 形 次 之 qX 图 3-5 内 置 径 向 式 转 子 磁 极 结 构1 转 轴 2 空 气 隔 磁 槽 3 永 磁 体 4 转 子 导 条 磁性转轴磁力线 非磁性转轴磁力 线模 型 模 型 空 载 场 磁 力 线 （ B） 切 向 式 结 构 特 点 ：漏 磁 因 数 较 大 ， 需 采 用 相 应 的 隔 磁 措 施 制 造 工 艺 和 制 造 成 本 较 径 向 式 结 构 有 所 增 加 每 极 磁 通 由 相 邻 两 个 磁 极 并 联 提

53、供 磁 阻 转 矩 在 电 动 机 总 电 磁 转 矩 的 比 例 可 达 40 最 大 qX 图 3-6 内 置 切 向 式 转 子 磁 极 结 构1 转 轴 2 空 气 隔 磁 槽 3 永 磁 体 4 转 子 导 条 （ C） 混 合 式 结 构 特 点 ：结 构 和 制 造 工 艺 较 为 复 杂 ， 制 造 成 本 也 比 较 高 集 中 了 径 向 式 和 切 向 式 转 子 结 构 的 优 点 图 3-7 内 置 式 混 合 式 转 子 磁 极 结 构1 转 轴 2 空 气 隔 磁 槽 3 永 磁 体 4 转 子 导 条 较 大 的 和 凸 极 率 （ ） 可 以 提 高 电 动

54、机 的 牵入 同 步 能 力 、 磁 阻 转 矩 和 电 动 机 的 过 载 倍 数 ， 因 此 设计 高 过 载 倍 数 的 电 动 机 时 应 充 分 利 用 大 的 凸 极 率 所 产生 的 磁 阻 转 矩 。 qX dq / XX转 子 磁 路 结 构 选 择 注 意 ： （ C） 爪 极 式 转 子 磁 极 结 构 特 点 ：不 具 备 异 步 起 动 能 力结 构 和 工 艺 较 为 简 单 。 图 3-8 爪 极 式 转 子 磁 极 结 构1 左 法 兰 盘 2 圆 环 形 永 磁 体 3 右 法 兰 盘 4 非 磁 性 转 轴 3、 隔 磁 措 施 图 3-9 几 种 典 型

55、的 隔 磁 措 施 1 永 磁 体 2 永 磁 体 槽 3 转 子 铁 心 4 转 轴 5 转 子 导 条 1） 隔 磁 磁 桥 宽 度 b 和 隔 磁 磁 桥 长 度 w 的 选 取 b） 隔 磁 桥 宽 度 b与 0的 关 系 图 3 10 隔 磁 桥 尺 寸 对 空 载 漏 磁 因 数 的 影 响a） 隔 磁 桥 长 度 w与 0的 关 系 三 、 永 磁 同 步 电 动 机 的 稳 态 性 能 区 别1、 稳 态 运 行 方 程 和 相 量 图 aqq.add.11.1.10. jjj . XIXIXIRIEU q.qdd.11.0. jj XIXIRIE qd XX (a) (b)

56、(c)去 磁 性 质 (d) (e) 图 3-11 永 磁 同 步 电 动 机 几 种 典 型 相 量 图 110cos RIEU q1sin XIU 112q120 )( RIXIUE 2、 稳 态 运 行 性 能 分 析 计 算 （ 1） 电 磁 转 矩 和 矩 角 特 性 poTPfIP 及、 211cos qdIIarctan 1sin RIXIU dqq 10cos RIXIEU qdd qdqd XXR UEXURI 21 01 )cos(sin qddq XXR UERUXI 21 01 )cos(sin 221 qd III )cossin()cos(cos 111 qd II

57、mUmUImUIP qd qdq XXR XXUURRXEmU 21 110 2sin)(21)cossin( 2sin)11(2sin 201 dqdem XXmUX UmEPP 2sin)11(2 2sin dqd0emem XXmpUX UmpEPT 永 磁 转 矩 磁 阻 转 矩 （ a） 计 算 曲 线 （ b） 实 测 曲 线图 3-12 永 磁 同 步 电 动 机 的 矩 角 特 性 po TTpo永 磁 电 动 机 的 失 步 转 矩 倍 数T po=Tmax/TN （ 2） 工 作 特 性 曲 线 图 3-13 工 作 特 性 曲 线1 功 率 因 数 曲 线 2 效 率 曲

58、 线 3 曲 线 4 曲 线 NII /1 NPP /1 （ 3） 损 耗 分 析 计 算 A） 定 子 绕 组 电 阻 损 耗 121 RmIpCu B） 铁 心 损 耗 220 )()( aqqadd XIXIEE NKfKEdp44.4 定 子 齿 、 轭 磁 密铁 耗23.1 BfpFe 图 4 14 稀 土 永 磁 同 步 电 动 机 铁 耗 负 载 曲 线 )( 112111 jdjtdtfe VpkVpkP C） 机 械 损 耗 参 考 实 测 值 或 者 其 它 电 机 的 计 算 方 法1、 轴 承 摩 擦 损 耗滑 动 轴 承滚 动 轴 承2、 通 风 损 耗 105.1j

59、jjjj50jf 10)1(503.2 vlddplp 5f 1015.0 vdFp 2 vw 75.1 vqp D） 杂 散 损 耗 sNNs pIIp 21 )( 四 、 永 磁 同 步 电 动 机 磁 路 分 析 与 计 算1、 磁 路 计 算 特 点 图 3 15 空 载 气 隙 磁 密 波 形 图 图 3-16 实 测 永 磁 同 步 电 动 机 空 载 气 隙 磁 密 波 形 -气 隙 磁 密-基 波-3次 谐 波-5次 谐 波 A） 计 算 极 弧 因 数 径 向 式 pQpQ2 12 22p p1pi 1 64 表 面 式切 向 式 1Mp b 1p b 1i 2 b (a)

60、(b）图 3-17 径 向 充 磁 时 永 磁 电 机 的 计 算 极 弧 因 数 4M /h 8M /h (a) 4， 1 (b) 8， 1 /hM p/hM p(c) 4， 2 (d) 8， 2 /h M p /hM p (e) 4， 3 (f) 8， 3 /hM p/hM p图 3-18 平 行 充 磁 时 永 磁 电 机 的 计 算 极 弧 因 数 i B） 气 隙 磁 场 波 形 因 数 2sin4 i1 BB 图 3-19 永 磁 同 步 电 动 机 空 载 气 隙 磁 密 近 似 波 形 2sin4 i1f BBK 0 mrm00 ABb ef1110 2 LB 2sin8 ii

61、2010 K 磁 位 差 计 算 采 用 其 他 电 机 常 用 的 方 法 。 区 别 ： 计 算 气 隙 和 齿 部 磁 位 差 时 应 该 用 而 不 是 用 计 算 电 机 轭 部 磁 位 差 时 也 应 该 用 轭 部 铁 心 的 有 效 总 磁 通 而 不 是 基 波 磁 通 B 1B 1 2、 空 载 漏 磁 因 数 )()1( ef21210 Lkk (a)表 面 凸 出 式 (b)表 面 插 入 式图 3-20 表 面 式 永 磁 同 步 电 动 机 极 间 漏 磁 因 数 11） 表 面 式 图 3-21 表 面 式 永 磁 同 步 电 动 机 端 部 漏 磁 计 算 因

62、数 221 、mp h 2） 内 置 式图 3-22 内 置 式 永 磁 同 步 电 动 机 极 间 漏 磁 因 数 隔 磁 磁 桥 尺 寸 曲 线 1 图 3-23 内 置 式 永 磁 同 步 电 动 机 端 部 漏 磁计 算 因 数 2 图 3-24 内 置 式 永 磁 同 步 电 动 机 极 间 漏 磁 因 数 永 磁 体 尺 寸 曲 线 (a) 0. 2cm (b) =0.4cm (c) =0.8cm Mh Mh Mh121 、mbbw 3、 永 磁 体 工 作 点 的 计 算 （ 1） 空 载 和 负 载 工 作 点 的 计 算 特 点 为 避 免 混 淆 ， 以 永 磁 同 步 电

63、 动 机 每 对 极 的 磁 动 势 （ A） 和 每 极 磁通 （ Wb） 作 为 计 算 量 。 m0nm0 m0n nm0 11 1 hf b mNn anmN mNn anmN 11 11 hff bf空 载负 载 0n Mcc 2 hHF MMrmrr LbBAB 对 径 向 式 结 构 j2t2j1t1 FFFFFF mr MpAh 00 2 F0 对 切 向 式 结 构 mrMpAh 00 Mcc hHF MMrmrr 2 LbBAB j2t2j1t1 FFFFFF daddpad 35.1 IpNKKF dadc0 dp0c ada 7.22 IKpFNKFFf 负 载 （ 2

64、） 最 大 去 磁 时 永 磁 体 工 作 点 校 核 计 算 对 调 速 永 磁 同 步 电 动 机 来 说 异 步 起 动 永 磁 同 步 电 动 机 反 接 状 态 d0h XEI 起 动 过 程 中 转 子 转 速 接 近 同 步 转 速 时 电 枢 磁 动 势 和 转 子 磁 场 轴 线 重合 且 方 向 相 反 的 位 置 为 “ 反 接 位 置 ” ， 这 种 运 行 状 态 ， 为 “ 反 接 状态 ” 。 d0h X UEI 2d21 2202d212d20d0h )( XR UEXRXEXEI (a) =0的 向 量 图 (b) 0的 向 量 图图 3-24 “反 接 状

65、态 ” 时 电 动 机 向 量 图1R1R 五 、 永 磁 同 步 电 动 机 参 数 计 算 与 分 析1、 空 载 反 电 动 势 0r0mdp0 44.4 m ABbNKfKE 图 3-25 曲 线 )/( 01 NUEfI 表 3-1 不 同 用 途 电 动 机 的 取 值 范 围 0E 0E NUE /0用 途 取 值 范 围风 机 、 水 泵 用 永 磁 同 步 电 动 机 0.95 1.0油 田 抽 油 机 用 永 磁 同 步 电 动 机屏 蔽 泵 用 永 磁 同 步 电 动 机 0.9 1.0化 纤 、 纺 织 用 永 磁 同 步 电 动 机 0.7 0.9调 速 永 磁 同

66、步 电 动 机机 床 用 伺 服 电 动 机 图 3-26 图 3-27 空 载 电 流 曲 线 )U/E(fp N00 N0 U/E-I0曲 线 -Id0曲 线 -Iq0曲 线E0的 设 计 ， 都 将 导 致 p0和 I0上 升 ， 这 是 因 为 直 轴 电 流 分 量 |Id0|急 剧 增 大 。 2、 交 、 直 轴 电 枢 反 应 电 抗 )(饱 和 非 线 性 线 性aqadXX add0d XIEE d d0ad I EEX 1Ndpd 44.4 NfKE KABbb mrmNmNN1 )1( d N110dpad 44.4 INfKX 1. 计 算 条 件2. 计 算 过 程 “-”， 去 磁 状 态“ +”， 增 磁 状 态 （ 1） 给 定 某 一 转 矩 角 ；（ 2） 假 设 交 轴 电 流 分 量 ， 则 交 轴 电 枢 磁 动 势 （ 3） 根 据 由 预 先 算 得 的 - 曲 线 查 取 相 应 的 ；（ 4） 由 求 出 交 轴 电 枢 反 应 电 动 势 （ V） （ 5） 计 算 （ 6） 代 入 式 即 可 求 出 交 轴 电 枢 电 流 计