永磁同步电动机的毕业设计论文

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1、 毕 业 设 计 论 文题 目 永磁同步电机结构及设计的研究 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0102 学号 0101120230学生姓名 柳印 导师姓名 彭晓 完成日期 2005年6月8日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 永磁同步电机结构及设计的研究 姓名 柳 印 系别 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0102 学号 指导老师 彭 晓 教研室主任 石 安 乐 一、基本任务及要求： 1 掌握各种永磁材料性能及应用; 2 掌握永磁同步电机基本原理及特性; 3 分析、比较永磁同步电机结构及特征； 4 分析、掌握永磁同步电机的电磁

2、设计的原理； 5 完成一永磁同步电机的电磁设计； 6 初步完成一永磁同步电机的主体结构设计。 二、进度安排及完成时间： 3月7日 布置任务.下达任务书.具体安排。 3月8日-3月27日 查阅资料.撰写文献综述.撰写开题报告。 3月28日-4月10日 毕业实习，撰写实习报告。 4月11日-4月17日 掌握永磁材料性能、永磁同步电机基本原理及特性。 4月18日-4月25日 分析、比较永磁同步电机结构及特性。 4月26日-5月10日 分析、掌握永磁同步电机的电磁设计的原理。 5月11日-5月20日 完成一永磁同步电机的电磁设计。 5月21日-5月30日 初步完成一永磁同步电机的主体结构设计。 5月3

3、0日-6月15日 撰写毕业设计说明书 6月15日-6月20日 修订.装订毕业设计说明书 6月20日-6月26日 毕业设计答辩 目 录摘 要.Abstract.第1章 绪 论.1永磁电机的发展概况11.2永磁电机的主要特点和应用2永磁同步电动机的研究方向及发展前景2研究方向.2 发展前景.4第2章 永磁材料的性能和选用.52.1 永磁材料磁性能的主要参数 .5.5.6.7.8 2.2 铝镍钴永磁材料.102.3 铁氧体永磁材料.102.4 稀土永磁材料.112.4.1稀土钴永磁材料112.4.2钕铁硼永磁材料12永磁材料.122.粘结铁氧体永磁132.粘结稀土钴永磁132.粘结钕铁硼永磁13永磁

4、材料选择及应用注意事项.14永磁材料的选择14应用注意事项14第3章 永磁同步电动机基本理论.163.1永磁同步电动机的结构.163.1.1永磁同步电动机的总体结构.163.1.2永磁同步电动机的转子磁路结构.173.2永磁同步电动机的稳态性能.213.2.1稳态运行和相量图.213.2.2稳态运行性能分析与计算.223.3永磁同步电动机的磁路分析与计算.243.3.1磁路计算特点.24.2永磁体工作点的计算.253.4永磁同步电动机参数计算与分析.263.4.1空载反电动势.263.4.2交、直轴电枢反应电抗.26异步起动永磁同步电动机的起动过程.27 起动过程中的平均转矩.27起动过程中的

5、定子电流.28 牵入同步机理.28第4章 异步起动永磁同步电动机电磁计算方案.304.1额定数据和技术要求.304.2主要尺寸.31永磁体计算.32定、转子冲片.33绕组计算.35.37.40交轴磁化曲线计算.44.45.48第5章 异步起动永磁同步电动机电磁计算方案分析.53.5.1永磁材料的选用.53.53.53气隙长度的选择.53定、转子槽配合的选择.53电枢绕组设计.54转子设计.54转子结构设计.54永磁体设计.55启动过程分析.56异步起动永磁同步电动机功率密度和起动性能的措施.57异步起动永磁同步电动机效率和功率因数的措施.58结束语.60参考文献.61致 谢.62附录A永磁同步

6、电动机结构示意图附录B永磁同步电动机定、转子槽形尺寸图永磁同步电动机结构及设计的研究摘要：永磁同步电动机作为一种新型电动机，具有功率密度高、转子转动惯量小、运行效率高等优点，获得广阔的应用和发展空间。本文讨论的是永磁同步电动机的设计。根据技术要求，对电机的定转子结构、气隙磁场的分布、各参数的合理选择等多方面的情况进行了研究，从而确定了有效的实施方案。本文在电磁计算过程中采用的步骤是：1）参考近似功率的异步电动机的定子结构，并做适当修改，以确定永磁同步电动机的定子结构；2）进行电机空载磁场的研究，确定包括永磁体的尺寸等关键参数在内的转子结构；3）对于极为重要的电机参数、，采用数值分析直轴和交轴电

7、枢反应磁场的方法来计算，得到较为准确的结果；4）根据电机工作特性的计算公式计算电机性能，由计算结果调整电机的结构，而调整工作使用改变电机铁心长度、绕组匝数和永磁体尺寸相结合的方法，这样可以得到较为理想的结果。关键词：永磁材料；永磁同步电动机；异步启动；特性分析；设计Configuration and design research of PMSMABSTRACT：As a new style motor, permanent magnet synchronous motors are receiving increased attention fordrive applications bec

8、ause of their high torque to ratio, superior power density and high efficiency, it has been got wider space of use and development in coming new centurt. In this paper, the method of design for permanent magnet synchronous motors(PMSM) is discussed. By the request of technologies, the configuration,

9、 airgap flux distribution and parameters of motors are researched. An effective method of design is implemented, according to the result of research. The process of design in this paper is: 1.To select the stator configuration of PMSM refer to asynchronous motors whose capacity is similar to PMSMs.

10、2.To research the no-load airgap flux distribution, so as to select the rotor configuration, which consists of some important parameters, such as the permanent magnet dimension. 3.To calculate the important parameters and by the finite element analysis. 4.To get the motors performance by calculation

11、 with known formulas, as a result an adjustment for the motors configuration can be practised, when a combined method of altering the length of armature, the number of turns in the winding and the dimension of permanent magnet is used. Keywords: permanent magnet material; PMSM; asynchronous start; c

12、haracteristic analysis; design第1章 绪 论电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械。磁场可以由电流励磁产生，也可以由永磁体产生,世界上第一台电机就是永磁电机,但当时所用永磁材料的磁性能很低,不久被电励磁电机所取代。近几十年来，随着铝镍钴永磁、铁氧体永磁，特别是稀土永磁的相继问世，磁性能有了很大提高，许多电励磁电机又纷纷改用永磁体励磁。与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高性能。在

13、工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。1.1 永磁电机的发展概况众所周知，每种机械产品都要配备电动机。美国1997就以立法的方式，停止生产一般效率的电动机(与我国大量生产的Y系列电机性能相当)，加拿大、英国、日本也都效法美国停止生产一般效率的电动机，如果不采取措施，加快发展高效节能电动机，我们将很快失去机械产品的国际市场。我国研制的稀土永磁电机价格、性能国际市场上很有竞争力，目前已有一些产品出口1。稀土永磁电机的研究和开发大致可以分为三个阶段10：(1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发的重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因数的

14、高科技领域。(2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的铝铁硼永磁后，国 内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上，稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。(3)进入90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是铝铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果, 使永磁电机在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开

15、发进入了一个新的阶段。它正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已经超过1000kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于，最小电机的外径只有，长1.2mm。我国的稀土资源丰富，稀土不稀，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。 永磁电机的主要特点和应用与传统的电励磁电机相比，

16、永磁电机，特别是稀土永磁电机体积小、重量轻、惯性小、响应快、高转矩/惯量比和高速度/重量比，高效率和高起动转矩，高功率因数，以及省电和运行可靠等等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航天、国防、工农为生产和日常生活的各个领域。永磁同步电动同与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可达到1、甚至达到容性），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28个百分点。而且，永磁同步电动机在25%120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数

17、，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，又称为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纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机、水泵等。我国许多高校和科研单位自1980年开始就纷纷进行高效永磁同步电动机的研制。取得了明显的节能效果。特别是纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%，功率因数高于。节电率高达10%以上，已经进行批量生产并获得用户的一致好评。此外，与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率，简化了结构，实现了无

18、刷化。特别是100250kW的永磁同步电动机。以110kW 8极电动机为例，其效率高达95%，功率因数为,起动转矩倍数为1.52，永磁体用量为。但是永磁同步电动机制成后难以调节磁场以控制其功率因数和无功功率，需要从其它方面采取措施。随着电力电子技术的发展，和电子器件及变频技术的进步，永磁同步电动机这方面的缺陷已不再限制其发展4。 永磁同步电动机的发展前景及研究方向1.3.1 研究方向永磁同步电机无自起动能力，需采取措施使之异步起动。并通过特殊设计开发出专用系列，能够满足不同应用领域的需要。.1 高效高起动转矩永磁同步电动机电机用于抽油机时需要高起动转矩，使用感应电机时需增大功率，造成“大马拉小

19、车”，电能浪费严重。所开发的永磁电机的起动转矩比异步电动机高50%100%，可替代比它大l2个功率等级的感应电动机。37kW永磁电机可以替代55kw感应电机，节电率大于20%，无功节电率约80%。1.3.1.2 高效高过载能力永磁同步电动机风机、泵类用电量占全国总发电量40%，它对过载能力要求较高。所开发的超高效永磁电机的效率比美国计划于2007年生产的技术上达到极限、经济上可行的最高效电动机效率高23个百分点，而且小一个机座号。图所示为的永磁电机与感应电机（永磁电机小一个机座号）的效率与功率因数比较14。 图永磁电机与感应电机的效率和功率因数比较1.3. 大中型高效钕铁硼永磁同步电动机大型电

20、机功率密度高，在转子磁路中需要安放足够的永磁体、笼型结构和轴向通风道，转子空间十分紧张。现运用有限元分析法对磁场、热场、通风及应力场进行详细分析计算，综合平衡。所开发的1120kW样机（是目前世界上容量最大的异步起动高效稀土永磁电机）效率高于96.5%（同规格电机效率为95%），功率因数0.94。图示出该电机的转子结构。300kW永磁电机是在 1989年生产的原 JS1384异步电动机的基础上只改变转子而成的，效率为94.7%，功率因数为0.966。实际运行试验，有功节电率为7.2%，每年可节电万kWh，节电费6.66万元。1.3.1.4 高效高牵入转矩永磁同步电动机化纤工业用电动机需要高牵入

21、转矩，设计比较困难。综合考虑同步电动机的空载漏磁系数、凸极比、转子电阻、永磁体尺寸和定子绕组匝数等参数对牵入转矩的影响，提高了电机牵入同步能力。 图1.21.3.2 发展前景随着稀土永磁材料的迅速发展、电力电子和微机控制技术的进步，尤其是纳米晶复合永磁（它的为69.8MGOe）的出现，将稀土永磁电机的研究与发展推向一个新的阶段。一方面，原有研发成果在国防、工农业和日常生活等领域获得大量应用，例如汽车、火车、拖拉机、机床、计算机、风机、水泵、石油、化工、建筑等领域，都急需永磁电机与其配套以满足整机的高效、高速、高响应速度和节能等高性能要求。另一方面，正向大功率化（高转速，高转矩）、高功能化和微型

22、化方向发展，扩展新的电机品种和应用领域。目前，稀土永磁电机的单台容量己超过1000kW，最高转速己超过300 000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。在步进电动机、开关磁阻电动机、低速同步电动机等特种电机中增加钛铁硼永磁励磁后，其技术经济性能、动态响应特性等都有明显的改进和提高。随着稀土永磁电机性能的提高和驱动系统完善、价格的降低。稀土永磁电机将越来越多地替代传统电机，应用前景非常乐观。为了满足需要，稀土永磁电机的设计和制造工艺尚需不断地进行创新，电磁结构更为复杂，计算结果更加精确，制造工艺更加先进适用。这些复杂问题需运用多学科理论和系统工

23、程进行优化设计、提高性价比，促进电机学科进一步发展。第2章 永磁材料的性能和选用永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多，性能差别很大，只有全面了解后才能做到设计合理，使用得当。因此，在研究永磁电机之前，首先从设计制造永磁电机的材料需要出发，扼要介绍电机中最常用的几种主要永磁材料。 永磁材料磁性能的主要参数永磁材料磁性能比较复杂，需要用退磁曲线、回复线、内禀退磁曲线稳定性等多项参数来表示。 退磁曲线与其他慈祥材料一样，永磁材料首先用磁滞回线来反映和描绘其磁化过程的特点和磁特性，即用曲线来表示永磁体的磁感应强度随改变的特性，如图2.1所示。该回线包含的面

24、积随最大充磁磁场强度的大小而变，越大，回线面积就越大。当达到或超过饱和磁场强度时，回线面积渐近地达到一个最大值，而且磁性能最为稳定。面积最大的回线被称为饱和磁滞回线，并常简称为磁滞回线。 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基本特性曲线。退磁曲线中磁感应强度为正值而磁场强度为负值。这说明永磁材料中磁感应强度与磁场强度的方向相反，磁通经过永磁体时，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高。这就是说，永磁体是一个磁源，类似于电路中的电源。退磁曲线的磁场强度为负值还表明，此时作用于永磁体的是退磁磁场强度。退磁磁场强度越大，永磁体的磁感应强度就越小4。 图2.2 退磁曲线和磁能积曲线图2

25、.1 磁滞回线 1，2退磁曲线 3，4磁能积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。退磁曲线上磁场强度为零时相应的磁感应强度值称为剩余磁感应强度，又称剩余磁通密度，简称剩磁密度，符号为，单位为T（特斯拉）。退磁曲线上磁感应强度为零时相应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称矫顽力，符号为或，常简写为，单位为（安/米）。与的关系曲线3和4，即磁能积曲线。在退磁曲线的二个极限位置和磁能积为零。在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，它也是表征永磁材料磁性能的重要参数。对于退磁曲线为直线的永磁材料，显然在处磁能积最大，为 回复线退磁曲线所表示的磁通密度与

26、磁场强度间的关系，只有在磁场强度单方向变化时才存在。实际上，永磁电机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，退磁曲线下降。如果在下降到图2.3 回复线点时消去外加退磁磁场强度，则磁密并不沿退磁曲线回复，而是沿另一曲线上升。若再施加退磁磁场强度，则磁密沿新的曲线下降。如此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。点为回复线的起始点。如果以后施加的退磁磁场强度不超过，则磁密沿回复线作可逆变化。如果，则磁密下降到新的起始点，沿新的回复线变化，不能再沿原来的回复线变化。这种磁密的不

27、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。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，简称回复磁导率，符号为，简写为。式中为真空磁导率，又称磁性常数，当退磁曲线为曲线时，的值与起始点的位置有关，是个变数。但通常情况下变化很小，可以近似认为是一个常数，且近似等于退磁曲线上处切线的斜率值。换句话说，各点的回复线可近似认为是一组平行线，它们都与退磁曲线上处的切线相平行。利用这一近似特性，在实际工作中求取不同工作温度、不同工作状态的回复线就方便得多。有的永磁材料，如部分氧化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

28、急剧下降，开始拐弯的点称为拐点。当退磁磁场强度不超过拐点时，回复线与退磁曲线的直线段相重合。当退磁磁场强度超过拐点后，新的回复线就不再与退磁曲线重合了。有的永磁材料，如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持稳定，这是在电机中使用时最理想的退磁曲线。2.1.3 内禀退磁曲线回复线与退磁曲线表征的是永磁材料对外呈现的磁感应强度与磁场强度之间的关系。还需要另一种表征永磁材料内在磁性能的曲线。由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度与磁场强度间的关系为 BH而在磁性材料中BM+H在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改写为代数和式中为磁化强度，是单位

29、体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为，它是描述磁性材料被磁化程度的一个重要物理量。上式表明，磁性材料在外磁场作用下被磁化后大大加强了磁场。这时磁感应强度含有两个分量，一部分是与真空中一样的分量；另一部分是由磁性材料磁化后产生的分量。后一部分是物质磁化后内在的磁感应强度，称为内禀磁感应强度，又称磁极化强度。描述内禀磁感应强度与磁场强度的关系的曲线称为内禀退磁曲线，简称内禀曲线。由上式可得退磁曲线的取绝对值，上式变为或 上式表明了内禀退磁曲线与退磁曲线之间的关系，如图2.4所示。由此可看出，与二条特性曲线中，只要知道其中一条，另一条就可求出来。图2.4 内禀退磁曲线与退磁曲线的关系内禀退磁曲线

30、上磁极化强度为零时，相应的磁场强度值称为内禀矫顽力，又称磁化强度矫顽力，其符号为、或，单位为。的值反映永磁材料抗去磁能力的大小。除的值外，内禀退磁曲线的形状也影响永磁材料的磁稳定性。曲线的矩形度越好，磁性能越稳定。为标志曲线的矩形度，特地定义一个参数，称为临界场强，等于内禀退磁曲线上当时所对应的退磁磁场强度值，单位为。应当成为稀土永磁材料的必测参数之一。2.1.4 稳定性为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。 热稳定性热稳定性是指永

31、磁体由所处环境温度的改变而引起磁性能变化的程度，故又称温度稳定性，如图2.5所示。当永磁体的环境温度从时，磁密从；当温度从回到时，磁密回升至；而不是；以后温度在和间变化，则磁密在和间变化。从图2.5可以看出，磁性能的损失可分为两部分：可逆损失和不可逆损失。可逆损失是不可避免的。温度恢复后磁性能不能回复到原有值的部分，称为不可逆损失。不可逆损失又可分为不可恢复损失和可恢复损失。前者是指永磁体重新充磁也不能复原的损失，一般因为较高的温度引起永磁体微结构的变化（如氧化）而造成的。后者是指永磁体重新充磁后能复原的损失。 图2.5 可逆损失与不可逆损失永磁材料的温度特性还可用居里温度和最高工作温度来表示

32、。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，单位为或。最高工作温度的定义是将规定尺寸的样品加热到某一恒定的温度，长时间放置（一般取1000），然后将样品冷却到室温，其开路磁通不可逆损失小于5%的最高保温温度定义为该永磁材料的最高工作温度，符号为，单位为或。 磁稳定性磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小。一种永磁材料的内禀矫顽力越大，内禀退磁曲线的矩形度越好（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。当和大于某定值后，退磁曲线全部为直线，而且回复线与退磁曲线相重合，在外施退磁磁场强度作

33、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。 化学稳定性受酸、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会发生变化，将严重影响材料的磁性能。例如钕铁硼永磁的成分中大部分是铁和钕，容易氧化，故在生产过程中需采用各种工艺措施来防止氧化，要尽力提高永磁体的密度以减少残留气隙来提高抗腐蚀能力，同时要在成品表面涂敷保护层，如镀锌、镀镍、电泳等。2.4.1.4 时间稳定性永磁材料充磁以后在通常的环境条件下，即使不受周围环境其它外界因素的影响，其磁性能也会随时间而变化，通常以一定尺寸形状的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。它与材料的内禀矫顽

34、力和永磁体的尺寸比有关。对永磁材料而言，随时间的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系，因此可以从较短时间的磁通损失来推算出长时间的磁通损失，从而判断出永磁体的使用寿命。2.2 铝镍钴永磁材料铝镍钴（AlNiCo）永磁是20世纪30年代研制成功的。当时，它的磁性能最好，温度系数又小，因而在永磁电机中应用得最多、最广。60年代以后，随着铁氧体永磁和稀土永磁的相继问世，铝镍钴（AlNiCo）永磁在电机中的应用被取代，所占比例呈下降趋势。按加工工艺的不同，铝镍钴（AlNiCo）永磁分铸造型和粉末烧结型两种。前者的磁性能较高。后者的工艺简单。可直接压制成所需形状。在永磁电机中常用的是铸造型。铝镍钴

35、永磁的显著特点是温度系数小，仅为-0.02%左右，因此，随着温度的改变磁性能变化很小，目前仍被广泛用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。这种材料的剩余磁感应强度较高，最高可达，但是它的矫顽力很低，通常小于160kA/m。它的退磁曲线呈现非线性变化。由于铝镍钴永磁的回复线与退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要注意它的特殊性，由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理，即事先人工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复线的起始点P的位置，使永磁电机在规定或预期的运行状态下，回复线的起始点不再下降。铝镍钴永磁电机的磁极上通常都有极靴且备有再充磁绕组，使其可以再次充磁来恢复应有的磁能。依据铝镍

36、钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆嫒辜勤辜通颁的畸变。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因此加工成特殊形状比较困难。 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，在电机中常用的有两种。钡铁氧体（）和锶铁氧体（）。它们的磁性能相差不多，而锶铁氧体的Hc值略高于钡铁氧体，更适于在电机中使用。铁氧体永磁的突出优点：价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵金属；制造工艺也较为简单；矫顽力较大，为128320kA/m，抗去磁能力较强，密度小，只有,质量较轻

37、；退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要象铝镍钴永磁那样进行稳磁处理，因而在电机中应用最为广泛，是目前电机中用量最大的永磁材料。铁氧体永磁的主要缺点：剩磁密度不高，仅为0.20.44T，最大磁能积仅为6.440 。因而需要加大提供磁通的截面积，使电机体积增大，环境温度对磁性能的影响大，剩磁温度系数为，矫顽力温度系数为。必须指出，铁氧体永磁的为正值，其矫顽力随温度的升高而增大，随温度降低而减小，这与其他几种常用永磁材料不同。因此，铁氧体永磁在使用时要进行最低环境温度时最大去磁工作点的校核计算，以防止在低温度时产生不可逆退磁。另外，

38、铁氧体永磁材料硬而脆，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工，通常采用软质砂轮，最好选用碳化硅砂轮，并且磨削速度要适当，磨削中要用水充分冷却，这样既能加快磨削速度，又不致磨裂永磁体。2.4 稀土永磁材料稀土永磁是20世纪60年代出现的新型金属永磁材料，经过永磁专家的几十年的共同努力，迄今为止，已经形成了具有规模生产和实用价值的三代稀土永磁。第一代稀土永磁是1：5型SmCo合金;第二代稀土永磁是2：17型SmCo合金，它们均以金属钴为基合金；第三代稀土永磁是以NdFeB合金为代表的Fe基稀土永磁。 稀土钐钴永磁材料第一代和第二代稀土钐钴材料SmCo5和Sm2 Col7有以下几个方面的特点：(

39、1)具有较高的矫顽磁力(特别是内禀矫顽磁力)和剩磁感应强度。如Sm2 Col7钐钴永磁体的剩磁感应强度可达1.14 T，最大磁能积可达铝镍钴永磁的68倍。(2)去磁曲线是一条直线，内禀矫顽力在极大去磁场下可基本保持不变，磁体具有可逆性，这一性能给电机设计带来了方便。(3)磁体具有较好的力学特性，在振动、冲击等机械负荷下，磁性能比较稳定。稀土钐钴永磁体的上述优异性能，使得永磁电机在这一阶段发展非常迅速，利用其研制成的电机相应的具有体积小、重量轻、效率高等优点。但是，钐、钴均为稀有金属，产量极小，因此，钐钴磁钢的价格昂贵，钐钴永磁电机的成本相应提高，限制了此种高效节能电机的推广和应用。 钕铁硼永磁

40、材料继SmCo5和Sm2 Col7之后的第三代稀土永磁材料钕铁硼永磁体(NdFeB)于1983年问世，是当时世界上十大科技成果之一，它具有如下显著特点：(1)超高的磁能积.其理论最大磁能积64.5 x 104 MGAm-1，目前实验室已能做出5.39 x 104MGAm-1钕铁硼材料，是目前永磁材料中磁能积最高的，被誉为当代“磁王”。如此大的磁能积可以显著降低永磁电机的重量，节省材料消耗及能源消耗.在实际应用中，日、欧、美的NdFeB磁体磁能积也已达4.8 x 1045.2 x 104MGAm-1 x 104 x 104MGAm-1。究其原因，差距主要在合金的制备上。 x 107 Am-1，高

41、于目前使用的任何其他永磁材料，内禀矫顽力也达2 x 107 Am-1，去磁曲线呈直线。(3)原材料丰富，价格便宜。目前，钕铁硼的价格约为350400元/kg，低成本钕铁硼永磁体的诞生，使永磁电机的广泛运用成为可能。 钕铁硼永磁体的这些优异性能，使其在电机生产领域中得到了广泛的运用一方面，其磁性能高，气隙磁密得以提高，从而使电机用钢铁量减少，体积缩小；另一方面，可以有效地改善电机的性能，使其效率、功率因数大大提高。钕铁硼永磁也有一些缺点：一是居里温度和工作温度低、热稳定性差，温度高于150时其磁性能的不可逆损失将超过5%；二是化学稳定性差，如在150以上的潮湿环境中易氧化。这些都成为钕铁硼永磁在

42、电机中应用的障碍.解决的办法有：改变NdFeB合金体的成分，如添加镝(Dy)等金属元素，但磁体的成本价格将更高；在NdFeB磁体表面涂抗氧化腐蚀涂层。 粘结永磁材料粘结永磁材料是用树脂、塑料或低熔点合金材料为粘结剂，与永磁材料粉末均匀混合，然后用压缩、注射或挤压成形等方法制成的一种复合型永磁材料。按所用永磁材料种类不同。分为粘结铁氧体永磁、粘结铝镍钴永磁、粘结稀土永磁和粘结钕铁硼永磁。同通常的铸造或烧结永磁体相比，粘结磁体因含有粘结剂而使磁性能稍差，但却具有如下的显著优点：1）形状自由度大 容易制成形状复杂的磁体或薄壁环、薄片关磁体。注射成形时还能嵌入其化零件一起成形。2）尺寸精度高，不变形

43、烧结磁体的收缩率为13%27%，而粘结磁体的收缩率只有0.2%0.5%。不需要二次加工就能制成高精度的磁体。3）产品性能分散性小 合格率高，适于大批量生产。4）机械强度高 不易破碎，可进行切削加工。5）电阻率高、易于实现多极充磁。6）原材料利用率高 浇口、边角料、废品等进行退磁处理，粉碎后能简单地再生使用。7）密度小、质量轻。因此，采用粘结永磁体，可以简化电机制造工艺，并且能获得良好的电机性能，特别是对于一次成形的多极转子或多极定子。采用粘结永磁体有它得天独厚的优点，深受用户欢迎。 粘结铁氧体永磁粘结铁氧体永磁主要是粘结钡和锶铁氧体，各向同性产品可做到，为0.150.17T，为110135，而

44、各向异性粘结铁氧体可做到，为0.280.30T，可达180210，主要用于微电机中。 粘结稀土钴永磁粘结稀土钴永磁的制备工艺比粘结铁氧体永磁复杂，制备磁粉的热处理必须在真空中或氩气保护下进行。这样处理后，可使明显提高。目前粘结15型稀土钴永磁可做到8095，为0.7T，为320。粘结217型稀土钴永磁的可达160，=0.730.88T，。粘结稀土钴永磁主要用于家用电器、石英钟表、计量器、微特电机中。 粘结钕铁硼永磁粘结钕铁硼永磁材料是近几年发展起来的新产品。目前生产这种永磁材料的磁粉有两种工艺：一是快淬工艺；二是氢化-歧化-脱氧-再组合法，简称HDDR法，应用这两种方法制备的钕铁硼磁粉采用专门

45、设备及工艺再制成粘结钕铁硼磁体。目前用HDDR法生产的产品的磁性能仍能低于用快淬法生产的产品。磁体性能还与磁体成型方法和所含磁粉填充率有关。模压成型的磁体密度为6，磁性能是磁粉磁性能的60%70%，而注射成型磁体的密度仅为，其磁性能只有模压成型磁体的60%70%。按照制造工艺和性能的不同，习惯上将粘结钕铁硼永磁分为三型。I型为模压成型的环氧树脂粘结各向同性磁体；II型为热压的各向同性磁体；III型为热变形的各向异性磁体最大磁能积已接近320。目前国内生产的这种粘结磁体产品最大磁能积为6480，为0.60.8T，为480560，为8801040，的温度系数为-（0.070.126），的温度系数为

46、。 永磁材料选择及应用注意事项 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。归纳起来，选择的原则为：1) 应能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) 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下能保证磁性能的稳定性。3) 有良好的机械性能，以方便加工和装配。4) 经济性要好，价格适宜。根据现有永磁材料的性能和电机的性能要求，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他永磁材料，还可能逐步取代部分传统的电励磁电机。2) 对于性

47、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2：17型稀土钴永磁。1：5型稀土钴永磁的应用场合将有所缩小，主要用于在高温情况下使用和退磁磁场大的场合。3) 对于性能要求一般，体积质量限制不严，价格是考虑的主要因素，优先采用价格低廉的铁氧体永磁。4) 在工作温度超过300摄氏度的场合或对温度稳定性要求严的场合，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。铝镍钴永磁在永磁材料总量中的比例将逐步下降。5) 在生产批量大且磁极形状复杂的场合，优先采用粘结永磁材料。具体选用时，应进行多种方案的性能、工艺、成本的全面分析比较后确定4。 应用注意事项在应用时除前面提到的以外还应注

48、意：1) 永磁材料的实际磁性能与生产厂的具体制造工艺有关，其值与标准规定的数据之间往往存在一定的偏差。同一种牌号的永磁材料，不同工厂同一工厂不同批号之间都会存在一定的磁性能差别。而且，标准中规定的性能数据是以特定形状和尺寸的试样的测试性能为依据的，对于电机中实际采用的永磁体形状和尺寸，其磁性能与标准数据之间也存在一定的差别。另外，充磁机的容量大小和充磁方法都会影响永磁体磁化状态的均匀性，影响磁性能。因此，为提高电机设计计算的准确性，需要向生产厂家索取该批号的实际尺寸的永磁体在室温和工作温度下的实测退磁曲线，在有条件时最好能抽样直接测量出退磁曲线，比较稳妥。对于一致性要求高的电机，更需要对永磁材

49、料逐片进行检测。2) 永磁材料的磁性能除与合金成分和制造工艺有关外，还与磁场热处理工艺有关。所谓磁场热处理，就是永磁材料在分解反应过程中施加外加磁场。经过磁场热处理后，永磁材料的磁性能提高，而且带有方向性，顺磁场方向最大，垂直磁场方向最小，这叫做各向异性。对于没有经过磁场热处理的永磁材料，磁性能没有方向性，称为各向同性。应该注意，对于各向异性的永磁体，充磁时的磁场方向应与磁场热处理时的磁场方向一致，否则磁性能反而会有所降低。3) 根据规定，永磁材料由室温升到最高工作温度并保温一定时间后再冷却到室温，其开路磁通允许有不大于5%的不可逆损失。因此为了保证永磁电机在运行过程中性能稳定，不发生明显的不

50、可逆退磁，在使用前应先进行稳磁处理（或叫老化处理），其办法是将充磁后的 永磁材料升温至预计最高工作温度并保温一定时间（一般为24h）,以预先消除这部分不可逆损失。铁氧体永磁则不同，由于它的矫顽力温度系数为正值，温度越低、矫顽力越小，故需进行负温稳磁处理。其办法是将充磁后的铁氧体永磁放在低温箱中，冷冻至使用环境的最低温度（最好再低10左右）保温24h。需要指出的是，经过高温或负温稳磁处理后，不能再对永磁体充磁；如有必要再次充磁，则需重新进行高温和负温稳磁处理。第3章 永磁同步电动机基本理论永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较

51、为简单，降低了加工和装配费用，且分为省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机（用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机）和有起动绕组的电动机（既可用与调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机）；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机（简称为永磁同步电动机）。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼（起动）绕组的调速永磁同步电动机。3.1 永磁同步电动机的结构3.1.1 永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。定于与普通感应电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。 图