永磁体及其特性

•第九章永磁同步电机和无刷直流电机主要内容：9.1引言9.2永磁体及其特性报告人：方文超2011-4-199.1引言现代永磁材料有着相当高的能量密度，电励磁需要载流线圈和外部的电源装置，限制了电机的发展。永磁体的应用逐渐取代了电励磁的方式，用永磁体来取代直流励磁以产生气隙磁场的电机，称为永磁电机。永磁电机体积小，效率高，运行可靠，很多情况下还可以实现无刷化，因此被广泛应用。将永磁体装在直流电机的定子上来产生气隙磁场，这种电机称为永磁直流电机这种电机的工作原理，基本方程，性能和传统的直流电机相同，只不过主磁通是有永磁体产生的，这种电机仍然装有换向器和电刷，因此应用还是受到了限制。将永磁体装到同步电机的转子上面，代替传统的同步电机励磁方式，定子上装三相绕组，从而取消了滑环和电刷。加上开关晶体管和可控硅整流器的出现，使得电子换向器取代了机械换向器。这两项的发展导致了永磁同步电机和无刷直流电机的发展。采用电子换向器取代了机械的换向器，使得直流电机的电枢不用在安装在转子上了，从而电枢可以安装在定子上，这样使得电机可以更加好的冷却，产生更大的电压。整个文章包括永磁同步电机，无刷直流电机的动态模型的推导，控制方法，驱动系统的分析，速度控制器的设计，弱磁下的工作情况，以及无位置传感器的系统等等，我将要介绍的是永磁体和它们的特性。9.2永磁体主要性能参数这一节主要介绍永磁体的特性，在磁路中工作情况，永磁体的气隙线，工作点的确定，能量密度的定义，永磁体体积的计算等等。1.常用的永磁材料磁滞回线宽，剩磁和矫顽力都比较大的铁磁材料称为硬磁材料，由于剩磁大，因而可以制成永久磁铁，故硬磁材料也称为永磁材料。永磁材料通常是用剩磁矫顽力最大的磁能积这3个指标来表征的。rBcHmaxBH图1-1铁磁材料磁滞回线BHfOcabdemBmHmBmHrBCH铁磁材料反复被磁化，磁场强度H和磁通密度B不是单值函数，而是一条磁滞回线，将第二象限的曲线称为退磁曲线，在退磁曲线当磁场强度H为0时的磁通密度值称为加反向的磁场强度使磁体的磁通密度为0时的磁场强度称为矫顽力。退磁曲线的每一点的B和H的乘积称为磁能积。设计电机时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分的增加励磁磁动势，通常我们就把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。简单介绍一下膝点rBcH图1-2铁磁材料的起始磁化曲线和曲线)(HfFe)(HfFe)(HfBHB0B0HabcdOa段磁通密度增长的很慢，ab段随着H的增大，磁通密度几乎呈直线增长，bc段磁通密度增长又慢慢减缓，所以我们将b称为膝点，设计电机的时候工作磁通密度选择在膝点附近最好•永磁体种类很多，介绍一下几类常见的：①铝镍钴：这种材料的剩磁较高（最高能达到1.3T），但矫顽力相对来说是比较低的，磁能积中等，价格相对来说比较低，其特点是：温度变化时的磁性能变化很小，20世纪60年代用的比较多，以后由于新材料的出现，已经逐步被取代。②铁氧体：主要是钡铁氧体和锶铁氧体这一类的氧化物的永磁材料。优点是矫顽力较高（可达到120-300kA/m）抗去磁能力强，价格便宜；缺点是剩磁低（仅为0.2-0.42T)最大的磁能积也比较小，温度对磁能的影响也很大，不适合用于温度变化大而要求性能稳定的场合。③稀土钴：这种材料的剩磁，矫顽力和最大的磁能积都很高，有很强的抗去磁能力，温度稳定性也非常好，性能优良；特点是除了电加工之外不能进行机械加工，而且价格昂贵，仅用于高性能的永磁电机。④钕铁硼，这是80年代后期研制成的一种稀土永磁材料，性能优于稀土钴，而且价格低廉；不足之处是允许的工作温度较低，约为120°c，因为含有较多的铁和钕，容易锈蚀。从图中可以看出铝镍钴的剩磁最大，但B-H曲线是非线性的，但其他三种的B-H曲线是线性的图1-3永磁体的退磁曲线负载线的确定和工作点的寻找•永磁磁路是由永磁体M作为磁动势源，高导磁的铁心和工作气隙组成的，舍永磁体的长度为，截面积为，气隙长度为，有效的截面积为，铁心的磁导率•因而磁阻为0，铁心的磁位降等于0，漏磁通忽略不计。•由于磁路上没有外加磁动势，所以根据安培环路定律有：每段的磁动势之和等于外加的总磁动势•然后根据磁路的基尔霍夫第一定律：穿过一个截面的的磁通量等于穿出的磁通量这个式子表明外磁路的负载为气隙是，永磁体之间应该满足的关系。可以看出这是一个直线关系，此直线称为负载线，如果在定子上通定子电流，产生退磁磁场，此时负载线会左移，但斜率和原来的一样。由于工作点一方面应在永磁体的退磁曲线上，另一方面又在负载线上，故交点就是工作点A从工作点所对应的磁通密度是：是个负值所以工作的磁通密度是比剩磁要小的。MlMAAFe0MMHlHMMHlHMMBABAMMABBA00()MMMMMAAlBHHAAMMHlH0mrrmmBBHmHrB图1-4负载线和永磁体的工作点A图中永磁体的退磁曲线是一条直线，高温下退磁曲线发生弯折，折线发生弯曲的点我们称为膝点，对应的磁场强度为，如果加在永磁体上的反向磁场去掉的话，磁体仍能保持一定的磁性，这时从工作点返回的线叫回复线，图中我们可以看到剩磁比原来的剩磁要小，这种损失通常是不可逆的。这就说明如果工作点在膝点以下的话就会产生磁通密度的不可逆的损失。虽然回复线在图中是一条直线，但实际是一条循环的线。但是通常由于回线较窄，故用直线代替。这条直线的斜率是，是相对回复磁导率，对钐-钴，钕铁硼这些磁体，相对回复磁导率是1.03-1.1.图中我们还可以得到工作点的工作磁通密度的计算公式：00mrrmmcmBBHH000remrcrmrmrermmmHBHHMcMAlA0rmrmkH其中可以看作是外部磁导率，剩磁的变化主要是由于温度的变化和外加的反向磁场强度的变化所引起的，总之就是外部的工作环境的变化所引起的，退磁磁场是由外部工作环境决定，因此工作点的下降导致外部导磁系数的下降，从而减小，硬磁体的外部导磁系数在标称的工作区间从1到10之间变化。cre能量密度和磁体的体积•磁场中单位体积所分布的磁场能量称为磁场的能量密度•先考虑一下永磁体的体积，由于永磁体材料比铁磁材料贵很多，故考虑体积越小越好：•所以从这个体积的公式中我们可以看出体积要最小，故我们要磁体工作在能量密度最大的点，也就是最大的磁能积的点。mmmVAl00mmmmHlHHlH0mmHlBMMBABA22000()mmmmmmBABBABVVBHBHw根据磁通的连续性定律根据安培环路定律有0rmBH0rmBH20rmBBH2max014rrmBE从图中我们退磁曲线是一条直线，磁能积BH是一条抛物线当B=0.5时，磁能积最大rB图中可见要使工作点在最大能量密度处，需要定子电流产生一定反向磁场，而且电机的转速是变化的，因此不可能刚好一直在最大点，因此定子的电流也是随之变化的Thanksforyourattention