永磁电机的磁路分析与设计

稀土永磁材料的发展
钕铁硼的优点 剩磁高，Br 可达1.4 T 矫顽力大，Hc可达 992 kA/m; 退磁曲线为直线； 相对于钐钴价格便宜。
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2011-3-12
稀土永磁材料的发展
钕铁硼的缺点 居里温度不高，一般为310 ~ 410ºC 温度系数较大，αBr= - 0.13%（K-1） 含铁、钕，容易锈蚀 磁体可加工性一般
稀土永磁体的等效磁路
B =Br −µ0µr H
BAm =Br Am − µ0µr HAm
Φm =Φr −Φ0
Φ0 = µ0µr HAm =
G0 =
µ0µr Am
hMp
× HhMp = G0F 12
µr µ0 Am
hMp
永磁体内磁导
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Φm =Φr −G0F 12
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B =Br −µ0µr H
B =Br +µ0µr H
(即H 取绝对值)
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稀土永磁材料的退磁曲线
B = Br − µ0µr H = Br (1− H = Br (1− ) Br / µ0µr H = Br (1− ) Hc
µ0µr H
Br
)
H B = Br (1− ) HC
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稀土永磁体的等效磁路
Φ
Φr
W
Fm ~ Φm
Φm
0
F m
Fc
F
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稀土永磁体的工作点
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永磁电机的磁路分析与设计
（三）永磁电机的 等效磁路
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永磁电机的等效磁路
φσ φδ
Φm = Φδ + Φσ
F Φ = Φr ( − 1 ) F c
B = Br ( − H) 1
Φ = Φr ( − F) 1
B =1− H
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2011-3-12
Φ =1− F
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稀土永磁体用标幺值表示的退磁曲线
B =1− H
Φ
B 1
1
Φ =1− F
0
1
H
0
1
F
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2011-3-12
磁场云图
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带磁桥的切向式永磁转子
磁力线分布 50
磁场云图（磁桥宽1.8mm）
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带磁桥的切向式永磁转子
一个极下的气隙磁密波形
磁桥磁密波形（磁桥宽1.8mm）
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标幺值的基值 磁通基值：
Φb = Φr = Br Am
Φb µr µ0 Am Gb = = = G0 F hMp b
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磁动势基值： F = F = HchMp b c 磁导基值：
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稀土永磁材料的退磁曲线
稀土永磁体用标幺值表示的退磁关系
H B = Br (1− ) Hc
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2011-3-12
稀土永磁电机的特点
结构简单、灵活，运行可靠 体积小、重量轻，功率密度高 损耗小、效率高，节能显著
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2011-3-12
永磁电机的磁路分析与设计
（一）稀土永磁材料的退磁曲线 （二）稀土永磁体的等效磁路 （三）永磁电机的等效磁路 （四）磁路分析的解析法 （五）磁路分析的图解法
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永磁电机的磁路分析与设计
（一）稀土永磁材料 的退磁曲线
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稀土永磁材料的退磁曲线
B l I δ Br
衔铁 Am -Hc 0 H
稀土永磁体的充磁
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退磁曲线
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σ0
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Φm0 Φσ G σ = = 1+ =1+ Φδ 0 Φδ 0 G0 δ
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永磁电机负载等效磁路图
Φm Φσ G0 Fm F12 Gσ Φδ Gδ Fa
主磁路的等效主磁导：
Gδ = f (µFe )
变磁导 漏磁路的总漏磁导：
Gσ = ∑G i σ
径向式永磁转子结构
气隙磁密波形
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径向式永磁转子结构
磁力线分布（集中绕组） 47
2011-3-12
磁场云图
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径向式永磁转子结构
气隙磁密波形
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48
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径向式永磁外转子结构
磁力线分布（分数槽绕组） 49
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2011-3-12
永磁电机的等效磁路
Φm Φσ G0 Fm F12 Gσ Φδ Gδ Fa G0 Fm F12 Φm Φσ Gσ Φδ Gδ Fa
电枢反应去磁
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电枢反应增磁
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永磁电机的等效磁路
原因： Φm Φσ G0 F12 Fm Gσ Gδ Φδ ≈ Φδ0 1）稀土电机气 隙较大，电枢反 应较弱； 2）稀土材料矫 顽力高，抗电枢 反应能力强。
永磁电机的磁路分析与设计
（二）稀土永磁体 的等效磁路
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2011-3-12
稀土永磁体的等效磁路
磁路的磁阻与磁导
磁阻 非铁磁材料 铁磁材料
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磁导
Rm0 = RmFe =
l
µ0S
l
G 0= m
GmFe =
µ0S
l
µFeS
µFeS
l
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磁场云图（无隔磁气隙）
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无隔磁气隙切向式永磁转子
一个极下的气隙磁密波形 55
原磁桥处磁密波形
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磁路分析的图解法
磁钢
S
N N
S
N N
隔磁气隙
S S
转轴
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稀土永磁材料的退磁曲线
B = Br + µ0µr H
H = 0, B = Br = µ0Mr B = 0, H = −Hc= −Mr / µr
B Br
-Hc 14
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0
H
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稀土永磁材料的退磁曲线
磁路计算中常将第II象限磁化曲线等效 到第I象限 第I 象限: 第II象限:
( Fa= 0 )
稀土永磁电机负载等效磁路图
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2011-3-12
永磁电机的等效磁路
Φm0 Φσ G0 F120 Fm Gσ Gδ Φδ0
( Fa= 0 )
稀土永磁电机空载等效磁路图
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2011-3-12
永磁电机的磁路分析与设计
（四）磁路分析的解析法
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Baidu Nhomakorabea
2011-3-12
稀土永磁材料的退磁曲线
B Br
H B = Br (1− ) HC
0
Hc
H
第 I 象限的等效退磁曲线
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2011-3-12
稀土永磁材料的退磁曲线
H B = Br (1− ) Hc BAm = Br Am (1− HhMp HchMp )
带磁桥的切向式永磁转子
磁力线分布 52
磁场云图（磁桥宽9.8mm）
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带磁桥的切向式永磁转子
一个极下的气隙磁密波形 53
磁桥磁密波形（磁桥宽9.8mm）
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2011-3-12
无隔磁气隙切向式永磁转子
磁力线分布 54
2011-3-12
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2011-3-12
永磁电机的磁路计算
两类问题： I 类：已知磁体和磁路尺寸，求气隙 磁通Φδ ； II类：已知气隙磁通Φδ和气隙长度δ ， 设计磁体。 两种方法：解析法，图解法
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2011-3-12
磁路分析的解析法
视 µFe 为常数，同时通过系数 ks 来 考虑铁心磁阻，即
永磁电机空载时的磁钢工作点
B 1 Bm0 M
Φ Φ m0
1 N
0
Hm0
1
H
0
F m0
1
F
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2011-3-12
磁路分析的解析法
永磁电机空载时的磁路求解
Gσ 总漏磁通标幺值： Φσ 0 = F120Gσ = Gn +1 Gδ 气隙磁通标幺值： Φδ 0 = F120Gδ = Gn +1 总漏磁通实际值： Φσ 0 = Φσ 0Br A m
Φm σ= Φδ 漏磁系数 Φm0 σ0 = Φδ 0
稀土电机的主、漏磁路
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2011-3-12
空载漏磁系数
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永磁电机的等效磁路
永磁电机的空载漏磁系数
磁极结构 漏磁系数 无极靴 瓦片形 1.1~1.3 圆筒形 1.2~1.4 弧形 1.3~1.4 端面式 1.5~1.6
稀土永磁体的等效磁路
诺顿等效磁路
hMp
S N
Φm Φ0 Φr G0 F12
稀土磁钢
Φm =Φr −G0F 12
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2011-3-12
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稀土永磁体的等效磁路
Φm =Φr −G0F 12
式中：
hMp Φr Br = Br Am × = hMp = HchMp = Fc = Fm G0 µ0µr Am µ0µr
稀土永磁同步电动机的研究进展
二、永磁电机的磁 路分析与设计
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2011-3-12
稀土永磁同步电动机的研究进展
磁路分析与设计的重要性 “场+路” 结合的设计方法 稀土永磁电机磁路
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2011-3-12
稀土永磁材料的发展
钐钴1:5（20世纪60年代） 钐钴2:17（20世纪70年代） 钕铁硼（20世纪80年代）
Φr Φm F = − 12 G0 G0
Φm F =F − 12 m G0
Fm
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永磁体计算磁动势（虚拟磁动势）
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稀土永磁体的等效磁路
戴维南等效磁路
hMp
S N G0 Fm F12 Φm
稀土磁钢
Φm F =F − 12 m G0
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µ0αiτlef Gδ = （ks>1） 2δkδ kS
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2011-3-12
磁路分析的解析法
用标幺值进行磁路计算
Φm0 G0 1 Φσ F120 Gσ Φδ0 Gδ G0 1 F120 Gn Φm0
Gn = Gδ + Gσ
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2011-3-12
磁路分析的解析法
空载磁路（磁钢工作点）的求解
磁钢发出总磁通的标幺值：
Gn Φm0 = = = Bm0 1 1 Gn +1 + G0 Gn 1
磁钢磁动势的标幺值： ：
( G0=1 )
1 1 F120 = Φm0 = = H m0 Gn Gn +1
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2011-3-12
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磁路分析的解析法
稀土磁钢
Φ
hMp
Φr
S N
F Φ = Φr (1− ) F C
0
Fc
F
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2011-3-12
稀土永磁材料的退磁曲线
用标幺值进行磁路计算 磁通： 磁动势： 磁导：
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Φ = Φ/ Φb
F =F/F b
G = G / Gb
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2011-3-12
稀土永磁材料的退磁曲线
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2011-3-12
稀土永磁材料的发展
磁能积（kJ/m3） 磁能积
258 199 431
85 40 7.2
天 然 磁 铁 矿 石
2.7
碳 钢 、
钴 钢 钴 镍
铝 铁 氧 体
钐 钐 钴 钴 ： ： 1
钕 铁 硼
2
钨 钢
5
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2011-3-12
稀土永磁材料的退磁曲线
在均匀磁性材料中
B = µ0M + µ0H
且
M = Mr + χH
式中，M 为永磁材料的磁化强度，Mr 为剩余 磁化强度， χ 为磁化系数）
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2011-3-12
稀土永磁材料的退磁曲线
B = µ0 (Mr + χH) + µ0H = µ0M r+µ0 (1+ χ)H = µ0Mr + µ0µr H
气隙磁通实际值： Φδ 0 = Φδ 0Br Am
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2011-3-12
永磁电机的磁路分析与设计
（五）磁路分析的图解法
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2011-3-12
径向式永磁转子结构
磁力线分布（分布绕组） 45
2011-3-12
磁场云图
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∴
B = Br + µ0µr H
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稀土永磁材料，相对磁导率µr 为常数。
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2011-3-12
稀土永磁材料的退磁曲线
B' = Br = µ0Mr
B Br
B = Br + µ0µr H = B' + B"
B" = µ0µr H
-Hc 13
0 H
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