永磁体及其特性

B b
d
c
B f (H )
Fe f (H )
B 0 H
a
0
图1-2 铁磁材料的起始 Fe f (H ) 磁化曲线和
H
曲线
Oa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
B
Bm
b
Br
a
HC Hm
c O e
H f
Hm
d
Bm
图1-1铁磁材料磁滞回线
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 Br 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Hc 。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
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：
Vm Amlm
根据安培环路定律有
Hmlm H
0 Hmlm 0 H
0 H mlm B
根据磁通的连续性定律
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 lM ，截面积为 A ，气隙长度为 ，有效的截面积为A ，铁心的磁导率 M Fe 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
B 0 rm H
Emax 1 B 4 0 rm
2 r
BH
0 rm
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
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Bm Br 0 rm Hm 0 c Hm
c
A lM AM
0 re H m Br c rm rm re rm 0 H m 0 H m
其中re 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 c 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。
BM AM B A
来自百度文库Vm
•
B A B B 2 A B 2V ( ) Bm 0 H m 0 Bm H m 0 wm
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。
B 0 rm H
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 Br 时，磁 能积最大 B2
• 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 2011-4-19
9.1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 B 矫顽力 Hc r 最大的磁能积 BH max 这3个指标来表征的。

H M lM H 0
•

HM lM H

H
H M lM

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
BM AM B A
A BM B AM

BM
A A l 0 H ( 0 M ) H M AM AM
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：
Bm Br 0 rm H m
H m 是个负值所以工作的磁通密度是比剩磁 Br 要小的。
A
图1-4负载线和永磁体的工作点
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 Hk 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 0 rm ， rm 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：
•
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。