電機用永磁材料的分析
發(fā)布時間：2023年10月8日 |
文章來源：電機新視界 |
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1、永磁材料也叫硬磁材料，是一種鐵磁材料。首先顧名思義，它在外加磁場為零時得有一定的剩磁(Br)；其次，得有一定的抗磁場能力，施加一點磁場前后剩磁不能相差過大。它與軟磁材料，如硅鋼片的主要區(qū)別是：永磁材料的磁滯回線的面積較大，即剩磁Br和矯頑力Hc都比軟磁材料大。
2、“奇怪”的是，雖然永磁體是鐵磁材料，但是它的相對磁導率卻只略大于1，即和真空中的磁導率差不多。這是因為永磁材料的矯頑力比較大；如果加一點退磁磁場H就可以使其磁性消失，那就顯得不夠“硬”了，正是軟磁材料的特點。
3、各種永磁材料磁性能差異很大，退磁曲線的形狀也不盡相同。幸運的是，我們常用的永磁材料，如鐵氧體和釹鐵硼，退磁曲線在拐點以上是條直線；更妙的是其回復線正好就在退磁曲線上，這大大簡化了電機磁路的計算。
4、退磁曲線上任何一點，其橫縱坐標的乘積表示該點下永磁體的磁場能量密度，稱為磁能積。對于釹鐵硼或者鐵氧體來說，因為退磁曲線近似是條直線，所以這個概念我個人認為不太重要，因為材料的剩磁和矯頑力都確定后，各點的磁能積也就確定了。
5、計算電機的磁路我們通常用永磁材料的退磁曲線，但是更能表征材料磁性能的是內(nèi)稟退磁曲線。內(nèi)稟退磁曲線的起點磁密也是Br，但室溫下其終點內(nèi)稟矯頑力Hcj則大于矯頑力Hc（絕對值），且牌號越高差值越大。對于燒結(jié)釹鐵硼來說，表征內(nèi)稟退磁曲線還有個參數(shù)是方形度，這是因為內(nèi)稟退磁曲線的拐點處的縱坐標略小于Br，橫坐標略小于Hcj，使得內(nèi)稟退磁曲線與坐標軸圍成了近似長方形。顯然，方形度越高，材料的磁性能越穩(wěn)定。
6、電機運行時通常其內(nèi)部溫度較高，所以永磁材料在高溫（姑且認為是50-150℃吧）下的磁性能尤其重要。剩磁隨溫度的變化率稱為剩磁溫度系數(shù)，約為-0.1%/℃或者更大一點——以后凡是出現(xiàn)磁性能的具體數(shù)值，均是指燒結(jié)釹鐵硼——負號表示溫度越高，剩磁越低。這說明如果永磁材料的溫度比室溫高100℃，剩磁將近常溫時的90%。實際上材料的剩磁溫度系數(shù)隨溫度上升也小有變化，這里點到為止。
7、在工作溫度范圍內(nèi)，剩磁隨溫度的變化是可逆的。標準規(guī)定，如果永磁體在某一溫度下開路保持一段時間（如3h），冷卻到室溫時剩磁損失小于5%，則該溫度的最高值就是永磁體的最高使用溫度。通常電機運轉(zhuǎn)時要保證永磁體的溫度比最高使用溫度低20-30℃。
8、內(nèi)稟矯頑力隨溫度的變化率稱為內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)，約為-0.5~-0.7%/℃，可見內(nèi)稟矯頑力對溫度的變化更敏感，若永磁體升高100℃，內(nèi)稟矯頑力會降低50%以上。另外提示一下，不同溫度下內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)也不盡相同。
9、為啥不提矯頑力溫度系數(shù)？因為材料的相對磁導率是確定的，所以在工作溫度范圍內(nèi)不同溫度下的退磁曲線是平行的，矯頑力溫度系數(shù)等于剩磁溫度系數(shù)。
10、根據(jù)燒結(jié)釹鐵硼永磁材料內(nèi)稟矯頑力的大小，從小到大可分為N、M、H、SH、UH、EH和TH七類品種，內(nèi)稟矯頑力在960~2790kA/m之間。前文已提及，牌號越高內(nèi)稟矯頑力與矯頑力的差值越大；前文又提，內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)是剩磁溫度系數(shù)的5倍左右，所以，溫度越高內(nèi)稟矯頑力與矯頑力的差值就會越小。為了保證高溫下的磁性能，內(nèi)稟矯頑力越大的永磁材料，最高使用溫度更高。如N系列的最高使用溫度為80度，TH系列最高使用溫度是230度。
11、通常燒結(jié)釹鐵硼的牌號由兩部分組成：磁能積和內(nèi)稟矯頑力。前者表示室溫時的磁性能，后者表示使用溫度范圍。調(diào)節(jié)內(nèi)稟矯頑力的主要方式是改變貴金屬元素鏑的含量，牌號越高，永磁體的價格也越高；如果確認電機內(nèi)部溫度較低，建議盡可能的使用低牌號。相對來說磁能積對永磁體成本的影響不太顯著。
12、澄清一點：我們平時看到的永磁體處于開路狀態(tài)，這時的磁通密度可稱之為表觀剩磁，數(shù)值要比Br低一些；如果我們用軟磁材料把永磁體的兩極短接，并認為軟磁材料的磁導率無窮大，這種情況下H=0，永磁體對外表現(xiàn)就是剩磁Br。
13、簡單聊一下永磁體在電機中的工作點是如何確定的。永磁體的充磁面積為Am，充磁長度為Lm，工作點為Hm，Bm。并假設(shè)：
a．電機定轉(zhuǎn)子鐵心的磁導率無窮大，永磁體產(chǎn)生的磁勢全部作用在氣隙上；
c．電機處于空載，定子電流很小，產(chǎn)生的磁場對永磁體的影響忽略不計。
氣隙長度為δ，氣隙內(nèi)磁場強度為Hδ，氣隙內(nèi)的磁位降等于永磁體內(nèi)的磁位升，于是有：Hm*Lm=-Hδ*δ………………公式一；
氣隙圓周面積為Aδ，氣隙磁密為Bδ，永磁體產(chǎn)生的磁通全部經(jīng)過氣隙，所以：Bm*Am=Bδ*Aδ；考慮到氣隙是空氣，磁導率為μ0，即Bδ=μ0* Hδ；故Bm*Am=μ0* Hδ* Aδ………………公式二；
讓公式二除以公式一，整理后得到Hm和Bm的關(guān)系式：
Bm=(-μ0* Aδ* Lm/ Am/δ)*Hm，
這是一條過坐標軸原點，斜率為-μ0* Aδ* Lm/ Am/δ的直線。它與退磁曲線的交點就是永磁電機空載時（和不工作時）永磁體的工作點。
14、空載工作點的磁密一般在0.7~0.85倍的Br之間。電機在額定運行時，工作點處的磁能積最大是永磁體用量最少，即最經(jīng)濟的考慮，但不一定是最可靠的。務(wù)必保證在電機的工作溫度下，定子退磁電流最大時永磁體的工作點在退磁曲線的拐點以上。
15、負載電流，極端情況下的短路電流對永磁體的退磁校核，見本公眾號《永磁電機短路電流退磁分析》。
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