1 電機(jī)常用永磁材料的主要性能
1.1 電機(jī)中常用的永磁材料
電機(jī)中常用的永磁材料包括燒結(jié)磁體和粘結(jié)磁體，主要種類有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷及釹鐵硼等。
鋁鎳鈷材料在 20 世紀(jì) 80 年代以前使用較多。它具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性、時(shí)間穩(wěn)定性和適用超高溫使用環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn),在一些特殊用途如使用溫度要求高、磁穩(wěn)定性非常好的軍用或儀器儀表等特殊使用環(huán)境的電機(jī)中才采用。
釤鈷材料是 20世紀(jì) 60年代中期興起的磁性能優(yōu)異的永磁材料，且性能非常穩(wěn)定。釤鈷從磁性能方面來說特別適合于制造電機(jī)，但由于其價(jià)格昂貴，主要用于研究開發(fā)航空、航天、武器等軍用電機(jī)和高性能而價(jià)格不是主要因素的高科技領(lǐng)域的電機(jī)中。釹鐵硼材料是 20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的被稱為第三代高性能永磁材料. 磁性能高于釤鈷, 熱穩(wěn)定性較差，且很容易銹蝕，必須進(jìn)行表面防護(hù)處理, 但價(jià)格便宜，所以迅速得到推廣應(yīng)用。隨著釹鐵硼材料的不斷更新，溫度性能不斷改善, 特別是 20 世紀(jì) 90年代以來，低溫度系數(shù)、耐高溫的釹鐵硼材料已研制成功, 高性能耐熱釹鐵硼的工作溫度可達(dá) 200℃,而且價(jià)格也不斷降低，使大部分的工業(yè)和民用電機(jī)中都采用釹鐵硼材料，并將取代大部分原鐵氧體材料而應(yīng)用于低價(jià)經(jīng)濟(jì)型電機(jī)中。
粘結(jié)永磁材料是由粘結(jié)劑與永磁材料混合后壓縮、注射或擠壓成型等方法制成的一種復(fù)合型永磁材料, 包括粘結(jié)鐵氧體、粘結(jié)鋁鎳鈷、粘結(jié)釤鈷及粘結(jié)釹鐵硼。其中粘結(jié)釹鐵硼是目前最好的粘結(jié)永磁材料。它與燒結(jié)永磁材料相比有機(jī)械加工性能好, 成型容易, 可制成各種復(fù)雜的形狀, 磁性能均勻一致性好以及容易進(jìn)行多極充磁等優(yōu)點(diǎn)。但粘結(jié)永磁材料的磁性能低于同類型的燒結(jié)磁體，磁能積約為相同材料的燒結(jié)磁體的 40%~70%。在粘結(jié)永磁材料中，粘結(jié)釹鐵硼的前景最好，粘結(jié)釹鐵硼如果解決了工藝問題及提高質(zhì)量后, 將成為應(yīng)用前景最廣的永磁材料。它目前主要用于小型無刷直流電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)等精密微電機(jī)中。
1.2 永磁材料的主要性能
(1) 剩磁感應(yīng)強(qiáng)度。永磁材料在外磁場中充磁到飽和后，當(dāng)外磁場為零時(shí)，永磁材料所具有的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。此項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)直接關(guān)系著電機(jī)中氣隙磁密的高低。磁感應(yīng)強(qiáng)度值越高，電機(jī)的氣隙磁密將可能較高，轉(zhuǎn)矩常數(shù)、反電勢系數(shù)等電機(jī)的主要指標(biāo)將達(dá)到最佳值,電機(jī)的電負(fù)荷和磁負(fù)荷的取值關(guān)系才可能最合理，效率才能達(dá)到最佳。
(2) 矯頑力 Hc，(磁感應(yīng)矯頑力 Hc b )。永磁材料在飽和磁化的情況下，當(dāng)剩磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br 降到零時(shí)所需要的反向磁場強(qiáng)度。此項(xiàng)指標(biāo)與電機(jī)的抗退磁能力即過載倍數(shù)和氣隙磁密等指標(biāo)相關(guān)。Hc 值越大，電機(jī)的抗退磁能力越強(qiáng)，過載倍數(shù)越大，對(duì)強(qiáng)退磁動(dòng)態(tài)工作環(huán)境的適應(yīng)能力越強(qiáng)。同時(shí)電機(jī)的氣隙磁密也會(huì)有所提高。
(3) 最大磁能積 BHmax。永磁材料向外磁路提供的磁場能量的最大值。此項(xiàng)指標(biāo)與電機(jī)中永磁材料的用量直接相關(guān)，BHmax 越大，預(yù)示著該種永磁材料對(duì)外磁路能提供的磁場能量越大，即在相同功率情況下電機(jī)中使用的永磁材料越少。
(4) 內(nèi)稟矯頑力 Hc i 。該項(xiàng)指標(biāo)是指當(dāng)剩余磁化強(qiáng)度 M 降到零時(shí)的磁場強(qiáng)度值。退磁曲線上 B=0 時(shí)對(duì)應(yīng)的 Hc b 值僅表示永磁體此時(shí)不能夠向外磁路提供能量，并不代表永磁體自身不具備能量。但當(dāng) M=0 時(shí)對(duì)應(yīng)的 Hc i 值卻表示此時(shí)永磁體已真正退磁，自身已完全無磁場能量儲(chǔ)存。雖然 Hc i 與電機(jī)工作點(diǎn)無直接相關(guān)，但它才是永磁材料的真正矯頑力，代表著永磁材料擁有磁場能量和抗去磁場的能力。內(nèi)稟矯頑力的大小與永磁材料的溫度穩(wěn)定性密切相關(guān)。內(nèi)稟矯頑力越高，永磁材料的工作溫度才可能越高。
(5) 溫度系數(shù)α。溫度是對(duì)永磁材料磁性能影響的主要因素之一，當(dāng)溫度每變化 1℃時(shí)磁性能可逆變化的百分率稱為磁性材料的溫度系數(shù)。溫度系數(shù)可分為剩磁感應(yīng)溫度系數(shù)和矯頑力溫度系數(shù)。該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)電機(jī)的性能穩(wěn)定性影響較大，溫度系數(shù)越高，電機(jī)運(yùn)行從冷態(tài)到熱態(tài)時(shí)指標(biāo)的變化越大，它直接限制了電機(jī)的使用溫度范圍。間接影響到電機(jī)的功率體積比。
2 永磁電機(jī)及特點(diǎn)
永磁電機(jī)中最大功率已達(dá)到 1000kW，最小直徑
φ0.8mm，最高轉(zhuǎn)速 300000r/min，最低轉(zhuǎn)速 0.01r/min。永磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)相比，具有以下特點(diǎn).
2.1 結(jié)構(gòu)簡單, 可靠性高
用永磁材料勵(lì)磁，可將原電勵(lì)磁電機(jī)中勵(lì)磁用的極靴及勵(lì)磁線圈由一塊或多塊永磁體替代，零部件大量減少，在結(jié)構(gòu)上大大簡化。同時(shí)由于省去了勵(lì)磁用的集電環(huán)和電刷，不但改善了電機(jī)的工藝性，而且電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械可靠性大為增強(qiáng)，壽命增加。
2.2 性能優(yōu)異
永磁電機(jī)，特別是采用稀土永磁材料的電機(jī)，氣隙磁密可大大提高，電機(jī)指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，其直接效果就是電機(jī)體積縮小,重量減輕。不僅如此，較其它電機(jī)而言，永磁電機(jī)還具有非常優(yōu)異的控制性能。這是因?yàn)椋浩湟唬捎谙⊥劣来挪牧系母咝?/span>能而使電機(jī)的力矩常數(shù)、轉(zhuǎn)矩慣量比、功率密度等大大提高。通過合理設(shè)計(jì)又能使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電氣及機(jī)械時(shí)間常數(shù)等指標(biāo)大大降低，作為伺服控制性能的主要指標(biāo)有了很大改善。其二，現(xiàn)代永磁電機(jī)中，永磁磁路的設(shè)計(jì)已較完善，加上稀土永磁材料的矯頑力高，因而永磁電機(jī)的抗電樞反應(yīng)及其它去磁的能力大大加強(qiáng)，電機(jī)的控制參量隨外部擾動(dòng)影響大大減小。其三，由于用永磁材料取代了電勵(lì)磁，減少了勵(lì)磁繞組及勵(lì)磁磁場的設(shè)計(jì)，因而減少了勵(lì)磁磁通、勵(lì)磁繞組電感、勵(lì)磁電流等諸多參數(shù)，從而直接減少了可控變量或參量。綜合以上各因素可以說永磁電機(jī)具有優(yōu)異的可控性。
例如，目前全數(shù)字永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能非常優(yōu)異，正弦波交流伺服電機(jī)的調(diào)速比最高可達(dá) 1：100000。步進(jìn)電機(jī)和低速同步電機(jī)在采用永磁材料后，其輸出轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等都有明顯的改進(jìn)和提高。因而與同規(guī)格電機(jī)相比，永磁電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、控制性能指標(biāo)以及可靠性指標(biāo)等都比普通電機(jī)有較大的提高。
2.3 高效節(jié)能
永磁電機(jī)不但可減小電阻損耗，還能有效地提高功率因素。如永磁同步電機(jī)可在 25％~120％額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因素。300W微 電 機(jī) 專 題2006 年第 7 期 16以內(nèi)的微型永磁直流電機(jī)比同規(guī)格的電勵(lì)磁電機(jī)效率高 10％ ~ 20％。大量使用的風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的電機(jī)改為永磁電機(jī)后，綜合節(jié)能效果十分顯著, 功率越大，勵(lì)磁損耗占總損耗比例越大，因而永磁電機(jī)效率高的優(yōu)點(diǎn)越突出。
3 永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)深入研究的問題
3.1 永磁材料利用率
永磁電機(jī)中，永磁材料成本占電機(jī)總成本的比例較大，因此如何節(jié)省材料，提高材料利用率是永磁電機(jī)生產(chǎn)廠家最關(guān)心的問題之一。理論上講，永磁體的最大磁能積點(diǎn)表示磁體能對(duì)外提供的能量最大，且從去磁曲線上也能求得該最大工作點(diǎn)。但實(shí)際應(yīng)用中絕非如此簡單. 要具體研究電機(jī)的使用場合，分析電機(jī)應(yīng)完成的預(yù)定功能，找出其對(duì)應(yīng)的重點(diǎn)指標(biāo)，以此來決定電機(jī)工作點(diǎn)選擇的最佳位置，并合理確定永磁體的形狀及體積，同時(shí)還必須考慮其加工工藝的影響。在綜合考慮各種因素后達(dá)到電機(jī)在功能、性能、成本等各方面的最佳設(shè)計(jì)。
3.2 過載與退磁
磁性材料的退磁包括溫度退磁、時(shí)間退磁和環(huán)境退磁等。又分可逆退磁和不可逆退磁兩類。深入研究永磁材料矯頑力和內(nèi)稟矯頑力與穩(wěn)定工作溫度的關(guān)系；溫度系數(shù)對(duì)電機(jī)性能指標(biāo)的影響程度以及退磁安全系數(shù)；基于磁性能變化引出的電機(jī)最高工作溫度的定義；可逆退磁和不可逆退磁在電機(jī)使用溫度范圍內(nèi)所占比例以及對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生的影響；永磁材料退磁后的再充磁及重復(fù)利用等等問題是很有必要的。
3.3 分析與設(shè)計(jì)
現(xiàn)代永磁電機(jī)的理論與設(shè)計(jì)已比較成熟，不僅有眾多的以磁路分析計(jì)算為主的設(shè)計(jì)程序和方法，永磁磁場的數(shù)值分析法也已普遍使用于工程實(shí)踐中。但由于在永磁電機(jī)中，永磁體即作場激勵(lì)源或磁路的磁源，又是磁場和磁路的組成部分, 同時(shí)永磁材料制造工藝、形狀尺寸、充磁工具、充磁方法等都會(huì)使永磁材料一致性和均勻性不理想，有時(shí)分散性較大, 甚至同一牌號(hào)同一批次的永磁材料的性能數(shù)據(jù)都可能有較大的差異。因而永磁體分散性也給永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)分析及永磁磁場的數(shù)值計(jì)算帶來了一定困難，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。比如在場的理論和數(shù)值分析中永磁模型建立與等值問題；在工程磁路計(jì)算中的漏磁系數(shù)、局部退磁和電樞反應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算等諸多問題，都較電勵(lì)磁電機(jī)分析計(jì)算的誤差要大。
3.4 充磁與測磁
永磁電機(jī)設(shè)計(jì)是建立在永磁材料飽和磁化的基礎(chǔ)上的。那么，用在電機(jī)上的磁體是否已被充分磁化飽和，若是永磁體是由磁性材料生產(chǎn)廠充磁并帶磁供貨，一般不存在問題, 但如果是在電機(jī)上整體充磁時(shí)，如何保證永磁體被充分磁化，如何在飽和磁化同時(shí)還能保持磁性能的均勻性和一致性等問題值得研究。
同樣，針對(duì)磁性能檢測問題，也還有較多值得研究的問題。如帶磁供貨的磁體在電機(jī)制造廠如何對(duì)其進(jìn)行有效的簡便易行而又相對(duì)準(zhǔn)確的入廠檢測，而現(xiàn)在多數(shù)電機(jī)廠家無法在零部件階段對(duì)永磁材料磁性能進(jìn)行有效測量，往往只有到整機(jī)性能檢測不合格時(shí)才能發(fā)現(xiàn)磁性材料有問題。
3.5 抗腐蝕性
釹鐵硼材料的易腐蝕問題對(duì)電機(jī)的質(zhì)量影響較大，而目前它的表面防護(hù)問題在國內(nèi)未得到很好的解決，其采用的電鍍等辦法常出現(xiàn)表面鍍層脫落使電機(jī)出現(xiàn)故障的現(xiàn)象。同時(shí)耐受特殊環(huán)境條件(如潮濕、鹽霧及特殊氣體等)的能力有限，影響了電機(jī)對(duì)特殊環(huán)境條件的適應(yīng)能力。希望永磁材料在表面防護(hù)能力方面有更進(jìn)一步的提高。
3.6 磁性能穩(wěn)定性、均勻性、一致性
為保證電機(jī)性能在其壽命周期內(nèi)不發(fā)生較大變化，特別是一些有特殊要求的軍用電機(jī)，其可靠工作壽命要求長達(dá) 15 年以上,希望永磁材料的磁性能保持長期穩(wěn)定。
電機(jī)特別是高精度電機(jī)對(duì)永磁材料磁性能均勻性及一致性要求較高。磁性能不均勻?qū)?dǎo)致電機(jī)磁場不均勻，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大, 發(fā)電機(jī)的輸出電壓紋波增大，線性度變差, 控制電機(jī)的精度指標(biāo)降低等。另外，同一牌號(hào)的永磁材料在不同批次時(shí)的磁性能不一致，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)成批不合格。因此，高精度電機(jī)要求永磁材料磁性能一致性能滿足誤差在 5％以內(nèi)，均勻性誤差在 3％以內(nèi)。
3.7 加工工藝
永磁電機(jī)在制造過程中還有較多的加工工藝問題值得研究。比如粘接過程中的工藝參數(shù)如何掌握，是否會(huì)對(duì)磁性能產(chǎn)生影響。機(jī)加工過程中的沖擊、振動(dòng)和加工環(huán)境是否對(duì)磁性能產(chǎn)生影響，帶磁零部件在工藝周轉(zhuǎn)過程中以及在裝配工序中如何采取保護(hù)措施等。
永磁電機(jī)中的永磁體多采用帶磁供貨，這樣雖然減輕了電機(jī)生產(chǎn)廠充磁的難度，但卻大大增加了制造工藝難度. 如永磁無刷直流電機(jī)及永磁同步電機(jī)等常采用多極多塊磁體直接粘在轉(zhuǎn)子表面的表面貼裝結(jié)構(gòu)。多使用高性能的燒結(jié)釹鐵硼，其粘接工藝較復(fù)雜且操作困難，當(dāng)其轉(zhuǎn)速較高時(shí)還會(huì)造成粘接可靠性不理想。如能將燒結(jié)磁體做成徑向結(jié)晶充磁的多極環(huán)形結(jié)構(gòu)，將大大簡化電機(jī)轉(zhuǎn)子的制造工藝。目前粘接磁體可以做到，但磁性能不高。如燒結(jié)磁體能實(shí)現(xiàn)并能批量供貨且價(jià)格不高(有報(bào)道已有廠家在開展此項(xiàng)研究)，將很有發(fā)展前途。
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