电机用永磁材料的分析
发布时间：2023年10月8日 |
文章来源：电机新视界 |
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1、永磁材料也叫硬磁材料，是一种铁磁材料。首先顾名思义，它在外加磁场为零时得有一定的剩磁(Br)；其次，得有一定的抗磁场能力，施加一点磁场前后剩磁不能相差过大。它与软磁材料，如硅钢片的主要区别是：永磁材料的磁滞回线的面积较大，即剩磁Br和矫顽力Hc都比软磁材料大。
2、“奇怪”的是，虽然永磁体是铁磁材料，但是它的相对磁导率却只略大于1，即和真空中的磁导率差不多。这是因为永磁材料的矫顽力比较大；如果加一点退磁磁场H就可以使其磁性消失，那就显得不够“硬”了，正是软磁材料的特点。
3、各种永磁材料磁性能差异很大，退磁曲线的形状也不尽相同。幸运的是，我们常用的永磁材料，如铁氧体和钕铁硼，退磁曲线在拐点以上是条直线；更妙的是其回复线正好就在退磁曲线上，这大大简化了电机磁路的计算。
4、退磁曲线上任何一点，其横纵坐标的乘积表示该点下永磁体的磁场能量密度，称为磁能积。对于钕铁硼或者铁氧体来说，因为退磁曲线近似是条直线，所以这个概念我个人认为不太重要，因为材料的剩磁和矫顽力都确定后，各点的磁能积也就确定了。
5、计算电机的磁路我们通常用永磁材料的退磁曲线，但是更能表征材料磁性能的是内禀退磁曲线。内禀退磁曲线的起点磁密也是Br，但室温下其终点内禀矫顽力Hcj则大于矫顽力Hc（绝对值），且牌号越高差值越大。对于烧结钕铁硼来说，表征内禀退磁曲线还有个参数是方形度，这是因为内禀退磁曲线的拐点处的纵坐标略小于Br，横坐标略小于Hcj，使得内禀退磁曲线与坐标轴围成了近似长方形。显然，方形度越高，材料的磁性能越稳定。
6、电机运行时通常其内部温度较高，所以永磁材料在高温（姑且认为是50-150℃吧）下的磁性能尤其重要。剩磁随温度的变化率称为剩磁温度系数，约为-0.1%/℃或者更大一点——以后凡是出现磁性能的具体数值，均是指烧结钕铁硼——负号表示温度越高，剩磁越低。这说明如果永磁材料的温度比室温高100℃，剩磁将近常温时的90%。实际上材料的剩磁温度系数随温度上升也小有变化，这里点到为止。
7、在工作温度范围内，剩磁随温度的变化是可逆的。标准规定，如果永磁体在某一温度下开路保持一段时间（如3h），冷却到室温时剩磁损失小于5%，则该温度的最高值就是永磁体的最高使用温度。通常电机运转时要保证永磁体的温度比最高使用温度低20-30℃。
8、内禀矫顽力随温度的变化率称为内禀矫顽力温度系数，约为-0.5~-0.7%/℃，可见内禀矫顽力对温度的变化更敏感，若永磁体升高100℃，内禀矫顽力会降低50%以上。另外提示一下，不同温度下内禀矫顽力温度系数也不尽相同。
9、为啥不提矫顽力温度系数？因为材料的相对磁导率是确定的，所以在工作温度范围内不同温度下的退磁曲线是平行的，矫顽力温度系数等于剩磁温度系数。
10、根据烧结钕铁硼永磁材料内禀矫顽力的大小，从小到大可分为N、M、H、SH、UH、EH和TH七类品种，内禀矫顽力在960~2790kA/m之间。前文已提及，牌号越高内禀矫顽力与矫顽力的差值越大；前文又提，内禀矫顽力温度系数是剩磁温度系数的5倍左右，所以，温度越高内禀矫顽力与矫顽力的差值就会越小。为了保证高温下的磁性能，内禀矫顽力越大的永磁材料，最高使用温度更高。如N系列的最高使用温度为80度，TH系列最高使用温度是230度。
11、通常烧结钕铁硼的牌号由两部分组成：磁能积和内禀矫顽力。前者表示室温时的磁性能，后者表示使用温度范围。调节内禀矫顽力的主要方式是改变贵金属元素镝的含量，牌号越高，永磁体的价格也越高；如果确认电机内部温度较低，建议尽可能的使用低牌号。相对来说磁能积对永磁体成本的影响不太显著。
12、澄清一点：我们平时看到的永磁体处于开路状态，这时的磁通密度可称之为表观剩磁，数值要比Br低一些；如果我们用软磁材料把永磁体的两极短接，并认为软磁材料的磁导率无穷大，这种情况下H=0，永磁体对外表现就是剩磁Br。
13、简单聊一下永磁体在电机中的工作点是如何确定的。永磁体的充磁面积为Am，充磁长度为Lm，工作点为Hm，Bm。并假设：
a．电机定转子铁心的磁导率无穷大，永磁体产生的磁势全部作用在气隙上；
c．电机处于空载，定子电流很小，产生的磁场对永磁体的影响忽略不计。
气隙长度为δ，气隙内磁场强度为Hδ，气隙内的磁位降等于永磁体内的磁位升，于是有：Hm*Lm=-Hδ*δ………………公式一；
气隙圆周面积为Aδ，气隙磁密为Bδ，永磁体产生的磁通全部经过气隙，所以：Bm*Am=Bδ*Aδ；考虑到气隙是空气，磁导率为μ0，即Bδ=μ0* Hδ；故Bm*Am=μ0* Hδ* Aδ………………公式二；
让公式二除以公式一，整理后得到Hm和Bm的关系式：
Bm=(-μ0* Aδ* Lm/ Am/δ)*Hm，
这是一条过坐标轴原点，斜率为-μ0* Aδ* Lm/ Am/δ的直线。它与退磁曲线的交点就是永磁电机空载时（和不工作时）永磁体的工作点。
14、空载工作点的磁密一般在0.7~0.85倍的Br之间。电机在额定运行时，工作点处的磁能积最大是永磁体用量最少，即最经济的考虑，但不一定是最可靠的。务必保证在电机的工作温度下，定子退磁电流最大时永磁体的工作点在退磁曲线的拐点以上。
15、负载电流，极端情况下的短路电流对永磁体的退磁校核，见本公众号《永磁电机短路电流退磁分析》。
