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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 | 浏览次数:487 | 访问原文

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;
b.永磁磁路全部穿过气隙,没有漏磁;
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》。