永磁電機(jī)最終要點(diǎn)

1、一、 磁極結(jié)構(gòu)永磁直流電機(jī)永磁無刷直流電機(jī)永磁同步電機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)有無凹槽小局部有大局部有內(nèi)置式有，外表式無有有無極靴大局部有局部有一般沒有局部有充磁方向圓周方向、平行充磁或徑向充磁圓周方向、平行充磁或徑向充磁圓周方向或徑向圓周方向、平行充磁、徑向充磁永磁體形狀弧形、矩形、長棒形、圓筒形、瓦片形等弧形、長棒形、圓筒形、瓦片形弧形、長棒形、瓦片形等環(huán)形、星形、瓦片形、矩形等磁極結(jié)構(gòu)圓形、方形圓形圓形圓形內(nèi)置式大局部有有有外表式少數(shù)有有有1. 永磁直流電機(jī)根據(jù)所用永磁材料的不同，將永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)分為以下4類：鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)、稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)、復(fù)合磁極永磁直

2、流電動(dòng)機(jī)鋁鎳鈷永磁直流電機(jī)鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)復(fù)合磁極永磁直流電動(dòng)機(jī)有無凹槽局部有一般沒有一般沒有一般沒有有無極靴大局部有局部有局部有一般沒有充磁方向圓周方向或徑向圓周方向圓周方向圓周方向永磁體形狀弧形、矩形、長棒形、圓筒形矩形、筒形、瓦片形瓦片形、長棒形瓦片形磁極結(jié)構(gòu)圓形、方形圓形、方形圓形、方形圓形1.1 鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)的主要磁極結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中a為兩極結(jié)構(gòu)，采用弧形永磁體，沿圓弧方向充磁，兩塊永磁體并聯(lián)提供每極磁通，屬于并聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)；b與a根本相同，不同之處是結(jié)構(gòu)b的幾何中性線位置開了凹槽，以削弱該位置的磁場，改善換向；c為多極

3、結(jié)構(gòu)，為便于永磁體的制造和充磁，采用矩形永磁體，圓周方向充磁；圖d采用長棒形永磁體，沿徑向充磁；圖e采用圓筒形磁極，圓周方向充磁。1-永磁體 2-電樞 3-機(jī)殼 4-極靴圖1 鋁鈷鎳永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)1.2 鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中a為瓦片形磁極結(jié)構(gòu)，永磁體直接面對(duì)空氣隙，電樞反響直接作用在永磁體上，且氣隙磁密低，適合于對(duì)氣隙磁密和電機(jī)體積要求不高的場合，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)不可逆退磁；b在永磁體上安裝軟鐵極靴，交軸電樞反響沿極靴方向閉合，對(duì)永磁體影響小，此外極靴還有聚磁作用，可以產(chǎn)生較高的氣隙磁密，有利于減小電機(jī)體積和重量；c為整體圓筒形磁

4、極，可以充為一對(duì)極或多對(duì)極，結(jié)構(gòu)簡單，加工和裝配方便，便于大量生產(chǎn)，但極間的局部永磁材料作用很小，材料利用率低，但圓筒形永磁體較難制成各向異性，磁性能較差；d為方形結(jié)構(gòu)采用矩形永磁體和聚磁極靴，與b相同。1-永磁體 2-電樞 3-機(jī)殼 4-極靴圖2 鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)1.3 稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)稀土永磁的特點(diǎn)是矯頑力高、剩磁密度高，在磁極結(jié)構(gòu)上可以做成磁極面積和磁化長度均很小的結(jié)構(gòu)形狀，通常做成瓦片形，如圖3a所示。在對(duì)體積重量要求很高的場合，可采用如b所示聚磁結(jié)構(gòu)。1-永磁體 2-電樞 3-機(jī)殼 4-極靴圖3 永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)1.4 永磁直流電動(dòng)機(jī)的復(fù)合磁極結(jié)構(gòu)在

5、直流電動(dòng)機(jī)中，電樞反響磁動(dòng)勢對(duì)前半極增磁，對(duì)后半極去磁。對(duì)于單向旋轉(zhuǎn)的永磁直流電動(dòng)機(jī)，前半極的全部或局部采用性能較低而價(jià)格廉價(jià)的材料，如鐵氧體永磁或者實(shí)用軟件；后半極采用高性能的永磁材料，如釹鐵硼永磁，就是所謂的復(fù)合磁極結(jié)構(gòu)，如圖4所示。復(fù)合磁極的優(yōu)點(diǎn)是：可以保證電機(jī)性能的前提下減少永磁材料用量，降低本錢，還可使電動(dòng)機(jī)具有復(fù)勵(lì)性質(zhì)。1-主極；2輔助極；3電樞；4機(jī)殼圖4 復(fù)合磁極結(jié)構(gòu)2. 永磁無刷直流電機(jī)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中，主磁場由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖a中兩片永磁體形成轉(zhuǎn)子N極，通過轉(zhuǎn)子鐵心的凸極形成兩個(gè)S極。該結(jié)構(gòu)可使永磁轉(zhuǎn)子所需的永磁體片數(shù)減少一半，但凸極結(jié)構(gòu)

6、會(huì)使定子繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置而變化，產(chǎn)生附加的磁阻轉(zhuǎn)矩。圖b中的永磁體切向充磁，可獲得較大的氣隙磁密，使用鐵氧體永磁時(shí)多采用此結(jié)構(gòu)，既能降低本錢又能獲得較高的氣隙磁密。但此結(jié)構(gòu)的電樞反響磁場較強(qiáng)，會(huì)引起氣隙磁場畸變。圖c中轉(zhuǎn)子永磁磁極之間為鐵心，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生一附加磁阻轉(zhuǎn)矩，通過合理設(shè)計(jì)可以使該磁阻轉(zhuǎn)矩為有用的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度。對(duì)于多磁極永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子多采用圖d所示的結(jié)構(gòu)，雖然其磁性能較低，但結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、本錢低。圖e、f、g所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體均為外表安裝，且一般為平行充磁，永磁體直接面對(duì)氣隙，氣隙磁場較強(qiáng)。由于永磁材料磁導(dǎo)率低，所以定子繞組電感較小，電樞反響磁場較弱

7、，對(duì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行有利。圖5 永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)3. 永磁同步電機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體放置在轉(zhuǎn)子上，其放置的方式影響到氣隙磁通、漏磁乃至電機(jī)的性能。根據(jù)永磁體放置的位置不同，分為外表式和內(nèi)置式兩種轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)。3.1 外表式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)3.1.1 結(jié)構(gòu)外表式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示，永磁體用高強(qiáng)度非導(dǎo)磁圈固定在籠型轉(zhuǎn)子的外部，磁極之間用填充物填充。1鐵芯；2永磁體；3導(dǎo)條；4護(hù)環(huán)；5極間填充物；6軸圖6 外表式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)3.1.2 特點(diǎn)磁極之間可以用非導(dǎo)磁材料，如樹脂、鋁、銅等填充，也可以用導(dǎo)磁材料填充。假設(shè)采用非導(dǎo)磁材料填充，那么交直軸磁路對(duì)稱，屬于隱極電機(jī)；假設(shè)采用導(dǎo)磁材料，那么交軸

8、磁阻小于直軸磁阻，為凸極電機(jī)，可以利用凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩提高過載能力。當(dāng)極數(shù)較少時(shí)，每極永磁體圓弧角度較大，材料利用率低、加工困難，可以采用拼塊式結(jié)構(gòu)，由多塊永磁體拼成整個(gè)磁極。外表式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩較小，僅適合于對(duì)起動(dòng)性要求不高的場合。3.2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)3.2.1 結(jié)構(gòu)在內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，永磁體位于導(dǎo)條和鐵心軸孔之間的鐵心中。根據(jù)一對(duì)極永磁體的磁路關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)式、串聯(lián)式和串并聯(lián)混合式。在并聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)中，相鄰兩磁極的永磁體并聯(lián)提供每極磁通，如圖7所示，圖a采用非磁性軸隔磁，而圖b采用空氣槽隔磁，可使用磁性軸。圖c是并聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)，主要

9、適用于磁性能較低的永磁材料，如鐵氧體，其缺點(diǎn)是電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)電樞反響程度不同，造成運(yùn)行性能的不同，目前該結(jié)構(gòu)已很少應(yīng)用。1鐵芯；2永磁體；3導(dǎo)條；4空氣槽；5軸圖7 并聯(lián)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)串聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)如下列圖，兩個(gè)磁極的永磁體串聯(lián)，每極磁通由一個(gè)磁極的永磁體面積提供，磁動(dòng)勢由一對(duì)磁極的永磁體提供。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子軸不需要采用非導(dǎo)磁材料。其中圖8a為早期結(jié)構(gòu)，目前不再采用；圖b放置永磁體少；圖c、d、e的每極分別為字母“U、V、W的形狀，分別稱為U、V、W結(jié)構(gòu)，它們的優(yōu)點(diǎn)是可以放置較多的永磁體，每極磁通大，缺點(diǎn)是加工工藝復(fù)雜。每當(dāng)極數(shù)較多時(shí)，在圖c、d、e中，徑向磁化的永磁體放置空間很小，且影響切向磁化永磁

10、體的放置空間，此時(shí)往往采用圖a、b所示的并聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)。圖f、g也是相鄰兩極磁路串聯(lián)，可以歸入這一類，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。1鐵芯；2永磁體；3導(dǎo)條；4空氣槽；5軸圖8 串聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)混合式磁路結(jié)構(gòu)是從串聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)演化而成的，將圖9c、e中相鄰磁極中切向磁化的兩塊永磁體并在一起，就變成了圖a、b所示混合式磁路結(jié)構(gòu)。與圖c、e相比，混合式磁路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)簡單，加工更方便，切向磁化永磁體的厚度為徑向磁化永磁體厚度的2倍。其特點(diǎn)與U、V、W結(jié)構(gòu)根本相同，也不適用于極數(shù)多的場合。1鐵芯；2永磁體；3導(dǎo)條；4空氣槽；5軸圖9 混合式磁路結(jié)構(gòu)3.2.2 內(nèi)置式、外表式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及比照1) 特點(diǎn)通常交軸磁阻

11、小于直軸磁阻，轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱，所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有助于提高過載能力和轉(zhuǎn)矩密度。外表式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁體采用非磁性圓筒或無煒玻璃絲帶固定在籠型轉(zhuǎn)子的外部,但由于導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子內(nèi)部,產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩較小,不適合對(duì)起動(dòng)性能要求較高的場合;在內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中,永磁體通常位于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和軸之間的鐵心中,籠型轉(zhuǎn)子直接面向氣隙,這樣起動(dòng)性能好,廣泛應(yīng)用于要求起動(dòng)性能好的場合中。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是漏磁大，需要采取一定的隔磁措施，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度差。2) 比照兩種電機(jī)的二維模型如圖10所示。電機(jī)的根本參數(shù)如表1所示永磁同步電機(jī)圖10 電機(jī)二維模型表1 電機(jī)根本參數(shù)兩種結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的空載氣隙磁密諧波幅值占基波百分比方圖11所示

12、。不同結(jié)構(gòu)的漏磁因數(shù)、空載氣隙磁密波形正弦畸變率、齒槽轉(zhuǎn)矩的比照方表2所示。圖11 諧波幅值占基波百分比表2 兩種電機(jī)性能比照ab4. 永磁同步發(fā)電機(jī)磁極介紹4.1 切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)4.1.1 結(jié)構(gòu)切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)由于永磁體和極靴的固定方式不同，通常分為切向套環(huán)式結(jié)構(gòu)圖12和切向槽楔式結(jié)構(gòu)圖13。4.1.2 特點(diǎn)切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體的磁化方向和氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠(yuǎn)，其漏磁比軸向式結(jié)構(gòu)和徑向式結(jié)構(gòu)要大。但是，在切向式結(jié)構(gòu)中永磁體并聯(lián)作用，有兩個(gè)永磁體截面對(duì)氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數(shù)較多情況下更為突出。因此適合于極數(shù)多且要求氣隙磁密高的永磁同步發(fā)電機(jī)。 圖

13、12 切向套環(huán)式結(jié)構(gòu) 圖13 切向槽楔式結(jié)構(gòu)4.2 徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)4.2.1 結(jié)構(gòu)徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中永磁體的形狀主要有環(huán)形、星形、瓦片形和矩形四種。環(huán)形永磁體圖14的結(jié)構(gòu)和工藝最為簡單，但永磁材料的利用率不高。目前主要應(yīng)用于微型和小功率發(fā)電機(jī)。星形永磁體提高了永磁材料的利用率結(jié)構(gòu)和工藝較為簡單，但由于極間漏磁較大，充磁比較困難，容易造成永磁體的不均勻磁化，而且永磁體的形狀復(fù)雜，永磁材料的磁性能同樣偏低，因而發(fā)電機(jī)的容量容易受到限制。徑向星形永磁體轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又可分為無極靴和有極靴兩種圖15 a和b。為在盡可能小的轉(zhuǎn)子直徑中放置盡可能大的永磁體，以提高氣隙磁密，同時(shí)考慮到稀土永磁的矯頑力高

14、，永磁體磁化方向長度可以小，近年來又多采用瓦片形永磁體圖16和矩形永磁體圖17。4.2.2 特點(diǎn)徑向式磁路結(jié)構(gòu)中永磁體的磁化方向和氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，漏磁系數(shù)較切向結(jié)構(gòu)小。在一對(duì)極磁路中有兩個(gè)永磁體提供每極磁通，故氣隙磁密相對(duì)較低。 圖14 環(huán)形永磁體 圖15 星形永磁體轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)圖16 瓦片形永磁體結(jié)構(gòu)圖17 矩形永磁體結(jié)構(gòu)二、 磁場分析1. 磁場分析理論根底由于永磁材料、部件尺寸、電機(jī)繞組分布定、轉(zhuǎn)子齒槽的影響,氣隙中存在高次諧波磁場。這些高次諧波磁場會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的性能,如電流中存在諧波分量,轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng),隨之產(chǎn)生諧波損耗以及振動(dòng)噪聲等。因此磁場一些性能分析是評(píng)價(jià)一個(gè)電機(jī)合格與

15、否的準(zhǔn)那么。2. 磁場特性2.1 磁場特性指標(biāo)1) 磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度的大小直接決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，磁場強(qiáng)度越大轉(zhuǎn)速越快。而磁場強(qiáng)度的大小和永磁體的材料有關(guān)。尤其是永磁材料的最大磁能積、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)矯頑力。2) 磁場空間分布及均勻性磁場的空間分布和均勻性是由電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性直接決定的，磁場的空間分布越均勻氣隙磁密波形越接近正弦波或方波，進(jìn)而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性越小，效率越高，工作噪聲越小。3) 漏磁漏磁根本上也是由電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性決定的，電機(jī)結(jié)構(gòu)越不對(duì)稱，偏心越大，那么漏磁因數(shù)越大，這將導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，損耗增大。2.2 影響因素2.1.1 永磁材料1) 永磁材料的選取標(biāo)準(zhǔn)永磁材料的磁性能可以用一些磁

16、參數(shù)表示,如剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力He、最大磁能積(BH) max等。永磁材料的性能參數(shù)是影響著永磁電機(jī)的性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，所以再選擇永磁材料時(shí)應(yīng)滿足以下要求：永磁電動(dòng)機(jī)能長期穩(wěn)定的運(yùn)行；永磁材料的性能能長期應(yīng)保持穩(wěn)定性。永磁材料直接決定了電機(jī)內(nèi)的磁場強(qiáng)度等特性。選擇永磁體材料有一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)就是最大磁能積，即為B-H的乘積(B × H)max。當(dāng)永磁體材料工作于這一點(diǎn)時(shí)，就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生同一的磁通密度而所需的使所需的永磁體體積最小。根據(jù)以上的描述，為了使所用的永磁體的體積到達(dá)最小，盡可能的選擇的永磁體材料具有最大可利用的最大磁能積，永磁體材料還有剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、磁感應(yīng)矯頑力H

17、c這兩個(gè)參數(shù)需要考慮。在選取永磁材料時(shí),通常從以下三方面進(jìn)行考慮，為獲得足夠高的單位功率,永磁材料應(yīng)具有足夠大的磁感應(yīng)強(qiáng)度、足夠大的矯頑力及磁能積;永磁材料應(yīng)具有良好的磁性能,包括熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，尤其對(duì)于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的永磁體,應(yīng)選擇工作溫度點(diǎn)高的永磁材料,使得發(fā)電機(jī)工作在永磁材料退磁曲線的直線局部;經(jīng)濟(jì)性要好,價(jià)格適宜。2) 常用永磁材料鋁鎳鈷永磁的顯著特點(diǎn)是溫度系數(shù)小,僅為-0.02%K-1左右,因此,隨著溫度地改變磁性能變化很小,目前仍被廣泛應(yīng)用于儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高地永磁電機(jī)中。鋁鎳鈷永磁的矯頑力低,所以在使用過程中嚴(yán)禁與任何鐵器接觸。但這種材

18、料剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度較高,最高可達(dá)1.35T。它的退磁曲線和回復(fù)線并不重合,退磁曲線如圖18所示，所以這種材料在構(gòu)成電機(jī)磁路時(shí)必須事先對(duì)永磁體進(jìn)行穩(wěn)磁處理,人為地決定回復(fù)線的起始點(diǎn)的位置,使電機(jī)在規(guī)定或預(yù)期的狀態(tài)下運(yùn)行。鋁鎳鈷永磁電機(jī)一旦拆卸、維修之后再重新組裝時(shí),還必須進(jìn)行再次整體飽和充磁和穩(wěn)磁處理,否那么永磁體工作點(diǎn)將下降,磁性能大大下降。圖18 局部鋁鎳鈷的退磁曲線鐵氧體永磁材料回復(fù)線根本上與退磁曲線的直線局部重合,退磁曲線接近于直線，如圖19所示，可以不用提前進(jìn)行穩(wěn)磁處理。其矯頑力大,抗去磁能力強(qiáng),價(jià)格較低,但是剩磁密度不高,因而需要加大提供磁通的面積,使電機(jī)體積增大。圖19 局部鐵氧體的

19、退磁曲線稀土永磁材料都是高剩磁、高矯頑力、高磁能積的材料。其中稀土鈷永磁退磁曲線與回復(fù)線重合,稀土鈷的退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線如圖20所示，抗去磁能力強(qiáng),磁穩(wěn)定性好,適合制作各種高性能永磁電機(jī),但其價(jià)格昂貴。這種材料磁性很強(qiáng),磁極間的吸引力和排斥力均很大,因此在充磁后的運(yùn)輸和裝配中都要采取措施。釹鐵硼永磁材料是目前性能最高的永磁材料,而且由于釹在稀土中含量較高,所以其價(jià)格比稀土鈷永磁低。但由于其中含鐵和釹,所以容易銹蝕也是它的弱點(diǎn),所以要對(duì)其外表進(jìn)行涂層處理。釹鐵硼的溫度特性如圖21所示。圖20 YX-20和YXG-24永磁體在不同溫度下的退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線圖21 N33SH釹鐵硼永磁的溫度

20、特性常用的四種永磁材料的綜合比照方表3所示。表3 典型永磁材料的綜合比照性能鋁鎳鈷鐵氧體釤鈷稀土鈷釹鐵硼剩磁/T1.30.421.051.16矯頑力/(kA/m)60200780850退磁曲線形狀彎曲上部直線、下部彎曲直線直線高溫下彎曲剩磁溫度系數(shù)/(%/K)-0.02-0.18-0.03-0.12抗腐蝕性能強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)易氧化充磁安裝后充磁安裝前后充磁都有安裝后充磁安裝后充磁最高工作溫度/550200300150加工性能少量磨削、電火花加工特殊刀具切片和少量磨加工少量電火花加工加工性能好應(yīng)用場合儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高的地方性能和體積要求不高，價(jià)格要求低的場合高性能、高溫、高溫度穩(wěn)定性的場合高性能

21、、體積要求高、溫度不高的場合2.1.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)在第一大節(jié)中介紹了各種電機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)，電機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的性能有很大的影響。如電機(jī)的磁極形狀，尺寸轉(zhuǎn)子槽的開口長度都會(huì)對(duì)永磁電機(jī)的漏磁因數(shù)空載氣隙基波幅值、轉(zhuǎn)矩等產(chǎn)生影響。除此之外，電機(jī)的定子尺寸，氣隙長度等對(duì)電機(jī)的性能也有一定的影響。磁動(dòng)勢與氣隙長度、磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，氣隙的長度在一定程度上會(huì)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度有所影響，所以氣隙長度會(huì)影響電機(jī)磁動(dòng)勢進(jìn)而影響其負(fù)載能力。氣隙長度的選擇和鐵心的的利用程度有關(guān)，為了充分利用鐵心，應(yīng)最大程度的提高有效磁導(dǎo)和減小空氣氣隙長度。但是，由于生產(chǎn)工藝的要求不能太小，且的選擇和永磁體材料的選取有關(guān)。2.1.3 充

22、磁方式充磁方式對(duì)電機(jī)的磁性能有影響，具體表現(xiàn)在充磁方向和充磁長度兩方面。針對(duì)永磁體的外置和表貼兩種放置模式，永磁體的充磁方向也有所不同，有平行充磁、徑向充磁、Halbach三種方式，不同的充磁方式將會(huì)影響氣隙磁密的波形和峰值、磁場分布。而充磁長度也對(duì)氣隙磁密的波形和峰值、磁場分布有影響。1) 充磁方向以除轉(zhuǎn)子分別內(nèi)置和表貼不同之外，結(jié)構(gòu)尺寸和材料都相同的兩個(gè)電機(jī)為樣機(jī)，分別進(jìn)行不同充磁方向仿真，可以得到圖22和圖23的磁力分布圖。圖22 內(nèi)置式永磁電機(jī)3種充磁方式時(shí)磁力線分布圖22說明，針對(duì)內(nèi)置式永磁電機(jī)徑向充磁磁密從外向內(nèi)沿半徑逐漸增加，永磁體轉(zhuǎn)子軛部易發(fā)生磁飽和，漏磁最大；平行充磁磁密較均

23、勻，軛部磁路較寬松；Halbach磁體磁密最均勻，軛部磁路最寬松，漏磁最小。圖23 表貼式永磁電機(jī)3種充磁方式時(shí)磁力線分布圖23說明，針對(duì)表貼式永磁電機(jī)徑向充磁磁密從外向內(nèi)沿半徑逐漸增加，電樞轉(zhuǎn)子軛部易發(fā)生磁飽和，漏磁最大；平行充磁磁密從外到內(nèi)逐漸減??；Halbach磁體軛部磁路最寬松，漏磁最小。圖24為3種充磁方式下內(nèi)置式和表貼式永磁電機(jī)氣隙各次諧波分量大小，表4是不同充磁方式下一些參數(shù)比照。a內(nèi)置式永磁電機(jī)氣隙磁密諧波含量b表貼式永磁電機(jī)氣隙磁密諧波含量圖24 不同充磁方式下內(nèi)置式和表貼式永磁電機(jī)氣隙磁密諧波含量表4 不同充磁方式下內(nèi)置式和表貼式永磁電機(jī)氣隙磁密基波幅值和畸變率比照由上表可

24、知，內(nèi)置式永磁電機(jī)采用平行充磁時(shí)磁密幅值最大，表貼式永磁電機(jī)采用徑向充磁時(shí)磁密幅值最大，而Halbach磁體基波幅值最小。兩種電機(jī)中都是徑向充磁氣隙磁密波形畸變率最大，平行充磁次之，Halbach最小。綜上，表貼式永磁電機(jī)選擇徑向充磁方式能獲得較好的氣隙磁密波形和較高的磁密峰值，適合無刷直流電機(jī)；內(nèi)置式永磁電機(jī)選擇平行充磁既可以提高氣隙磁密正弦分布度又能得到較高的磁密峰值；而Halbach磁體的電機(jī)氣隙磁密波形畸變率最小，正弦分布程度高，適用于永磁同步電機(jī)。以上結(jié)論是選擇充磁方向的一般規(guī)律，具體充磁方向的選擇那么要根據(jù)實(shí)際情況決定。2) 充磁長度以下將以一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析充磁長度對(duì)永磁電機(jī)氣隙磁

25、密的波形和峰值、磁場分布的影響。實(shí)驗(yàn)中以內(nèi)置切向式電機(jī)為樣機(jī)得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：表5為永磁體充磁長度為16mm,18mm,20mm,22mm,23mm時(shí)的分析結(jié)果。表5 永磁體不同充磁長度分析結(jié)果充磁長度/mm漏磁因數(shù)氣隙磁密基波幅值/T空載氣隙磁密波形畸變率/%161.100.857732.12181.100.875332.98201.140.884132.38221.210.883730.39231.240.880429.10由上表的結(jié)果可知，電機(jī)氣隙磁密的波形和峰值、磁場分布會(huì)隨著永磁體充磁長度的變化而變化，所以在選擇充磁長度時(shí)應(yīng)本著漏磁因數(shù)盡量小、氣隙磁密基波幅值盡量大、畸變率盡量小的原

26、那么選取。3. 仿真分析這局部留給學(xué)弟仿真三、 磁極與電機(jī)性能1. 電機(jī)磁場與電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行1.1 影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行的原因永磁電機(jī)的鐵心損耗和感應(yīng)電勢等電磁參數(shù)在很大程度上取決于氣隙中的磁通密度分布,因此氣隙磁通密度波形的優(yōu)劣直接影響電機(jī)的性能。永步電機(jī)的理想運(yùn)行是正弦變化的定子電流與正弦分布的氣隙磁場相互作用產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)于永磁電機(jī),空載氣隙磁場并非理想的正弦波,其中含有幅值較大的空間諧波,使得鐵心損耗增大,降低了電機(jī)的效率;另外諧波磁場在定子繞組中產(chǎn)生諧波電動(dòng)勢和諧波電流,并使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和振動(dòng)噪聲增加。因此，幾乎所有永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)都是盡量保證電機(jī)的繞組分布均勻，定、轉(zhuǎn)子等

27、所有部件在在結(jié)構(gòu)上的均勻性，然而，在實(shí)際情況下并無法保證結(jié)構(gòu)上的絕對(duì)均勻性，因此需要尋求一些方法以解決結(jié)構(gòu)不均勻?qū)е碌闹C波問題。1.2 常用解決方法方法一：磁極形狀的三段圓弧結(jié)構(gòu)優(yōu)化1) 電機(jī)結(jié)構(gòu)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖25所示。圖25 自起動(dòng)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)子磁路釆用V型結(jié)構(gòu),均勻氣隙,籠型轉(zhuǎn)子釆用鑄鍋材料具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表6所示。表6 起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)的主耍參數(shù)2) 磁場分析用ANSYS軟件中對(duì)電機(jī)所示模型進(jìn)行磁場分析,由此得到原模型即采用均勻氣隙時(shí)磁力線分布以及空載氣隙磁密波形，如圖26和圖27所示。圖26 電機(jī)空載磁力線分布圖圖27 空載氣隙磁密波形對(duì)得到的空載氣隙磁密波形進(jìn)行諧波分析,可得氣隙磁密的基波和各次諧波幅值,如圖28所示。均勻氣隙永磁電機(jī)的氣隙磁場中含有大量的諧波,諧波含量高達(dá)28.67%,這會(huì)導(dǎo)致諧波電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲以及鐵心損耗的增大。根據(jù)分析可知，電機(jī)氣隙磁密諧波含量很大,不利于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,故需對(duì)氣隙磁密波形進(jìn)行優(yōu)化,使其接近正弦性,提高電機(jī)的運(yùn)行效率。圖28 均勻氣隙永磁電機(jī)氣隙磁密諧波分析3) 磁極形狀優(yōu)化為了改善隙磁密波形,永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)的三段圓弧設(shè)計(jì)如圖29所示,為了清晰的表示磁極形狀發(fā)生