磁性材料及電機(jī)

磁性材料及電機(jī)主要內(nèi)容內(nèi)容安排磁性材料直流電機(jī)電磁感應(yīng)原理直流電機(jī)原理直流電機(jī)結(jié)構(gòu)無刷直流電流電機(jī)內(nèi)容安排永磁材料直流電機(jī)基礎(chǔ)交流電機(jī)基礎(chǔ)汽車工業(yè)中的永磁電機(jī)永磁材料在發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用內(nèi)容安排永磁材料直流電機(jī)基礎(chǔ)交流電機(jī)基礎(chǔ)汽車工業(yè)中的永磁電機(jī)永磁材料在發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用磁性材料的分類1。按物理性質(zhì)分類

a）.靜磁特性：永磁；軟磁；矩磁；磁記錄（介質(zhì)、磁頭）

b）.交叉耦合效應(yīng)：磁光；磁熱；磁致收縮；旋磁；吸波；反?；魻栃?yīng)；鐵電/鐵磁；GMIc）.與自旋相關(guān)的輸運(yùn)性質(zhì)：自旋電子學(xué)材料2。按化學(xué)組成分類金屬（合金）；無機(jī)（氧化物）；有機(jī)化合物3。按維度分類納米（零維；一維；二維）；微晶；非晶；塊體4。按磁結(jié)構(gòu)分類：鐵磁；亞鐵磁；反鐵磁；超順磁5。按應(yīng)用分類：。。。隱身；磁制冷；磁傳感器；MEMS。。。當(dāng)前常用的重要硬磁材料主要有:稀土永磁材料，這是當(dāng)前磁能積最高的一大類永磁材料，以稀土族元素和鐵族元素為主要成分的金屬互化物（又稱金屬間化物）。我國研制和生產(chǎn)的釹鐵硼稀土合金就是永磁材料。金屬永磁材料。這是一大類發(fā)展和應(yīng)用都較早的以鐵和鐵族元素（如鎳，鈷等）為為重要組元的合金型永磁材料，主要有鋁鎳鈷（AlNiCo）系和鐵鉻鈷（FeCrCo）系兩大類永磁合金。鋁鎳鈷系合金永磁性能和成本屬于中等，發(fā)展較早，性能隨化學(xué)成分和制造工藝而變化的范圍較寬，故應(yīng)用范圍也較廣。當(dāng)前常用的軟磁材料主要有：鐵—硅系軟磁材料，常稱硅剛片，是電機(jī)工業(yè)廣泛使用的磁性材料。Globalmarketformagneticmaterialsthetotalwasabout30b$.全球市場：300億美元稀土永磁稀土永磁稀土—鐵永磁材料是指以稀土與鐵形成的金屬間化合物為基體的永磁材料。若按化學(xué)組成，稀土—鐵永磁材料可分為：1)RE2Fe14B(簡稱2：14：l型)化合物永磁材料；2)ThMn12型，如Nd(Fe，M)12化合物永磁材料；3)間隙型稀土鐵化合物，如Sm2Fel7Nx、Nd(Fe，M)12Nx、Nd3(Fe，M)29Nx等氮化物永磁材料；4)雙相納米晶復(fù)合交換耦合永磁材料，如Nd2Fe14B/α-Fe、Pr2Fe14B/α-Fe、Sm2Fe17Nx/α-Fe永磁材料等。稀土永磁Nd2Fe14B系（簡稱NdFeB）永磁材料已在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，在永磁材料中占有重要的地位。其他稀土-鐵永磁材料還處于發(fā)展階段，離實(shí)用化還有相當(dāng)一段距離。NdFeB永磁材料(包括燒結(jié)和粘結(jié)永磁材料)的磁性能高，相對(duì)價(jià)格較低，因而得到廣泛應(yīng)用，平均年增長率高達(dá)20％一30％。Fe-Cr-Co、Fe-Ni-Cu和Pt基永磁材料由于原材料價(jià)格高，或加工費(fèi)用高，一直未能成為主流永磁材料。Mn-Al-C永磁材料則未到成熟期就開始萎縮。制造工藝燒結(jié)永磁材料粘結(jié)水磁材料熱變形水磁永磁材料主要性能個(gè)參數(shù)①剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br在永磁材料飽和充磁的情況下，去掉外部磁化場后，永磁材料本身具有的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，也就是退磁曲線上磁場強(qiáng)度H為零時(shí)相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，磁體對(duì)外提供的磁場強(qiáng)度越強(qiáng)。②矯頑力Hc永磁材料飽和充磁后，使磁體剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度降到零時(shí)的外加反向磁場的磁場強(qiáng)度值，也就是退磁曲線上磁感應(yīng)強(qiáng)度盡為零時(shí)相應(yīng)的磁場強(qiáng)度值，稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力，簡稱矯頑力。永磁體的矯頑力代表了它抗外磁場干擾的能力，矯頑力越高，抗外磁場干擾的能力就越強(qiáng)。永磁材料主要性能個(gè)參數(shù)③磁能積(B·H)和最大磁能積(B·H)max退磁曲線上任一點(diǎn)的磁通密度與磁場強(qiáng)度的乘積稱為磁能積，它的大小與該永磁體在給定工作狀態(tài)下所具有的磁能密度成正比，磁能積的單位是J/m3，表示單位體積的永磁體能向外磁路提供的磁場能量。永磁體的最大磁能積決定于三個(gè)因素:剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度盡、矯頑力從、和退磁曲線在第二象限向外突出的程度(稱為永磁體的形狀系數(shù))。在獲得相同磁場能量的條件下，永磁體的最大磁能積越大，永磁體的體積就越小，所以在發(fā)電機(jī)中使用的永磁體的最大磁能積越大越好。④居里溫度Tc隨著溫度的升高，永磁體的磁性能逐步降低，當(dāng)溫度升至某一點(diǎn)時(shí)，磁化強(qiáng)度消失，此時(shí)的溫度稱為該永磁材料的居里溫度Tc，又稱居里點(diǎn)。

永磁材料基本磁性1。飽和磁化強(qiáng)度Ms，Tc

:組成，磁結(jié)構(gòu)2。剩磁Br：取向，密度

Br=

opMsf

.p-孔隙率；f－取向度

f=1/2–各向同性

f＝1－各向異性，理想取向。3。矯頑力Hc

：晶體結(jié)構(gòu)，K，顯微結(jié)構(gòu)單疇：磁晶各向異性：Hc

～K/

oMs,BHc

Br

oMs

形狀各向異性：Hc

～NMs4。磁能積（BH)m

（BH)m（理論）＝

oMs2/4

第一，二代稀土永磁

(1967—1975)第三代稀土永磁

(1983)第一代SmCo5(60年代）；第二代Sm2Co17(70年代）；第三代

Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？第一代第二代第三代第四代稀土永磁SmCo5Sm2Co17Nd2Fe14B

?晶體結(jié)構(gòu)CaCu5型六角晶系六角或菱方結(jié)構(gòu)四方晶系低對(duì)稱晶系Js(T)＝

oMs1.141.251.6

1.8Tc(oC)727920320>300HA(T)25-446.57

7(BH)m(kJ/m3)200(259)*250(310)462(512)

600*(--)(BH)m理論值。SmFeN;SmFeC；1:12;3:29;納米復(fù)合稀土永磁（BH)m(理論）

>800（kJ/m3)，1988年－？？工藝：速凝；氫爆；雙合金永磁材料的比較稀土永磁薄膜MEMS；傳感器等應(yīng)用中要求微米級(jí)膜厚的永磁薄膜。薄膜永磁材料：永磁鐵氧體；MnBi;MnAlC;R-Co;

NdFeB;Pt-Co/Fe----通常采用磁控濺射;激光沉積等工藝制備。

SmCo5~160kJ/m3;

Sm2Co17~136kJ/m3；

NdFeB

～240kJ/m3；（Pt/Fe）n~320kJ/m3NdFeB直流電機(jī)磁通量B

B

2.由B=/S，可知：磁感應(yīng)強(qiáng)度B等于穿過單位面積的磁通量，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度又叫磁通密度.(討論引起其變化的因素)

3.磁通量Φ是標(biāo)量，但有方向，為了計(jì)算方便，有時(shí)可規(guī)定進(jìn)該面或出該面為正，疊加時(shí)遵循代數(shù)和法則，即要考慮到相反磁場抵消后的磁通量(即凈磁通量).

4.磁通量的單位：韋(Wb).則有：1T=1Wb/m２=1N/Am=1Vs/m２.

5.磁通量Φ、磁通量的變化量△Φ、磁通量的變化率△Φ/△t的區(qū)別.

磁通量是指穿插過某一回路的磁感線的條數(shù)；磁通量的變化量是說明磁通量改變了多少，但不能說明磁通量改變的快慢，值得注意的是當(dāng)一個(gè)回路平面翻轉(zhuǎn)180°時(shí)，磁通量的大小變不變暫且不論，但方向由正變負(fù)或由負(fù)變正，而磁通量的變化量為△Φ=Φ2-Φ1；

磁通量變化率△Φ/△t是指磁通量變化快慢的物理量，決定了該回路的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，再結(jié)合該回路電阻可決定該電路的感應(yīng)電流的大小.磁通量單位：wb磁通量的變化量單位：wb磁通量的變化率單位：wb/s定義穿過某一面積的磁感線的條數(shù)兩個(gè)不同時(shí)刻磁通量的差值磁通量變化的快慢符號(hào)表示φΔφΔφ/Δt計(jì)算公式Φ=BSSINθ(θ是B與S所成的夾角)Δφ=φ2-φ1(φ2-φ1)/(t2-t1)物理意義Δφ是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的條件。Δφ/Δt決定了感應(yīng)電動(dòng)勢的大小比較磁通量、磁通量的變化量、磁通量的變化率。二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象——感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件

1.利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為感應(yīng)電動(dòng)勢，所產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流.2.產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：①閉合電路；②穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化；閉合電路的一部分做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化1.2.8電磁感應(yīng)定律eBvev1.2.7載流導(dǎo)體在磁場中的安培力電磁定律Bfi左手定則：載流導(dǎo)體在磁場中受到的電磁力。4.5.2帶電粒子在均勻磁場中的運(yùn)動(dòng)直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)風(fēng)扇機(jī)座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵(lì)磁繞組端蓋直流電動(dòng)機(jī)

圖1.5小型直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖

1—換向器；2—電刷裝置；3—機(jī)座；4—主磁極；

5—換向極；6—端蓋；7—風(fēng)扇；8—電樞繞組；9—電樞鐵心1.1定子轉(zhuǎn)子

（固定部分）（轉(zhuǎn)動(dòng)部分）主磁極換向極機(jī)座端蓋軸承電刷裝置產(chǎn)生磁場、電機(jī)的機(jī)械支撐電樞鐵心電樞繞組換向器軸風(fēng)扇感應(yīng)電勢，而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分

一、定子部分

直流電機(jī)定子部分主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。圖1.6直流電機(jī)的主磁極

1—主極鐵心；2—?jiǎng)?lì)磁繞組；3—機(jī)座；4—電樞二、轉(zhuǎn)子部分直流電機(jī)轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。

圖1.7直流電機(jī)的電樞1—轉(zhuǎn)軸；2—軸承；3—換向器；4—電樞鐵心；5—電樞繞組；6—風(fēng)扇；7—軸承

1.2直流電機(jī)的磁路電樞鐵心

由0．5mm厚的硅鋼片疊裝而成，用作磁路及嵌放電樞繞組。鐵芯外緣均勻沖有槽和齒。電樞繞組元件嵌入槽中，用槽楔固定。1.2直流電機(jī)的磁路電樞鐵心由0．5mm厚的硅鋼片疊裝而成，用作磁路及嵌放電樞繞組。鐵芯外緣均勻沖有槽和齒。電樞繞組元件嵌入槽中，用槽楔固定。1.2直流電機(jī)的磁路磁極鐵心由l-1.5mm厚的鋼片疊成，與勵(lì)磁線圈一起固定在磁軛上極靴表面沿圓周的長度稱為極弧，二個(gè)相鄰磁極上沿空氣隙圓周表面的距離稱為極距，極弧與極距比為極弧系數(shù)，約0.6—0.7極靴極靴較磁極極芯向外引伸，使空氣隙中的磁通密度沿圓周變化時(shí)較為緩漸而均勻，有利于固定勵(lì)磁線圈由于齒槽效應(yīng)，表面磁通變化引起渦流損耗，極靴由疊片制成磁軛在磁極外圍將磁路閉合的部分，磁軛和底座相連其中磁通不變（當(dāng)直流勵(lì)磁電流不變時(shí)），由鑄剛構(gòu)成換向極磁路換向極，是位于兩個(gè)主磁極之間的小磁極，用于改善換向。換向極常用整塊鋼或厚鋼板制成換向極的數(shù)目一般與主磁極相等。在小功率直流電機(jī)中，換向極數(shù)量通常只有主磁極的一半，或不設(shè)置換向極1.3直流電機(jī)的電路勵(lì)磁繞組 套在磁極鐵芯上。 并勵(lì)繞組——和電樞繞組并聯(lián)，匝數(shù)較多、截面積較小 串勵(lì)繞組——和電樞繞組串聯(lián)，匝數(shù)較少，截面積較大

從電阻和能量消耗的角度考慮電樞繞組 嵌在電樞鐵芯槽中 疊繞組和波繞組換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，激勵(lì)換向極磁通。

換向器 將電樞繞組內(nèi)部的交流電勢用機(jī)械換接的方法轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電勢。1.4電刷裝置電樞電流能經(jīng)旋轉(zhuǎn)的換向器（隨轉(zhuǎn)子）通過靜止的電刷（固定在定子上）接通外電路1.將轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路相連2.與換向器配合作用而獲得直流電壓電刷組數(shù)一般等于電機(jī)極對(duì)數(shù)

1.5直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)勵(lì)磁方式，即勵(lì)磁繞組與電樞繞組的連接方式，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行特性有大的影響他勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁由另外獨(dú)立的直流電源供給，與電樞繞組不相連接自勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁繞組與電樞繞組相連接，勵(lì)磁電流由發(fā)電機(jī)本身供給

自勵(lì)的形式勵(lì)磁回路的功率占總功率的1-5%。二、直流電機(jī)電樞繞組作用：電樞繞組——功率繞組。當(dāng)電樞繞組在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)將感應(yīng)電勢，當(dāng)電樞繞組中流通電流時(shí)，電流和氣隙磁場相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電樞繞組直流電機(jī)進(jìn)行電功率和機(jī)械功率的轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：直流繞組是閉合繞組。每個(gè)元件的兩端點(diǎn)分別連接在兩換向片上，每個(gè)換向片連接兩個(gè)元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。用環(huán)型繞組說明直流繞組的閉合情況電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，各線圈依次通過電刷作為引出端

2.1雙層繞組線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中：兩邊都能切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。兩邊電勢相加：線圈的兩邊必須處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個(gè)極距。線圈對(duì)稱排列：當(dāng)一線圈的一個(gè)邊在某槽中占有上層位置時(shí)，則該線圈的另一邊必須放在另一槽下層。虛槽概念在大型電機(jī)中、每層可能有N個(gè)并列圈邊 為了改善電機(jī)的性能，用更多的元件組成電樞繞組。但電樞鐵心不能開太多的槽，采用在每槽的上下層各放置若干元件邊。每層有3個(gè)圈邊實(shí)槽虛槽每一元件有兩個(gè)圈邊，每一換向片上接有兩個(gè)圈邊，每一虛槽內(nèi)放置有兩個(gè)圈邊，元件數(shù)S等于換向片數(shù)K，也等于虛槽數(shù)

每線圈有Nc匝，則總導(dǎo)體數(shù)N直流電機(jī)原理圖1.1

直流發(fā)電機(jī)原理模型

在圖1.1所示瞬間，導(dǎo)體ab、cd的感應(yīng)電動(dòng)勢方向分別由b指向a和由d指向c。這時(shí)電刷A呈正極性,電刷B呈負(fù)極性。

當(dāng)線圈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，這時(shí)導(dǎo)體cd位于N極下，導(dǎo)體ab位于S極下，各導(dǎo)體中電動(dòng)勢都分別改變了方向。圖1.2

直流發(fā)電機(jī)原理模型

從圖看出，和電刷A接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于N極下，同樣，和電刷B接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于S極下。因此，電刷A始終有正極性，電刷B始終有負(fù)極性，所以電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動(dòng)勢。如果電樞上線圈數(shù)增多，并按照一定的規(guī)律把它們連接起來，可使脈振程度減小，就可獲得直流電動(dòng)勢。這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。

二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。圖1.3直流電動(dòng)機(jī)的原理模型

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了180°后，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷A流入，經(jīng)導(dǎo)體cd

、ab

后，從電刷B流出。這時(shí)導(dǎo)體cd

受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab

受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向。圖1.4

直流電動(dòng)機(jī)原理模型

因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體

ab和cd

流入，使線圈邊只要處于N

極下，其中通過電流的方向總是由電刷A

流入的方向，而在S

極下時(shí)，總是從電刷

B流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。直流電機(jī)原理3.1.2基本工作原理1、直流發(fā)電機(jī)的工作原理電刷換向片直流發(fā)電機(jī)原理直流電機(jī)原理圖1.1.1直流電動(dòng)機(jī)物理模型

圖1.1.2直流發(fā)電機(jī)物理模型稀土永磁電機(jī)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高能量轉(zhuǎn)換效率高,電能消耗少低速性能好,調(diào)整率小環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)功率密度高延長蓄電池使用壽命無刷直流電機(jī)電動(dòng)自行車所用的無刷直流電機(jī)有刷直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn):低噪聲高效率無勵(lì)磁需要易維護(hù)壽命長控制結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用:航模醫(yī)療器械家用電器電動(dòng)車

計(jì)算機(jī)電子儀器自動(dòng)化辦公設(shè)備

有刷直流電機(jī)發(fā)展基礎(chǔ)稀土永磁材料迅速發(fā)展：矯頑力高、抗去磁能力強(qiáng)，且常規(guī)去磁曲線在大范圍線性可逆等?，F(xiàn)代電力電子器件工藝日臻成熟：出現(xiàn)了功率晶體管(GTR)