永磁材料的应用讲议 完全.pdf
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1、第一讲 永磁材料及其应用 第一讲 永磁材料及其应用 永磁电机的结构特点之一就是磁极由永磁材料组成。永磁电机的结构特点之一就是磁极由永磁材料组成。永磁材料磁性能的优劣,将直接影响永磁电机的磁路尺寸、电机体积及其功能指标和运行特性。永磁材料磁性能的优劣,将直接影响永磁电机的磁路尺寸、电机体积及其功能指标和运行特性。一、磁化曲线 一、磁化曲线 在非铁磁材料中,磁通密度在非铁磁材料中,磁通密度 B 与磁场强度与磁场强度 H 成正比,即 成正比,即 B=0 H (1-1)(1-1)式中,式中,0 真空磁导率。真空磁导率。0 =4 10-7 Hm 亨米亨米 B与与H呈线性关系呈线性关系。铁磁材料的磁通密度
2、(即磁感应强度)铁磁材料的磁通密度(即磁感应强度)B 与磁场强度与磁场强度 H 呈非线性关系,呈非线性关系,即即 B=f(H)是一条曲线,称)是一条曲线,称磁化曲线磁化曲线,如下图所示。,如下图所示。铁磁材料的磁化曲线可以通过试验测得。铁磁材料的磁化曲线可以通过试验测得。试验可见,将一块尚未磁化的铁磁 试验可见,将一块尚未磁化的铁磁 材料进行磁化,材料进行磁化,H 由零上升到某一最大 由零上升到某一最大 值值Hm时,时,B值是沿着磁化曲线值是沿着磁化曲线 0 a上 上 升至升至a点,对应的磁通密度最大值为点,对应的磁通密度最大值为BBm。如右图所示。如右图所示。曲线曲线 0 a称为称为起始磁化
3、曲线起始磁化曲线。当当H由由Hm下降到零时,下降到零时,B并不点是沿着 并不点是沿着 a0 下降,而是沿着另一条下降,而是沿着另一条 abcd 线下降。当线下降。当 H由零变化到由零变化到Hm(即由(即由b点变化到点变化到d点)时,点)时,即进行即进行反向磁化反向磁化时,时,B 沿着曲线沿着曲线 bcd 变化。变化。当当H由由Hm回升到回升到Hm时,时,B沿着曲线 沿着曲线 defa 变化。变化。如此,将铁磁材料磁化一个循环,得到 如此,将铁磁材料磁化一个循环,得到 一个闭合回线一个闭合回线 abcdefa,称为铁磁材料的,称为铁磁材料的 磁滞回线磁滞回线。不同的铁磁材料有不同的磁滞回线。不同
4、的铁磁材料有不同的磁滞回线。由右图可见,由右图可见,B 的变化滞后于的变化滞后于 H 的变化。的变化。当当 H 下降为零时,下降为零时,B 值不为零而为某一 值不为零而为某一 数值数值BBr,这种现象称,这种现象称磁滞性磁滞性,BrB称作称作剩余磁 剩余磁 感应强度感应强度(即(即剩磁磁密剩磁磁密),单位为),单位为 T(特斯拉(特斯拉)。要使要使B值由值由BBr减至减至 0 值,必须加上一个 值,必须加上一个 相应的反向外磁场,该反向磁场强度称为相应的反向外磁场,该反向磁场强度称为矫顽力矫顽力,以,以Hc表示,单位为表示,单位为A/m(安/米)(安/米),如,如 右图中右图中c c点所示。点
5、所示。BBr和和Hc是铁磁材料的两个重要参数。是铁磁材料的两个重要参数。永磁材料对于同一铁磁材料,以不同的磁场强度对于同一铁磁材料,以不同的磁场强度Hm分别进行多次反复磁化,可得到多个大小不等 分别进行多次反复磁化,可得到多个大小不等 的磁滞回线,如右图所示。的磁滞回线,如右图所示。将各磁滞回线的顶点连接起来,所得的一条 将各磁滞回线的顶点连接起来,所得的一条 曲线称为曲线称为基本磁化曲线基本磁化曲线或称或称平均磁化曲线平均磁化曲线。基本磁化曲线基本磁化曲线 与 与 起始磁化曲线起始磁化曲线 不是同一条 不是同一条曲线,但二者差别不大。曲线,但二者差别不大。直流磁路计算时所用的磁化曲线都是直流
6、磁路计算时所用的磁化曲线都是基本 基本 磁化曲线磁化曲线。在交流磁路中,由于励磁电流是交流,因此 在交流磁路中,由于励磁电流是交流,因此 磁路中的磁势与磁通均随时间而交变。但是,在 磁路中的磁势与磁通均随时间而交变。但是,在 每一瞬时仍与直流磁路一样。就瞬时值而言,每一瞬时仍与直流磁路一样。就瞬时值而言,通常可使用相同的通常可使用相同的基本磁化曲线基本磁化曲线。二、永磁材料的去二、永磁材料的去(退)(退)磁曲线和主要参数 磁曲线和主要参数 1永磁材料的去永磁材料的去(退)(退)磁曲线 磁曲线 右图中,在第二象限的右图中,在第二象限的bcbc段称为段称为去磁曲线去磁曲线。它表示永磁材料被完全磁化
7、后无外励磁时的 它表示永磁材料被完全磁化后无外励磁时的 BH 关系。关系。永磁材料在一般的应用中无外励磁,故永磁材料在一般的应用中无外励磁,故去磁 去磁 曲线曲线是表示永磁材料特性的主要特性曲线。是表示永磁材料特性的主要特性曲线。永磁材料由于去由于去(退)(退)磁曲线中,永磁体的磁通密度 磁曲线中,永磁体的磁通密度(即磁感应强度)(即磁感应强度)BBm为正值,磁场强度为负值,两为正值,磁场强度为负值,两 者方向相反,磁通经过永磁体时,沿磁通方向的者方向相反,磁通经过永磁体时,沿磁通方向的 磁位差不是降落而是升高,即永磁体是个磁源 磁位差不是降落而是升高,即永磁体是个磁源(类似电路中的电源)(类
8、似电路中的电源)。同时可见:作用于永磁体的是一个退磁性 同时可见:作用于永磁体的是一个退磁性 质的磁场强度,磁场强度的绝对值|质的磁场强度,磁场强度的绝对值|H|越大,磁感应强度|越大,磁感应强度 B 就越小。就越小。为表述方便,通常取为表述方便,通常取 H 的绝对值,把的绝对值,把 H 轴的正方向改变,即负轴改为正轴。轴的正方向改变,即负轴改为正轴。2内禀去内禀去(退)(退)磁曲线 磁曲线(一)内禀磁感应强度内禀磁感应强度BBi (又称 (又称磁极化强度磁极化强度J)永磁材料在外磁场作用下被磁化后产生的内在磁感应强度,称内 永磁材料在外磁场作用下被磁化后产生的内在磁感应强度,称内 禀磁感应强
9、度禀磁感应强度BBi,又称磁极化强度,又称磁极化强度J。J=0 M (1-2)(1-2)式中,式中,M 磁化强度,磁化强度,Am 在磁性材料中 在磁性材料中 B=0 M 0 H (1-3)(1-3)在均匀的磁性材料中在均匀的磁性材料中,式(1-3)式(1-3)的矢量和可写成代数和的矢量和可写成代数和 B=0 M 0 H (1-4)(1-4)永磁材料 BBi=0 M=B 0 H (1-5)(1-5)若退磁曲线中磁场强度若退磁曲线中磁场强度 H 取绝对值,则取绝对值,则式(1-5)式(1-5)可写成可写成 BBi=B 0 H (1-6)(1-6)(二)内禀退磁曲线内禀退磁曲线 (又称 (又称内禀曲
10、线内禀曲线)描述内禀磁感应强度描述内禀磁感应强度BBi(J)与磁场强度)与磁场强度H关系的曲线关系的曲线BiB=f(H)是表征永磁材料内在磁性能的曲线,称为是表征永磁材料内在磁性能的曲线,称为内禀退磁曲线内禀退磁曲线,简称,简称内禀 内禀 曲线曲线。内禀退磁曲线及与退磁曲线的关系内禀退磁曲线及与退磁曲线的关系 内禀退磁曲线上磁极化强度 内禀退磁曲线上磁极化强度 J 为零时,相应的磁场强度值称为 为零时,相应的磁场强度值称为 内禀矫顽力内禀矫顽力HcJ(单位:单位:Am)。)。内禀矫顽力内禀矫顽力HcJ的值反映永磁材料抗去磁能力的大小,是表征稀土永 的值反映永磁材料抗去磁能力的大小,是表征稀土永
11、 磁抗去磁能力强弱的一个重要参数。磁抗去磁能力强弱的一个重要参数。内禀退磁曲线的矩形度 内禀退磁曲线的矩形度 HKHcJ越大,磁性能越稳定。越大,磁性能越稳定。HK(单位:单位:Am)为内禀退磁)为内禀退磁 曲线上当曲线上当BBi=0.9BrB时所对应退磁 时所对应退磁 磁场强度值。磁场强度值。HK应为稀土永磁材料必测参数之一。应为稀土永磁材料必测参数之一。3永磁材料的主要参数 永磁材料的主要参数 永磁材料磁滞回线的形状和特征,可用若干参数来表示。永磁材料磁滞回线的形状和特征,可用若干参数来表示。在工程应用中,就是根据这些参数在数量上的差异进行分类,并决定 在工程应用中,就是根据这些参数在数量
12、上的差异进行分类,并决定 他们的用途,它们也是永磁磁路设计中的主要依据。他们的用途,它们也是永磁磁路设计中的主要依据。饱和磁场强度 饱和磁场强度 Hm 剩余磁感应强度 剩余磁感应强度BBr和矫顽力和矫顽力Hc 磁导率和回复曲线 磁导率和回复曲线 磁能积和最大磁能积 磁能积和最大磁能积 (一)饱和磁场强度(一)饱和磁场强度 Hm在磁钢磁化过程中,使其磁感应强度在磁钢磁化过程中,使其磁感应强度 B 达到饱和值达到饱和值BBm 的磁场强度称为的磁场强度称为饱和磁场强 饱和磁场强 度度Hm 。应当特别指出,磁钢充磁时应完全磁化,即充磁磁场强度应当特别指出,磁钢充磁时应完全磁化,即充磁磁场强度H 应达到
13、应达到Hm 值,才能得到最大可能磁化的去磁曲线。这样的去磁曲线最稳定,显示出该材料的最值,才能得到最大可能磁化的去磁曲线。这样的去磁曲线最稳定,显示出该材料的最优磁性能。优磁性能。若充磁磁场强度若充磁磁场强度H 值低于值低于Hm ,则将有不同形状的磁滞曲线。它们的去磁曲线,显得不够稳定,磁钢所表示出的磁性能也低,因而不能充分利用该磁性材料。,则将有不同形状的磁滞曲线。它们的去磁曲线,显得不够稳定,磁钢所表示出的磁性能也低,因而不能充分利用该磁性材料。由此可见,在制造永磁电机时,应知道所用磁性材料的由此可见,在制造永磁电机时,应知道所用磁性材料的Hm 值,在充磁过程中务必达到甚至超过它。值,在充
14、磁过程中务必达到甚至超过它。(二)剩余磁感应强度(二)剩余磁感应强度BBr和矫顽力和矫顽力Hc (1 1)剩余磁感应强度)剩余磁感应强度BBr 磁滞回线与纵坐标的交点,即去磁曲线 磁滞回线与纵坐标的交点,即去磁曲线 的起始点的起始点 b 点的点的 B 值,叫做值,叫做剩余磁感应强度剩余磁感应强度,用用BBr 来表示。来表示。它是永久磁钢两端磁路的磁阻可以忽略 它是永久磁钢两端磁路的磁阻可以忽略 的条件下充磁后,外加磁场消失,并在理想 的条件下充磁后,外加磁场消失,并在理想 短路条件下存在于磁钢中的磁感应强度值。短路条件下存在于磁钢中的磁感应强度值。(2 2)剩余磁感应强度)剩余磁感应强度BBr
15、在负向外加磁场的作用下,磁钢中的磁感 在负向外加磁场的作用下,磁钢中的磁感 应强度应强度 B 随着去磁磁场增大而减小。使磁钢 随着去磁磁场增大而减小。使磁钢 中的磁感应强度中的磁感应强度 B 达到零所需的去磁磁场强度,达到零所需的去磁磁场强度,成为成为磁感应矫顽力磁感应矫顽力Hc(简称矫顽力)(简称矫顽力),如图中,如图中 的的 c 点。点。(三)磁导率和回复曲线(三)磁导率和回复曲线 (1)磁导率)磁导率 起始磁化曲线和磁滞回线上的任意一点的斜率,即任意一点上的 起始磁化曲线和磁滞回线上的任意一点的斜率,即任意一点上的 B 和和 H 的增量之比,叫做的增量之比,叫做磁导率磁导率。它随运行点的
16、不同而变化。它随运行点的不同而变化。软磁材料的磁导率很大,而永磁材料的磁导率很小。软磁材料的磁导率很大,而永磁材料的磁导率很小。注:软磁材料 和 硬磁(永磁)材料 注:软磁材料 和 硬磁(永磁)材料 按照磁滞回线形状的不同,铁磁材料可分软磁材料和 按照磁滞回线形状的不同,铁磁材料可分软磁材料和 硬磁(永磁)材料两大类。硬磁(永磁)材料两大类。(a)软磁材料 (b)硬磁材料 软磁材料和硬磁材料的磁滞回线 软磁材料 软磁材料 软磁材料的磁滞回线窄、剩磁软磁材料的磁滞回线窄、剩磁BBr和矫顽力和矫顽力Hc都小,都小,如上图所示。如上图所示。由于软磁材料的磁导率较高,适用于制造电机和变压器 由于软磁材
17、料的磁导率较高,适用于制造电机和变压器 的铁心。的铁心。常用的软磁材料有铸铁、电工用热轧硅钢薄板 常用的软磁材料有铸铁、电工用热轧硅钢薄板(GB5212-85)、冷轧电工钢带(片)(GB2521-88)、家用电(GB5212-85)、冷轧电工钢带(片)(GB2521-88)、家用电 器用热轧硅钢薄钢板、软磁合金带、电工用纯铁棒等。器用热轧硅钢薄钢板、软磁合金带、电工用纯铁棒等。硬磁(永磁)材料 硬磁(永磁)材料 硬磁(永磁)材料的磁滞回线宽、剩磁硬磁(永磁)材料的磁滞回线宽、剩磁BBr和矫顽力和矫顽力Hc都大,如上图所示。都大,如上图所示。由于剩磁由于剩磁BBr大,硬磁材料可用以制作永久磁铁,
18、故亦 大,硬磁材料可用以制作永久磁铁,故亦 称永磁材料。称永磁材料。通常,剩磁通常,剩磁BBr、矫顽力、矫顽力Hc和磁能积(和磁能积(BH)max是表征 是表征 永磁材料磁性能的三项指标。永磁材料磁性能的三项指标。硬磁(永磁)材料有磁滞合金冷轧带(硬磁(永磁)材料有磁滞合金冷轧带(GBn171-82)、)、铁钴钒永磁合金(铁钴钒永磁合金(GBn172-82)、铁钴钼磁滞合金热轧棒材)、铁钴钼磁滞合金热轧棒材(GBn173-82)、铸造铝镍钴和粉末烧结铝镍钴永磁合金)、铸造铝镍钴和粉末烧结铝镍钴永磁合金(GB4753-84)、烧结和粘结永磁铁氧体材料)、烧结和粘结永磁铁氧体材料(SJ/T1041
19、0-93)等。)等。此外,作为在电机中使用的硬磁材料还有稀土永磁材 此外,作为在电机中使用的硬磁材料还有稀土永磁材 料,如钐钴、钐镨钴、钕铁硼、稀土钴等。料,如钐钴、钐镨钴、钕铁硼、稀土钴等。一般说来,剩余磁感应强调一般说来,剩余磁感应强调BBr与矫顽力与矫顽力Hc 之比愈小,磁导率就 之比愈小,磁导率就 愈小。愈小。对于永磁体,通常所关心的是对于永磁体,通常所关心的是起始磁导率起始磁导率、最大磁导率最大磁导率和和 可逆磁导率可逆磁导率这三个物理量。这三个物理量。(2)回复线)回复线 永磁电机永磁电机运行时作用于永磁体的 永磁电机永磁电机运行时作用于永磁体的 退磁磁场强度是反复变化的。当对已充
20、磁的永 退磁磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永 磁体施加退磁磁场强度时,磁感应强度沿右图 磁体施加退磁磁场强度时,磁感应强度沿右图 中的退磁曲线中的退磁曲线BBrP下降。如果在下降到下降。如果在下降到P点时 点时 外加退磁磁场强度外加退磁磁场强度HP消除,则磁感应强度并不 消除,则磁感应强度并不 沿退磁曲线回复,而是沿另一曲线沿退磁曲线回复,而是沿另一曲线 PBR 上升。上升。若再施加退磁磁场强度,则磁感应强度沿新的 若再施加退磁磁场强度,则磁感应强度沿新的 曲线曲线 RBP 下降。如此多次反复后形成一个局部 下降。如此多次反复后形成一个局部 的小回线,称为的小回线,称为局部磁滞回线局部磁滞
21、回线。由于该回线的上升曲线与下降曲线很接近,由于该回线的上升曲线与下降曲线很接近,可以近似地用一条直线 可以近似地用一条直线 PR 来代替,称为 来代替,称为 回复线回复线。P 点为点为回复线的起始点回复线的起始点。回复线的斜率称为回复线的斜率称为可逆磁导率可逆磁导率。各种永磁材料的各种永磁材料的可可可可逆逆逆逆磁磁磁磁导导导导率率率率是各不相同的,是各不相同的,材料的材料的矫矫矫矫顽顽顽顽力力力力HHc c愈高,愈高,可可可可逆逆逆逆磁磁磁磁导导导导率率率率就愈小。就愈小。如果以后施加的如果以后施加的退退退退磁磁磁磁磁磁磁磁场场场场强强强强度度度度HHQQ不超过第 不超过第 一次的值一次的值
22、HP,则磁感应强度沿回复线,则磁感应强度沿回复线PR 作可逆 作可逆 变化。如果变化。如果HQHP,则磁感应强度下降到新的,则磁感应强度下降到新的 起始点起始点 Q,沿新的回复线,沿新的回复线 QS 变化,不能再沿原 变化,不能再沿原 来的回复线来的回复线 PR 变化。这种磁感应强度的不可逆 变化。这种磁感应强度的不可逆 变化将造成电机性能的不稳定,也增加了永磁电 变化将造成电机性能的不稳定,也增加了永磁电 机电磁设计计算的复杂性,因而应该力求避免发 机电磁设计计算的复杂性,因而应该力求避免发 生。生。有的永磁材料,如部分铁氧体永磁的退磁曲线的 有的永磁材料,如部分铁氧体永磁的退磁曲线的 上半
23、部分为直线,当退磁磁场强度超过一定值后,退 上半部分为直线,当退磁磁场强度超过一定值后,退 磁曲线就急剧下降,开始拐弯的点称为拐点。磁曲线就急剧下降,开始拐弯的点称为拐点。当退磁 当退磁 磁场强度不超过磁场强度不超过拐拐拐拐点点点点 KK 时,时,回复线回复线与与退磁曲线的直线退磁曲线的直线 段段重合。重合。当退磁磁场强度超过拐点当退磁磁场强度超过拐点 K 时,时,回复线 回复线 PR 就不再与就不再与退磁曲线退磁曲线重合了。重合了。(四)磁能积和最大磁能积 (四)磁能积和最大磁能积 永磁体的去永磁体的去(退)(退)磁曲线上任一点的磁通密度磁曲线上任一点的磁通密度 B 与磁场强度与磁场强度 H
24、 的乘积 的乘积 BH 称为称为磁能积磁能积。其大小与该永磁体在给定工作状态下所具有的磁能 其大小与该永磁体在给定工作状态下所具有的磁能 密度成正比。密度成正比。磁能积与磁感应强度磁能积与磁感应强度 B 的关系曲线,叫做的关系曲线,叫做磁能积曲线磁能积曲线。退磁曲线和磁能积曲线 退磁曲线和磁能积曲线 1、2 退磁曲线 退磁曲线 3、4 磁能积曲线 磁能积曲线 对于一块完整的磁钢来说,(对于一块完整的磁钢来说,(BBr,0)点和()点和(0,Hc)点上的磁能积都等于零。)点上的磁能积都等于零。(BBr,0)点相当于磁钢两端理想短路,即两端外磁路的磁阻为零;)点相当于磁钢两端理想短路,即两端外磁路
25、的磁阻为零;(0,Hc)点相当于磁钢两端理想开路,即两端的磁阻为无穷大。)点相当于磁钢两端理想开路,即两端的磁阻为无穷大。由此可见,在这两种情况下,磁钢本身没有磁能输出,磁钢对外不 由此可见,在这两种情况下,磁钢本身没有磁能输出,磁钢对外不 发生作用。发生作用。中间某个位置磁能积为最大值,称为中间某个位置磁能积为最大值,称为最大磁能积(最大磁能积(BH)max ,单位:单位:Jm3 习惯用 非法定单位:习惯用 非法定单位:G()e,()e,1 G()e()e=1(40)Jm38103 Jm3或 1MG 磁能积曲线上的最大值点,表示磁钢能够向外界发出的最大磁能积。磁能积曲线上的最大值点,表示磁钢
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