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1、*钕铁硼磁路的结构系数设计方法王先逵周惠兴(清华大学精仪系制造工程研究所,北京100084)【摘要】基于轴径向基本VCM磁路,提出了钕铁硼磁路磁体结构系数设计方法。与传统方法不同,它将工作点参数和磁体结构系数结合起来,考虑磁路性能和成本最优,并使磁体径向尺寸减小。所导出的工作点一般不在磁能积最大点处,磁体结构系数k值一般大于kmax。最后给出了在直线伺服电机中的设计应用实例并进行了性能比较,说明了本方法的实用性,该直线直接驱动伺服单元已经用于中凸变椭圆活塞数控车床。【关键词】磁路设计,钕铁硼,VCM最大点处,这对于像铝镍钴等高剩磁低矫顽1前言力的永磁体是正确的,但对于钕铁硼磁体不钕铁硼永
2、磁体具有很高的磁能积和矫顽应过份强调一点,而应利用钕铁硼磁体高矫力,由于资源利用和工艺水平的提高,其价格顽力的特点,综合考虑结构、性能、成本来选已接近或低于铝镍钴永磁体。虽然其性能优取它的工作点和结构参数。越,但有关钕铁硼磁体进行磁路设计方面的本文首先对基本轴径向充磁VCM(音资料甚少,其原因一方面是它出现较晚,另一圈电机)磁路进行分析,给出了结构系数概念方面磁路设计与电路设计不同,常依赖于大及其分析设计方法;而后给出了设计实例,并量的实验取得经验公式进行设计。对于铝镍对不同方法设计得到的结果进行了分析比钴等常用的磁体,其磁路设计常可套用基本较;最后给出了结论。[1][2]磁路结构,并用
3、磁导法进行校验,也可采2磁路分析和结构系数设计法[1,2]用其中的经验公式进行设计。对于钕铁硼磁体,虽可采用类似的方法,但性能和结构上2.1VCM轴径向磁路不一定最好。基本轴径向充磁VOC磁路结构如图1针对钕铁硼磁体的特殊性,在磁路结构所示。由磁路的基本方程得:基本确定的情况下,提出了用磁路中磁体结BmSm=BgSg(1)构系数k确定磁体参数的设计方法。根据kHmLm=fHgLg与磁感应强度B、磁场强度H和磁能积其中:Bm,Hm为磁路中钕铁硼永磁体的工作(BH)之间的关系曲线,选取k值和磁体工点;Bg,Hg为气隙磁感应强度和气隙磁场强作点;且这里k的选择与铝镍钴磁路k的选度
4、;Lg,Lm分别为气隙长度和永磁体高度;择不同。传统的方法强调工作点选在磁能积Sg,Sm分别为气隙表面积和永磁体的径向截*国家自然科学基金资助项目,项目编号59675066收稿日期:1997-07-141998年第2期·65·BmBgSgLm=(5)HmfSmHgLg因为Bg=0Hg,在电磁制中0≈1,有BmSgLm≈(6)HmfSmLg令图1VOC轴径向磁路Bmtan!==k1(7)Hm面积;为磁路漏磁系数;f为磁路磁阻系k1即为负载线斜率。且数。k1=k(8)可以用式(2)求磁体的参数,其工作点在fkg(BH)max处,此时磁路中磁体的磁能积最大,
5、这里kg=Lg/Sg,与磁体结构系数一致,定义体积最小。为气隙结构系数。2.2.2钕铁硼磁体结构系数设计法BrLm=HgLgHc(BH)max对于钕铁硼永磁体,其退磁曲线基本上(2)为一直线。可以用下式描述其退磁曲线:HcSm=0SgLgBBrr(BH)maxB=-H+Br(9)Hc2.2磁体结构系数及其结构系数设计法这里,Br,Hc分别为永磁体的剩磁和矫顽力,对于钕铁硼永磁体,用式(1),(2)进行参单位为电磁制;对于钕铁硼永磁其值约为Br数的选择,性能价格比不一定最优。其原因=11400(Gs),Hc=10750(Oe)。是:与铝镍钴相比,稀土钕铁硼永磁体具由式(
6、6),(9)解得如下方程:有很高的矫顽力,在磁能积最大点处剩磁BBr值较小;磁能积最大点处,磁体的体积最Hm=(10)Br小,但表面积不一定最小;磁体的成本不仅Hc+fkgk与体积有关,且与磁体表面积成正比。下面将BrkBm=(11)分析这些因数,并用结构系数法选择合理的Br+kfkgHcfkg工作点。2.2.1磁体结构系数Hm,Bm即为对应于k值的磁体工作点。该点磁路中磁体的长度和截面积之比定义为的磁能积为:(BH)m=BmHm(12)磁路中磁体的结构系数k,对于图1中的磁路磁体结构系数分别为:用优化方法求得:4LHcBrk=2(3)(BH)max=4(1
7、3)D和fBrkmax=(14)kgHcLk=(4)dh在工程设计中,一般已知气隙参数Sg,Lg和可以看出,k反映了磁体的结构和形状Bg,即kg可以初步确定;磁阻系数f和漏磁特征。系数可以据经验选择。则由式(10)、(11)由式(1)得:知,Bm、Hm、(BH)max只与k有关,确定了k·66·《电工电能新技术》也就确定了工作点。据内置式轴向充磁磁路方面的因素:电机的外形结构要求;永磁设计的经验值,取=2.3,
