磁通反向式永磁电机的.研究

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1、山东大学硕士掌位论文崩永磁体工作点的磁场强度品永磁体工作点的磁感应强度毋：空气中磁感应强度法向分量辟：空气中磁感应强度切向分量耳：空气中的切向磁场强度“：铁磁物质的相对磁导率L：永磁体的长度，占：气隙厚度。如：铁I讲算长度妒：单卟哇恕组所交链的磁通4山东大掌硕士掌位论文第一章引言电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和同步电机。这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动；另一种是由永磁体来产生磁场。由于永磁体材料的固有

2、特性，它经过预先磁化(充磁)以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。§1_1永磁材料发展概况19世纪20年代世界上的第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的电机。但当时所用永磁材料是天然磁铁矿石(Fe，04)，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢(最大磁能积约2．7kJ／m3)、钴钢(最大磁能积约7．2kJ／m3)等多种永磁体，特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁(最大磁能积现可达85kJ／m3)和50年代出现

3、的铁氧体永磁(最大磁能积现可达40kJ／f矿)，磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。但是，铝镍钻永磁的矫顽力偏低(36—160kA／m)，铁氧体永磁的剩磁密度不高(O．2__0．44T)，限制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁(两者统称稀土永磁)相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。[1]稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段。1967年美国K．J．Strnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可表示成RCo。(其中R

4、代表钐、镨等稀土元素)，简称l：5型稀土永磁，产品的最大磁能积现已超过199kJ／m3．1973年又出现了磁能更好的稀土永磁，其化学式为R。co。简称2：17型稀土永磁，产品的最大磁能积现已达258．6k．1／m3。这两种永磁材料虽然磁性能好，但因为钐与钻价格昂贵，限制了它的应用。1983年日本住友特殊金属公司和美国通用1山东大掌硕士掌位论文汽车公司各自研制成功钕铁硼(NdFeB)永磁，称为第三代稀土永磁。钕铁硼磁性能优异，兼有铝镍钻和铁氧体永磁的优点，具有很高的剩磁和矫顽力以及很大的磁能积。在实验室中的最大磁能积现高达431．3kJ／m3，比铝镍钴大5—8倍，比铁氧体大lO～15倍，在有效

5、体积下，比电励磁大5-_8倍，仅次于超导励磁，它的剩磁密度和矫顽力均很高，商品钕铁硼的剩磁密度为1．02一1．25T，实验中最高可达1．4明，均是铁氧体的3—5倍，铝镍钻的1—-2倍，商品钕铁确的磁感应矫顽力为764．k915kA／m，内禀矫顽力为876～1671．6kA／m，相当于铁氧体的5一10倍，铸造铝镍钴的卜15倍。钕铁硼的去磁曲线呈线性，与回复曲线基本重合。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，以含量丰富的钕代替了钐，而且不含战略物资一钴，因此引起了国内外磁学界和电机界的极大关注。钕铁硼永磁材料的问世被列为1983年世界十大重要科技成果之一。[卜3]我国稀土资源丰富，稀土不稀，稀

6、土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列，钕铁硼的工业储量约占全世界的8帆，因而我国钕铁硼的价格远低于国际市场，仅为35美元／kg左右，可见在国内开发稀土永磁电机占有明显优势，在国际也是很有竞争力。[4]§lI2新型永磁电机课题的提出随着永磁材料性能的不断提高和完善，永磁电机得到了迅速发展。与电励磁电机相比，永磁电机特别是稀土永磁电机，展示了很高的优越性：[5]用永久磁铁代替励磁绕组，无励磁损耗，提高了电机效率。<2>转子结构简单，取消了容易出现问题的集电环和电刷装置，因而避免了由此引起的各种故障，工作可靠性高、寿命长。<3>可以

7、增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，使其体积和质量大为减小，提高了效率和功率质量比。又因为永磁电机还兼有形状和尺寸灵活多样等很多优点，因此应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。在千瓦级的伺服系统中，永磁电机用以取代直流电动机而成为真正的无刷电动机。而在一些特殊的场合，永磁装置在功率密度，转矩惯性比和效率方面已超过了传统的直流电机和异步电机。‘i■—■葺—■■i—蕾———