永磁材料及其应用.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流永磁材料及其应用.精品文档.永磁材料及其应用摘要电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机组还可分为永磁发电机和励磁发电机，永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁式发电机结构简单，转子磁场大，无励磁绕组，无碳刷，无滑环，气隙大，无触点，整机唯一磨损部位是轴承。提高了产品可靠性，不用外接调节器，

2、导磁体材料间距采用优化设计，减少了漏磁，使发电机怠速性能好，出电路足。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。 以下主要介绍永磁材料的性质及其应用。关键词：永磁电机、永磁材料、磁化曲线发电机简介将机械能转变成电能的电机。通常由汽轮机、水轮机或内燃机驱动。小型发电机也有风车或其他机械经齿轮或皮带驱动的。 发电机分为直流发电机和交流发电机两大类。后者又可分为同步发电机和异步发电机两种。现代发电站中最常用的是同步发电机。这种发电机的特点是由直流电流励磁,既能提供有功功率，也能提供无功功率,可满足各种负载的需要。

3、异步发电机由于没有独立的励磁绕组，其结构简单，操作方便，但是不能向负载提供无功功率，而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流。因此异步发电机运行时必须与其他同步电机并联，或者并接相当数量的电容器。这限制了异步发电机的应用范围，只能较多地应用于小型自动化水电站。城市电车、电解、电化学等行业所用的直流电源，在20世纪50年代以前多采用直流发电机。但是直流发电机有换向器，结构复杂，制造费时，价格较贵，且易出故障，维护困难，效率也不如交流发电机。故大功率可控整流器问世以来，有利用交流电源经半导体整流获得直流电以取代直流发电机的趋势。 同步发电机按所用原动机的不同分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机

4、3种。它们结构上的共同点是除了小型电机有用永久磁铁产生磁场以外，一般的磁场都是由通直流电的励磁线圈产生，而且励磁线圈放在转子上，电枢绕组放在定子上。因为励磁线圈的电压较低，功率较小，又只有两个出线头，容易通过滑环引出；而电枢绕组电压较高,功率又大，多用三相绕组,有3个或4个引出头，放在定子上比较方便。发电机的电枢(定子)铁心用硅钢片叠成，以减少铁耗。转子铁心由于通过的磁通不变，可以用整体的钢块制成。在大型电机中，由于转子承受着强大的离心力，制造转子的材料必须选用优质钢材。 v 发电机 v 1. 概述 v 电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、

5、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。 v 发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。 v 发电机的分类可归纳如下： v 发电机 直流发电机、交流发电机 同步发电机、异步发电机(很少采用) v 交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。 v 发电机组还可分为永磁发电机和励磁发电机，永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它

6、的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出励磁电机v 励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。v 其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则

7、是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。励磁系统的主要作用有：1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态稳定性；4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。永磁电机v 1、永磁式发电机省去了励磁式发电机的励磁绕

8、组、碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁式发电机励磁式发电机励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环易磨损等故障，可靠性大为提高。 v 2 、体积小、重量轻、比功率大 ,永磁转子结构的采用，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积、重量大为减少。永磁转子结构的简化，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率（即功率、体积之比例）达到一个很高的值。 v 3、 中、低速发电性能好 ,功率等级相同的情况下，怠速时，永磁式发电机要比励磁式发电机的输出功率高一倍，也就是说，永磁式发电机的实际等功率等级的励磁式发电机。 v 4 、能显着地延长蓄寿命缩

9、短。永磁式发电机的开头式整流输出对采用小电流脉冲充电，相同的充电电流充电效果更好，从而延长蓄电池的使用寿命。 v 5 、效率高 ,永磁式发电机是一种节能产品。永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在1500转/分至6000转/分之间的转速范围内平均效率只有45%至55%，而永磁式发电机则可高达75%至80%。 v 6 、采用自启动式稳压器 ,无需外加励磁电源。发电机只要一旋转就能发电。当蓄电池损坏时，只要发动机处于运行状态，汽车充电系统仍可工常工作。如汽车没有蓄电池，只要摇转手把或溜车，也可实现点火运行。 v

10、7 、特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作 v 8 、无无线电干扰 ,永磁发电机无碳刷、无滑环的结构，消除了碳刷与滑环磨擦产生的无线电干扰；消除了电火花，特别适合于爆炸性危险程度较大的环境下工作，也降低了发电机对环境温度的要求。 励磁发电机与永磁发电机的比较v 输出区别：v 1.初始电动势的提供方式不同v 励磁发电机在启动时候要有个初始电动势让励磁线圈产生磁场。靠外界电源或者是永磁体使发电机组产生的小电动势来提供电动势，工作正常后就靠自身输出的电压工作。而永磁式发电机组则依靠永磁体提供初始电动势。 v 2.磁场强度不同v 励磁发电机可以通过改变励磁线圈的电流来改变励磁磁场。而且磁场强度可以

11、很大且可控。而永磁式发电机组则容易出现磁场包容现象。v 性能比较： v 励磁式发电机，怠速发电性能差，电瓶容易放完电；发电机转速在1500-6000转/分区间效率只有40%-50%，效率低，因转子存在励磁线圈，整机温升高；励磁式发电机还极易出现碳刷、滑环损坏等问题。 永磁式发电机：永磁式发电机结构简单，转子磁场大，无励磁绕组，无碳刷，无滑环，气隙大，无触点，整机唯一磨损部位是轴承。提高了产品可靠性，不用外接调节器，导磁体材料间距采用优化设计，减少了漏磁，使发电机怠速性能好，出电路足。永磁电机主要结构材料v 永磁电机的结构特点之一就是磁极由永磁材料组成。 v 永磁材料磁性能的优劣，将直接影响永磁

12、电机的磁路尺寸、电机体积及其功能指标和运行特性。 永磁材料特性一、磁化曲线 在非铁磁材料中，磁通密度B与磁场强度H成正比，即 B = 0 H （1-1） 式中，0 真空磁导率。0 = 4 10 -7 Hm 亨米 ,B与H呈线性关系。 铁磁材料的磁通密度（即磁感应强度） B与磁场强度H呈非线性关系，即B =f (H)是一条曲线，称磁化曲线，如下图所示。v 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 v 材料进行磁化，H由零上升到某一最大 v 值Hm时， B值是沿着磁化曲线0 a上 v 升至a点，对应的磁通密度最大值为Bm。 v 如右图所示。 曲线0 a称为起始磁化曲线由

13、右图可见，B的变化滞后于H的变化。 当H下降为零时，B值不为零而为某一 数值Br，这种现象称磁滞性，Br称作剩余磁 感应强度（即剩磁磁密），单位为T（特斯拉）。要使B值由Br减至0值，必须加上一个 相应的反向外磁场，该反向磁场强度称为矫顽力，以Hc表示，单位为A/m（安/米），如图中c点所示。 Br和Hc是铁磁材料的两个重要参数。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 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 曲线称为基本磁化曲线或称平均磁化曲线。 二、永磁材料的去（退）磁曲线和主要参数1永磁材料的去（退）磁曲线 图中，在第二象

14、限的bc段称为去磁曲线。 它表示永磁材料被完全磁化后无外励磁时的 BH关系。 永磁材料在一般的应用中无外励磁，故去磁曲线是表示永磁材料特性的主要特性曲线,由于去（退）磁曲线中，永磁体的磁通密度 （即磁感应强度） Bm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）。 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|H|越大，磁感应强度B就越小。为表述方便，通常取H的绝对值，把H轴的正方向改变，即负轴改为正轴。2内禀去（退）磁曲线 （一）内禀磁感应强度Bi （又称磁极化强度J） 永磁材料在外磁场

15、作用下被磁化后产生的内在磁感应强度，称内禀磁感应强度Bi，又称磁极化强度J。 J = 0 M （1-2） 式中，M 磁化强度，Am 在磁性材料中 B = 0 M 0 H （1-3） 在均匀的磁性材料中，式（1-3）的矢量和可写成代数和 B = 0 M 0 H （1-4） Bi = 0 M = B 0 H （1-5） 若退磁曲线中磁场强度H取绝对值，则式（1-5）可写成 Bi = B 0 H （1-6） （二）内禀退磁曲线 （又称内禀曲线） 描述内禀磁感应强度Bi(J )与磁场强度H关系的曲线Bi= f (H)是表征永磁材料内在磁性能的曲线，称为内禀退磁曲线，简称内禀曲线。 内禀退磁曲线上磁极化

16、强度, J为零时,相应的磁场强度值称为 ,内禀矫顽力HcJ (单位：Am)。 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 ,HKHcJ越大，磁性能越稳定。 HK(单位：Am)为内禀退磁曲线上当Bi= 0.9Br时所对应退磁磁场强度值。 HK应为稀土永磁材料必测参数。 3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。 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 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 Hm 剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc 磁导率和回复曲线 磁能

17、积和最大磁能积 （一）饱和磁场强度 Hm在磁钢磁化过程中，使其磁感 应强度B 达到饱和值Bm 的磁场强度称为饱和磁场强度Hm 。 应当特别指出，磁钢充磁时应完全磁化，即充磁磁场强度H 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，显示出该材料的最优磁性能。若充磁磁场强度H 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。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。（二）剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc (1) 剩余磁感应强度Br 磁滞回线与纵坐标的交点

18、，即去磁曲线 的起始点b 点的B值，叫做剩余磁感应强度，用Br 来表示。 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 短路条件下存在于磁钢中的磁感应强度值。 2) 磁感应矫顽力Hc在负向外加磁场的作用下，磁钢中的磁感 应强度B 随着去磁磁场增大而减小。使磁钢中的磁感应强度B达到零所需的去磁磁场强度，成为磁感应矫顽力Hc（简称矫顽力），如图中 的c 点。 （三）磁导率和回复曲线 （1）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B和H的增量之比，叫做磁导率。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 软磁

19、材料的磁滞回线窄、剩磁Br和矫顽力Hc都小，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的铁心。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）材料的磁滞回线宽、剩磁Br和矫顽力Hc都大，如上图所示。由于剩磁Br大，硬磁材料可用以制作永久磁铁，故亦称永磁材料。通常，剩磁Br、矫顽力Hc和磁能积（BH）max是表征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（GBn171-82）、铁钴钒永磁合金（GBn172-82）、铁

20、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（GB4753-84）、烧结和粘结永磁铁氧体材料（SJ/T10410-93）等。 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。三、几种常用的永磁材料 对于永磁体，通常所关心的是起始磁导率、 最大磁导率和 可逆磁导率这三个物理量。 常见的永磁材料有： 铝镍钴合金 铁氧体永磁材料 稀土永磁材料 1铝镍钴合金 铝镍钴合金是由铝镍铁合金发展来的，目前我国能制造的铝镍钴合金的型号主要有LNG34,LNG52,LNGJ32,LNGJ56等。 由于铝镍钴的主要特点是高Br、低Hc 的永磁材料

21、，其相对磁导率在3以上，所以在具体应用时，其磁极须做成长柱体或长棒体，以尽量减少退磁场作用。 铝镍钴磁体本身矫顽力低，所以在使用过程中应严格禁止任何铁器接触铝镍钴永磁材料，以避免造成永磁体局部退磁而使磁路中磁通分布发生畸变。 铝镍钴磁体的优点是温度系数小，而且因温度变化而发生的永磁特性的退化也较小，但该材料硬而脆，加工困难。2铁氧体永磁材料 铁氧体永磁材料是目前应用非常广泛的永磁材料之一，其主要成分是 MoFe2O3。 其具有的优点是： （1）矫顽力Hc大。 铁氧体永磁材料的矫顽力Hc介于铝镍钴合金材料和稀土钴永磁 材料之间。 由于其剩磁较低，故一般适合设计成扁平形状； （2）重量轻，密度为(

22、4.6 5.1)103 kg / m3； （3）原材料来源丰富，价格便宜，耐氧化，耐腐蚀； （4）磁晶体的各向异性常数大； （5）退磁曲线近似为直线。 缺点是剩磁较低，温度系数大，易碎。3稀土永磁材料 （一）稀土永磁材料的优点 （1）矫顽力Hc高; （2）最大磁能积大; （3）可逆磁导率1。 因此其磁性能远超过铁氧体和铝镍钴等其他磁性材料。 稀土永磁材料的出现，使得重量轻、体积小的永磁同步电机相继问世， 从而扩大了永磁同步电机的应用范围。 二）常用的稀土永磁材料 常用的稀土永磁材料有SmPrCo、SmCoPeCo、SmPrNdCo、 CeCoCuFe、Sm2Co17等。 稀土钴永磁材料性能优异

23、，但价格较高，因此在设计时必须精打细算， 力求用最小的体积达到预期的效果。 由于稀土钴永磁材料的矫顽力Hc很大，可作成薄片永磁材料，以减少 体积，节省材料。 （三）第三代稀土永磁材料 钕铁硼永磁材料 钕铁硼永磁材料是近年来发展起来的第三代稀土永磁材料，具有高磁能积、高矫顽力、高机械强度等优点，但目前尚存在温度系数大 和使用温度低等缺点。四、永磁材料的选用1永磁材料的选择 永磁材料的种类多种多样，性能相差很大，因此在设计永磁电机时， 首先要选择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标。 （一）选择原则 （1）应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁通密度和规定的电机性能 指标； （2）在规定的环境条件、工

24、作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳 定性； （3）有良好的力学性能，以方便加工和装配； （4）经济性要好，价格适宜。v （二）说明（根据现有永磁材料的性能和电机的性能要求，有以下几点说明） v （1）随着性能的不断完善和相对价格的逐步降，钕铁硼永磁材料在电机中的应用将越来越广泛。不仅在部分场合有可能取代其他永磁材料，还可能逐步取代传统的部分电励磁电机。 v （2）对于性能和可靠性要求很高而价格不是主要因素的场合，优先选 用高矫顽力的2:17型稀土钻永磁材料。1 :5型稀土钴永磁材料 的应用场合将有所缩小，主要用于在高温情况下使用和退磁磁场 大的场合。 v （3）对于性能要求一般，体积质量限制

25、不严，价格是考虑的主要因素， 优先采用价格低廉的铁氧体永磁材料。 v （4）在工作温度超过300C的场合或对温度稳定性要求严格的场合， 如各种测量仪器用电机，优先采用温度系数低的铝镍钴永磁材料。 铝镍钴永磁材料在永磁材料总量中的比例将逐步下降。 v （5）在生产批量大且磁极形状复杂的场合，优先采用黏结永磁材料。 具体选用时，应进行多种方案的性能、工艺、成本的全面分析比较后 确定。v 具体选用时，应进行多种方案的性能、工艺、成本的全面分析比较后 确定。v 2应用注意事项 v 在应用时除前面提到的以外，还应注意: v （一）对于有关手册上提供的各种永磁材料磁性能，通常是摘自国家标准或工厂企业标准的

26、典型数据。但永磁材料的实际磁性能与生产厂的 具体制造工艺有关，其值与标准之间存在着偏差。而且标准中或产 品样本中规定的性能数据是以特定形状和尺寸的试样（例如铁铁硼 永磁材料的标准试样为10mm7mm的圆柱）测试性能为依据的， 对于电机中实际采用的永磁体形状和尺寸，其磁性能与标准值之间 也会存在一定的差别。因此为提高电机设计计算的准确性，需要向 生产厂家索取该批号的实际尺寸的永磁体在室温和最高工作温度时 的实际退磁曲线，最好能抽样直接测量退磁曲线。对于一致性要求 高的电机，更需对永磁体进行逐一检测。v （二）永磁材料的磁性能除与合金成分和制造工艺有关外，还与磁场热处理工艺有关。对于各向异性的永磁

27、体，充磁时的磁场方向应与磁场 热处理时的磁场方向应一致，否则磁性能反而会有所降低。 v （三）在使用前，应先进行最高工作温度的稳磁处理（或叫老化处理，以 预先消除不可逆损失。铁氧体永磁材料则不同，由于它的矫顽力温 度系数为正值，温度越低、矫顽力越小，故需进行负温稳磁处理。 需要指出的是，经过高温或负温稳磁处理后，不能再对永磁体充磁； 如有必要再次充磁，则需重新进行高温和负温稳磁处理。v 1、控制问题v 永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永

28、磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。v 2、不可逆退磁问题v 如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电机不会失磁。v 3、成本问题v 由于稀土永磁材料目前的价格比较贵，稀土永磁发电机

29、的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在电机高性能和运行中得到较好的补偿。在设计中会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较，并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用的发电机略高，随着产品更进一步的完美，批量生产，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发电机的市场前景不会被成本问题限制。永磁发电机的前景v 永磁发电机的前景v 大功率发电机往往在豪华与超豪华空调车上使用.怠速时用电量较大,励磁式发电机只能通过增大主动轮与发电机皮带轮的速比来满足该要求,而永磁发电机优越的中低速发电性能正好能解决这个技术难题. 车用空调安装在车的侧面,较接近地面,行驶过程中,灰尘,杂物易进入发电机体内,很容易造成励磁式发电机碳刷与滑环的接触增大,从而影响发电机的正常工作;而永磁发电机无滑环,无碳刷,定转子气隙大,特别适合于在这种恶劣的工作环境下工作. 新一代的免维护蓄电池对充电电压精度越来越高,永磁发电机优越的发电性能和高精度的稳压技术,是解决电瓶亏电,延长蓄电池寿命的有效途径.