稀土永磁电机原理及其对磁钢对电机的影

1、稀土永磁电机原理及其对磁钢对电机的影响受山西省磁材联盟的委托，来给大家介绍稀土永磁电机方面的一些内容，考虑到与会的大多为钕铁硼永磁材料生产厂家这一特殊对象，这里主要讲述一些稀土永磁电机的磁路特征和与我们稀土永磁材料有关的一些内容。一、 稀土永磁电机的分类及其使用范围：稀土永磁电机使用比较多的是交流永磁同步电机、步进电机、直流轮毂电机、音圈电机。1、 交流同步电机和步进电机：稀土永磁同步电机有单相的，也有三相的。从运动方式上讲，有旋转运动的，也有直线运动的。按照启动方式又划分为异步启动和变频启动，虽然二者运行时是完全相同，但电磁结构则大有不同。异步启动的电机多适合于连续运转的场合，比如油田、矿山

2、排水等等。步进电机一般使用于控制场合，目前以微步进电机为多。2、 直流电机：直流稀土永磁电机，以换向方式的不同分为有刷电机和无刷电机，前者机械换向，后者电子换向。直流中小功率的永磁电机大量地使用于电动自行车，电动摩托车、滑板车等等。在电动自行、电动摩托车上使用的电机以安装位置的不同分为轮毂电机和中置电机。前者直接安装在车辆的后轮上，前者安装与相当于自行车脚蹬的位置。直流轮毂电机，按照是否变速减速分为中低速电机和高速电机。中置电机一般为高速电机，转速在2000rpn以上，一般都有减速机构。3、 音圈电机：音圈电机主要应用于计算机的硬盘、光驱和超精密机床的定位，音圈电机本身只是运动过程的执行部件。

3、定位的控制计算，功率驱动由特殊的专用测量控制电路来实现。理论上音圈电机的定位精度没有上限，只要测量控制电路能达到要求。二、 稀土永磁电机的磁钢安装、磁路的特点1、 稀土永磁交流同步电机普通的异步电动机，转子的转速和定子的磁场转速有一个转速差，以建立转子的磁场，转子磁场的建立要消耗一定的无功功率，负荷越大（扭矩越大），转速差越大，无功消耗也越大。稀土永磁同步电机，由于转子本身就有磁场，不需要消耗无功功率以建立磁场。由于转子本身与定子的磁场旋转同步，同步运转时转子的启动鼠笼无电流（变频启动的无启动导条或启动鼠笼），因此转子无热损耗，因而效率高，损耗小。直接节电在1043%。永磁同步电机按照旋转方式

4、分为旋转式和直线式。旋转式永磁同步电机的安装结构和磁路结构如下面的示意图。1） 旋转式永磁同步电机同步电机按照启动方式的不同分为：异步启动同步牵入和变频启动两种。异步启动电机需要启动用的鼠笼或启动导条，用于异步启动。变频启动不需要启动鼠笼条，转子上只有嵌入的磁钢一形成必要的磁极，永磁同步电机一般多是4极以上的电机，电梯电机有的是24极电机。旋转式永磁电机一般采用嵌入式磁体安装结构，其磁示意图如上图2） 直线同步电机直线同步电机的绕组和磁极均是直线分布，磁极一般是直接表面贴装。此种电机一般采用变频驱动，在启动、停止阶段分别用启动和停止函数来控制变频器的频率和输出相序，以保证平稳运行。2、 稀土永

5、磁直流电机普通的直流电机，由磁场绕组、转子绕组、电枢和碳刷等组成。磁场绕组用以形成电磁场，转子绕组用以提供旋转扭矩，电枢和碳刷用来绕组的电流换向，以保证位于对应磁场中的绕组的电流方向始终是一个方向。即在任何的时候，位于N极或S极的绕组边的电流方向始终是同一个方向，这样才能保证电机的旋转移动方向。永磁电机用硬磁性材料代替磁场绕组，减少无功损耗和热损耗。永磁电机中必须始终保证位于对应磁场中的电流方向一致，采用与传统的普通的以电枢碳刷构成的机械式换向方式的称为有刷电机。随着电子应用技术的发展和电子功率器件、传感器件的全面成熟，采用霍尔元件作为位置传感器，来测量转子绕组在磁场中的位置，有电子控制器件来

6、进行电流方向的变换，因为没有电枢碳刷换向组件，因此称此类电机为无刷电机。目前市场上的无刷电机的特点：A、小方条中速无刷电机一般直流电机，是通过调节磁场绕组的磁场强度来调整转速，在稀土永磁电机中磁场形成的磁通是相对固定的，供电电源的电压是基本不变的，其速度的控制是以电流的脉宽调制的方式来控制转子的等价有效电流来控制。采用脉宽调制之后无形之中增加绕组的铜耗。目前，小方条式的无刷电机，除脉宽频率之外，其还向频率已经接近100HZ，在普通的电动自行车中时常很大，但在未来的高速电机中，由于其已经接近频率极限，而受到限制。高速电机的扭矩要大的多，其爬坡能力要大的多。根据推荐的试验条件，事实上小方条无刷电机

7、对电机磁钢的Hcj要求不是很高。B、高速无刷电机1） 有刷电机2） 无刷电机3、 音圈电机等其他特种电机三、 电机运行对磁钢的影响1、 温度对磁钢的影响电机中的绕组只有通电才能转动或移动，由于绕组铜线电阻的存在，绕组在通电之后必然会消耗能量这就是铜耗；由于直流电机的频繁换向或交流电机本身就是在改变电流的方向，因此由于绕组所在的硅钢片中产生涡流热损耗这就是铁耗。由于铜耗和铁耗的存在，电机运行产生电磁热，必然使得运行电机的温度升高。由于钕铁硼永磁材料属于负温度系数，温度高的时候剩磁和矫顽力均降低，进而使得总磁通降低，电机的效率下降，最大扭矩降低。因此在使用温度的条件下，这种必然存在的降低，必须控制

8、在一个规定的范围之内。2、 电机运行过程中反向退磁场的影响电机设计的最基本电磁方程是F=INBL，从纯磁的观点来看，是通电绕组在围成的铁心之内形成一个磁场，这个磁场与磁钢的磁场相互作用而运动，如图所示。在示意图中，最上面的是提供磁回路的软磁性材料，下面是贴装的磁钢，在下面是工作气间隙，下面是绕组矽钢片，两排叉圆和点圆表示电流的方向，叉圆和点圆之间的N、S分别根据右手螺旋定则标识的电磁极性。箭头表示转子运动的方向。从图中可以看出，磁钢的一个半边是异性磁极相互吸引，产生旋转运动的拉力，在相互吸引的部位发生在磁钢的半侧，称为增磁侧；在磁钢的另一个半边（图中的阴影侧），是异性磁极，相互排斥，产生旋转运

9、动的推力，这一个阴影侧的半边磁钢受到反向退磁场的作用，称为退磁侧。因此只要电机的绕组中只要有电流存在，必定在退磁侧产生反向退磁作用。最为恶劣的条件是电机堵转，此时的绕组电流最大，电磁作用最磁钢的反向退磁场最大。永磁电机的极限恶劣条件是在最高工作温度下的堵转试验。从通电线圈产生磁场的家度上来看，磁钢的对称线的反向磁场为零，磁钢越宽、单片磁场下的绕组越多，其边缘的反向退磁场越强。对于同样厚度、同样半径的的磁钢，弦长越大，需要的Hcj也越高。至于具体的需要以推荐的试验条件下中的符合性试验结果为准。四、 电机磁钢与电机特性几个关系及其的影响1、 轮毂电机的主要指标参数：在一般来讲，在空载、最高效率点、

10、最大功率点的电流、转速、扭矩、输入功率、输出功率、效率是其具体的指标参数。电机的负载特性曲线如图。2、 磁钢性能与电机性能的关系1） 剩磁的影响对于直流电机，在同样的绕组参数和测试条件下，剩磁越高，空载转速越低、空载电流也越小；最大扭矩越大，最高效率点的效率越高。在实际的测试中，一般都是用空载转速的高低和最大扭矩的大小判断磁钢的剩磁标准。对于同一绕组参数和电参数而言，之所以剩磁越高，空载转速越低、空载电流，是因为运行中的电机，以比较低的转速，就产生了足够的反向感生电压，使得施加在绕组上的电动势的代数和减小。2） 矫顽力的影响前面已经说过，在电极运行的过程中，始终存在着温度和反向退磁场的影响。从

11、电机设计的角度上讲，矫顽力越高，磁钢的厚度方向可以越小，矫顽力越小，磁钢的厚度方向越大。但是磁钢的超过一定的矫顽力之后，是没有用处的，因为电机的其他元件也不可能稳定地工作在那个温度下的。满足需求即可。具体的标准是在推荐的实验条件下满足需要为标准，当然也需要引导客户，没有必要浪费资源，3） 方形度的影响方形度仅仅影响电机性能测试效率曲线的平直性，尽管目前还没有把电机效率曲线的平直性列为重要的指标性标准，但是，这对于在自然路况条件下的续行距离非常重要。因为路况条件的不同，电机不可能始终工作在最大效率点上，这就是为什么有的电机的最大效率并不高而续行距离反而远的原因之一。一个好的轮毂电机，不仅最大效率

12、应当高，而且效率曲线应当尽可能的水平，效率降低的斜率越小越好。随着轮毂电机的市场、技术和标准的成熟，这将逐渐成为一个重要的标准。更准确地说，这个标准应当是Hcb/Br值的大小。4） 性能的一致性的影响剩磁不一致，即便是有个别性能特别高的也不好，由于各单向磁场区段的磁通的不一致，导致扭矩的不对称而发生震动。矫顽力不一致，尤其是个别产品的矫顽力过低，容易一产生反向退磁，导致各磁钢的次同不一致而是的电机震动。这种影响对于无刷电机更显著，因为，霍尔元件测试到的磁场中性点的位置发生变化，而加大脉震。3、 磁钢的几何形状和公差对电机性能的影响1） 厚度及一致性的影响在内或外磁路圈固定的情况下，厚度增加时，

13、气隙减小，有效磁通增加，明显的表现是，同样的剩磁，1）空载转速降低，空载电流减小；2）电机的最大效率提高；但是，也有不利的方面，1）电机的换向震动（脉震）增加，2）电机的效率曲线相对变陡。因此，电机磁钢的厚度应当尽可能的一致，减小震动，但是，在剩磁略微偏低的情况下，为公差上限时，在其使用上对电机性能有一定的补偿，但是脉震增加，曲线形态不好。一般而言，剩磁略微偏低的时候，在长度方向放大公差更有效，因为增加了总磁通量。2） 宽度及一致性的影响对于密排分布的无刷电机磁钢，总的累计间隙不能超过0.5毫米，过小会无法安装，过大会导致电机震动和效率降低，这是因为测量磁钢位置的霍尔元件的位置和磁钢的实际位置

14、不对应。而且必须保证宽度的一致性，否则电机的效率低、震动大。对于有刷电机，磁钢之间都有一定的间隙，是留给机械换向过渡区的。虽然留有间隙，但大多厂家为了保证电机磁钢的安装位置准确，都有严格的磁钢安装工装，来保证安装精度。如果磁钢的宽度超出，会无法安装；如果磁钢宽度过小，会导致磁钢定位失准，电机的震动增加、效率降低。3） 倒角大小和不倒角的影响电机如果不倒角，则电机的磁场边沿的磁场变化率大，造成电机的脉震，倒角越大，震动越小。但是倒角一般对磁通有一定的损失，对于有些规格倒角到0.8时磁通损失0.51.5%。对于有刷电机剩磁偏低时，适当减小倒角大小，有利于补偿剩磁，但是，电机的脉震增加。一般而言，剩

15、磁偏低的时候，可以适当放大长度方向的公差，这样可以在一个程度上提高有效磁通，使得电机的性能基本不变化。而且这个方向上的使用公差并不是很高，但必须保证一致性。4） 剩磁对于异步启动的同步电机的影响：对于异步启动同步运行的电机，磁钢的剩磁过高时，会导致电机无法启动，这将是致命的！剩磁过低的时候会导致容易在负载大的时候造成运行脱步，甚至不转。因此，对于异步启动的同步电机，剩磁必须在规定的范围之内！4、 磁钢宽度对Hcj的要求关系从前面的磁钢受到反向磁场作用可以看出，磁钢越宽，磁场从边缘到中轴线的距离越大，磁场的畸变越小，但是边缘的退磁场越大，要求的Hcj越高。因此在对于宽度比较大的磁钢，在同样的是使

16、用个条件下Hcj应当越高。对于稀土用磁电机，在设计阶段的使用的磁钢的Hcj应当限制在2021KOe，在供货阶段Hcj应至少大于21KOe，而且新设计的电机的试验条件应当至少满足本文附件里的测试条件，这样才能从根本上保证电机的性能。五、 不单纯与磁钢有关的几种电机的异常现象1、 震动、效率低：1） 对于有刷电机：在磁钢方面：A、磁钢倒角大小不一致时；B、磁钢的性能（磁通）波动比较大时；C、磁钢的厚度变化公差变化比较大时；容易造成电机震动。在磁钢的安装工艺方面：磁钢的安装的工装偏差比较大的时候也容易产生震动。对于无刷电机：1、磁钢的宽度不一致；2、磁钢的性能不一致；3、磁钢的厚度公差偏大；磁钢的贴

17、装工艺方面：1）、间隙分布不均匀；2）、紧密贴装的磁钢的最终累计间隙过大。2、 效率低对于无刷电机，霍尔元件安装位置（深度不合适或有杂质导致侧斜）；对于有刷电机，磁钢贴装间隙过大，等等。这里不一一列举。六、 推荐的永磁电机中的磁钢性能标准稀土永磁电机磁钢确认通用试验技术条件标准（推荐）一、 为确保永磁电机及磁钢的满足使用要求，特制定本标准二、 适用范围：直流有刷、无刷电机系统三、 通用试验技术条件对已经装配好的电机整机：1、 用测功仪器测量电机的室温效率曲线；2、 将电机整机放入烘箱中烘烤24小时，烘烤温度设定的电机的极限工作温度（注意烘烤温度不高于霍尔元件在安全条件下的最高工作温度）；一般电

18、动自行车电机的推荐测试温度为80100度；其他类型的电机的使用最高温度+20度3、 烘烤之后立即对电机进行高温运行的效率曲线测试；4、 然后立即对电机进行堵转实验三次，堵转时间每次小于3秒，防止线圈温升过高；然后进行极限条件（温度和电磁冲击）效率曲线的测试；(堵转试验时，应调整保护电流值，使其在正常最大工作电流的1.21.5倍)。5、 在第四步之后或直接跨过第四步，直接用硬电源启动，或取消电机控制器，直接将电机接到硬电源或蓄电池上（前者启动时反向腿磁场最大，相当于堵转）启动停止三次，然后再测试效率曲线。6、 冷却到室温之后再次测量电机的效率曲线。四、 磁钢的符合性标准通过通用试验技术条件的测试

19、并取得个效率曲线之后，最终的室温效率曲线与开始时的室温测试条件对比：1、 极限条件下的运行效率下降小于2%；2、 最大扭矩下降小于3%3、 空载转速增加小于3%满足此条件的磁钢为符合要求的磁钢，此标准为客观的极限使用条件下的符合性接受标准。以下的标准为参考标准，对于不同使用条件，将未必适合于此，可以参照符合性接受标准来制定参考标准。五、 参考试验标准：1、 参考试验的样品选择：选用与整机老化实验完全相同批次、性能的产品，进行参考标准的确认试验。确认标准时，选用不同Hcj的产品，以便确定性能下限和磁钢的要求下限。2、 参考标准确认的试验条件1） 烘烤温度条件：最高工作温度+010度作为试验条件；

20、2） 磁路条件：半开路条件（磁钢贴装于磁路圈上）3） 试验时间：2小时。2、参考试验标准的制定：1） 老化前分别测量、记录室温磁通；2） 按照规定的试验条件进行老化；3） 老化之后，磁钢的温度冷却至室温；4） 逐片对应测量、记录老化后的室温磁通；5） 统计计算磁通衰减率和剔除老化衰减异常后的最小磁通min；6） 剔除衰减异常的数据，计算平均磁通衰减率a；7） 参与平均值计算的最大磁通衰减率min；8） 参考标准值：该标准是有三项要素，要求：1、磁钢的室温磁通不小于min/平均磁通衰减率，2、磁通平均衰减不超过试验值a；3、最大磁通衰减率不大于min。9） 一般标准：1、老化磁通磁通不小于某个值；2、最大老化衰减绿小于某个值；六、 成品标准和材料标准的制定1、 材料剩磁标准和成品的室温标准的制定：1）选择Hcj在标称范围，选择标称磁能积的中下限剩磁，按照剩磁0.2的级差选择至少3组材料。分别加工成成品，做电机的室温效率曲线，复核电机设计和磁钢室温磁通、材料剩磁的范围。2、 材料Hcj