微型永磁直流电动机PPT讲座(第一讲)

1、培训内容培训内容培训内容3456ii 图1 图27ii 图38 图4 图59 其中，其中， 气隙磁通密度在一个磁极下的平均值，单位气隙磁通密度在一个磁极下的平均值，单位T T； 电枢导体在气隙中的有效长度（也称计算长度），单位电枢导体在气隙中的有效长度（也称计算长度），单位m m； 电枢导体中的电流，单位电枢导体中的电流，单位A A； 电枢铁芯外圆直径，单位电枢铁芯外圆直径，单位m m。 （2 2）101.2.21.2.2电枢感应电势电枢感应电势 若一根导体，在磁通密度为若一根导体，在磁通密度为B(B(单位为：单位为：T)T)的磁场中，并接上外加电压为的磁场中，并接上外加电压为 的直的直流电源

2、后，有电流流电源后，有电流 流过，导体将受到电磁力流过，导体将受到电磁力F F的作用，并以线速度的作用，并以线速度 ( (单位：单位： ) )运动，运动，如图如图6 6所示。所示。1.2.21.2.2电枢感应电势电枢感应电势11 根据法拉第电磁感应定律，运动导体切割磁场的磁力线将根据法拉第电磁感应定律，运动导体切割磁场的磁力线将产生感应电势产生感应电势e e，感应电势，感应电势e e加上导体电阻加上导体电阻r r上的电压降上的电压降 ，同外加，同外加电压电压 平衡：平衡： 感应电势感应电势e e的大小为：的大小为： aNNU 式中，式中， 为导体在磁场中的有效长度，单位为为导体在磁场中的有效长

3、度，单位为m m。 感应电势感应电势e e的方向可用右手定则确定。的方向可用右手定则确定。 在电机学中，在电机学中，e e称称运动电势运动电势或或切割电势切割电势或或旋转电势旋转电势。1.2.2 1.2.2 电枢感应电势电枢感应电势12 如果电枢上串联布置有如果电枢上串联布置有 根总导体数，气隙磁场的平均磁根总导体数，气隙磁场的平均磁通密度为通密度为 ，电枢导体在气隙磁场中的有效长度（也称计算，电枢导体在气隙磁场中的有效长度（也称计算长度）为长度）为 ，那末，电枢的串联总导体数，那末，电枢的串联总导体数 的的总平均电总平均电势势 ，如果电动机电枢线圈被电刷对称地分成如果电动机电枢线圈被电刷对称

4、地分成 条条( ( 为并联支路对数为并联支路对数) )并联支路后，接到外加电压并联支路后，接到外加电压 上。那上。那末，每条并联支路两端的感应电势是相等的，因此，末，每条并联支路两端的感应电势是相等的，因此，电枢感应电电枢感应电势势 ，又由于电动机的每极磁通量又由于电动机的每极磁通量 ，电枢铁芯外圆的线速度电枢铁芯外圆的线速度 ，式中，式中， 为电枢转速为电枢转速（rpmrpm）。所以，）。所以，电枢感应电势电枢感应电势aN( )cpBT( )L mdaN2aaNUn ( )CPaEB LN Vdn=()2aaCPDL BWbPdpF=(/ )60aD nm spn=()60aaaPNEn V

5、aF=1.2.3 1.2.3 电磁转矩系数和电势系数电磁转矩系数和电势系数13 公式（公式（3 3）中）中 的电流的电流 为电枢线圈导体中的电流，如果电为电枢线圈导体中的电流，如果电枢绕圈的并联支路数为枢绕圈的并联支路数为 ，且电动机的输入电流为，且电动机的输入电流为I I时，那末，时，那末，电枢线圈导体中的电流电枢线圈导体中的电流 ，所以，公式（，所以，公式（3 3）又可写成）又可写成aNNU其中，其中， 称为称为电磁转矩系数电磁转矩系数，单位为，单位为 。它是直流电动机的主。它是直流电动机的主要参数，在给定负载转矩情况下，它决定了电动机的输入电流值；要参数，在给定负载转矩情况下，它决定了电

6、动机的输入电流值；它也是直流电动机主要的设计参数。它也是直流电动机主要的设计参数。1.2.3 1.2.3 电磁转矩系数和电势系数电磁转矩系数和电势系数14前述公式（前述公式（4 4）可写成：）可写成：aNNU称为电势系数，单位为：称为电势系数，单位为： ；若将公式中的转速若将公式中的转速 用角速度用角速度 表示，表示，而且，得到而且，得到电势系数电势系数 ， (11(11）单位为：单位为： ；1.2.4 1.2.4 电动机损耗及能量流程图电动机损耗及能量流程图15aNNU 电动机的损耗可以分为两类：电动机的损耗可以分为两类：A A、同负载（电磁转矩）、同负载（电磁转矩）有关的；有关的；B B、

7、同转速有关的。、同转速有关的。 A A、同负载（电磁转矩）有关的损耗为、同负载（电磁转矩）有关的损耗为：(1)(1)电枢线圈的铜损耗电枢线圈的铜损耗 ： ，其中，其中， 为电动为电动机输入电流，机输入电流， 为电动机电枢电阻。为电动机电枢电阻。(2)(2)电刷接触损耗电刷接触损耗 ：通常用：通常用 计算，其计算，其中，中， 为一对电刷接触电压降。为一对电刷接触电压降。(3)(3)换向损耗换向损耗 ，是换向线圈内的电损耗。该损耗会随，是换向线圈内的电损耗。该损耗会随电枢电流（也即负载）的增大而增加。电枢电流（也即负载）的增大而增加。 1.2.4 1.2.4 电动机损耗及能量流程图电动机损耗及能量

8、流程图16 B B、同转速有关的损耗为、同转速有关的损耗为：(1)(1)电刷接触损耗电刷接触损耗 ，也与转速有关。，也与转速有关。(2)(2)换向损耗换向损耗 。(3)(3)转子铁芯损耗转子铁芯损耗 。它分为涡流损耗和磁滞损耗。它分为涡流损耗和磁滞损耗。(4)(4)风损和摩擦损耗，统称为机械损耗风损和摩擦损耗，统称为机械损耗 。包括：电。包括：电刷与换向器的摩擦损耗刷与换向器的摩擦损耗 ；轴承摩擦损耗；轴承摩擦损耗 ，电，电枢与空气的摩擦损耗枢与空气的摩擦损耗 。它们都与转速有关，随转。它们都与转速有关，随转速的升高而增大。若电枢还带有风扇，还应加上风扇速的升高而增大。若电枢还带有风扇，还应加

9、上风扇引起的损耗引起的损耗 。 aNNU1.2.4 1.2.4 电动机损耗及能量流程图电动机损耗及能量流程图17微型永磁电动机能量流程图微型永磁电动机能量流程图，如图，如图7 7所示。所示。aNNU1.2.4 1.2.4 电动机损耗及能量流程图电动机损耗及能量流程图18从机械系统这一侧看，电磁功率从机械系统这一侧看，电磁功率 为电磁转矩为电磁转矩 与电枢角速与电枢角速度的乘积，即度的乘积，即 。但是，从电磁系统这一侧看，则为：但是，从电磁系统这一侧看，则为：aNNU 当电动机的电磁转矩的作用方向与角速度方向一致时，电动机作机当电动机的电磁转矩的作用方向与角速度方向一致时，电动机作机械功。此时，

10、电枢感应电势的方向与输入电流方向相反，从电网吸收电械功。此时，电枢感应电势的方向与输入电流方向相反，从电网吸收电功率，并且通过电动机内部的作用过程转换成了机械功。电动机的电枢功率，并且通过电动机内部的作用过程转换成了机械功。电动机的电枢感应电势与输入电流方向相反，通常又称之为反电势。在转速不变的条感应电势与输入电流方向相反，通常又称之为反电势。在转速不变的条件下，电磁转矩与负载转矩（含电枢铁芯损耗和机械损耗等造成的损失件下，电磁转矩与负载转矩（含电枢铁芯损耗和机械损耗等造成的损失转矩）相平衡而对负载作机械功。转矩）相平衡而对负载作机械功。2 2、主要特性、主要特性19aNNU 机械特性机械特性

11、是指是指当加到电动机电枢回路上两端的电压一定时，转速随当加到电动机电枢回路上两端的电压一定时，转速随着转矩的变化而变化的特性曲线着转矩的变化而变化的特性曲线。 每一个电压对应着一条特性曲线。下面分析可知，这条特性曲线是每一个电压对应着一条特性曲线。下面分析可知，这条特性曲线是一条下垂的直线，即随着转矩（横坐标）的增大，转速随之成正比例降一条下垂的直线，即随着转矩（横坐标）的增大，转速随之成正比例降低（纵坐标），如图低（纵坐标），如图8 8所示。所示。2.1 2.1 机械特性机械特性图图8 82 2、主要特性、主要特性20aNNU 如果忽略电枢反应和其他引起磁通变化等次要因素，认为电动机的如果忽

12、略电枢反应和其他引起磁通变化等次要因素，认为电动机的气隙磁通气隙磁通 是一常数。此外，不计电势和电流的脉动分量，那末，电是一常数。此外，不计电势和电流的脉动分量，那末，电动机在稳态运行情况下，电枢绕组的感应电势为动机在稳态运行情况下，电枢绕组的感应电势为 ，电磁转，电磁转矩矩 ，而且，电枢回路的电压平衡方程式为：，而且，电枢回路的电压平衡方程式为：2.1 2.1 机械特性机械特性2 2、主要特性、主要特性21aNNU2.1 2.1 机械特性机械特性2 2、主要特性、主要特性22aNNU其中，其中， ，公式（，公式（1919）或（）或（2020）即为电动机的机械特）即为电动机的机械特性解析式。它

13、表明：转速随负载转矩增大而下降，几乎是一条直线。性解析式。它表明：转速随负载转矩增大而下降，几乎是一条直线。 为为空载转速；空载转速； 为下降的斜率。该斜率同电枢电阻成正比，同转矩系数与电为下降的斜率。该斜率同电枢电阻成正比，同转矩系数与电势系数的乘积成反比。也即，电枢电阻小，转矩系数大时，斜率变小，转速势系数的乘积成反比。也即，电枢电阻小，转矩系数大时，斜率变小，转速下降得慢，所谓机械特性较下降得慢，所谓机械特性较“硬硬”，反而，机械特性较，反而，机械特性较“软软”。2.1 2.1 机械特性机械特性2 2、主要特性、主要特性23aNNU 已知机械特性，可进行如下计算：已知机械特性，可进行如下

14、计算：(1)(1)已知机械特性，可求得对应机械特性上各点的输出功率已知机械特性，可求得对应机械特性上各点的输出功率 和最大输出功率和最大输出功率 运行点：运行点：2.1 2.1 机械特性机械特性公式（公式（2121）表明，输出功率）表明，输出功率 P P2 2随负载转矩随负载转矩T T变化的关系是一条二次抛物线。变化的关系是一条二次抛物线。当当 T=0T=0时，时，P P2 2=0=0，当，当T=T= n n0 0/c/cn n 时，即堵转转矩时，时，即堵转转矩时，P P2 2 =0=0，因此，中间有一，因此，中间有一个最大输出功率个最大输出功率 值值 。对公式（对公式（2121）求导数，并使

15、导数为零，可得：）求导数，并使导数为零，可得： 对应最大输出功率时的负载转矩对应最大输出功率时的负载转矩： （2222）2 2、主要特性、主要特性24aNNU该转矩为堵转转矩的一半，且此时的转速为空载转速的一半，即该转矩为堵转转矩的一半，且此时的转速为空载转速的一半，即 （2323）最大输出功率最大输出功率 （2424）最大输出功率时的电磁转矩最大输出功率时的电磁转矩 ，电流，电流 以及输入功率以及输入功率 和效率和效率 ，均，均可求得：可求得：2.1 2.1 机械特性机械特性2 2、主要特性、主要特性25aNNU(2 (2）已知机械特性，可求得电动机的最大效率运行点：已知机械特性，可求得电动

16、机的最大效率运行点： ，即为输出功率，即为输出功率同输入功率之比，且同输入功率之比，且 式中式中 为电磁功率，为电磁功率， 机械损耗功率，所以，机械损耗功率，所以，2.1 2.1 机械特性机械特性应用公式（应用公式（2020）可得：）可得：2 2、主要特性、主要特性26aNNU由公式（由公式（2525）知：当）知：当 以及以及 时，也即时，也即 和和 时，时， 均为零，均为零，也就是对应于也就是对应于 和和 时，在中间有一效率的最大值时，在中间有一效率的最大值 。用公式（。用公式（2525）对对 求导数，且使导数为零，可得求导数，且使导数为零，可得对应最大效率对应最大效率 时的感应电势时的感应

17、电势2.1 2.1 机械特性机械特性并得到并得到公式（公式（2828）表明：电动机的最大效率，取决于空载时电枢电阻压降的相）表明：电动机的最大效率，取决于空载时电枢电阻压降的相对值；在端电压对值；在端电压 一定的情况下，取决于空载电流和电枢电阻。空载电流一定的情况下，取决于空载电流和电枢电阻。空载电流由对应于转子铁芯损耗和机械损耗的损失转矩决定。由对应于转子铁芯损耗和机械损耗的损失转矩决定。 2 2、主要特性、主要特性27aNNU对应于最大效率时的转速、电流、转矩和功率均可求得：对应于最大效率时的转速、电流、转矩和功率均可求得：2.1 2.1 机械特性机械特性2 2、主要特性、主要特性28aN

18、NU 对应于最大效率时的转速、电流、转矩和功率均可求得：对应于最大效率时的转速、电流、转矩和功率均可求得：2.1 2.1 机械特性机械特性 从上面的分析可知，最大输出功率对应于二分之一空载转速，此时的效从上面的分析可知，最大输出功率对应于二分之一空载转速，此时的效率较低，经验表明，在率较低，经验表明，在50%50%以下。因此，电动机不常在最大输出功率点上运以下。因此，电动机不常在最大输出功率点上运行。最大效率点的输出功率一般小于最大输出功率，其对应的转速也较高，行。最大效率点的输出功率一般小于最大输出功率，其对应的转速也较高，电动机的额定运行点通常取在其附近。电动机的额定运行点通常取在其附近。

19、2 2、主要特性、主要特性29aNNU令令 ，此参数对电动机的机械特性影响很大。对应最大效率点上的各，此参数对电动机的机械特性影响很大。对应最大效率点上的各物理量的值主要由物理量的值主要由 值决定。将公式（值决定。将公式（2828）、（）、（2929）、（）、（3030）、（）、（3131）、）、（3232）、（）、（3333）、（）、（3434）可改写成：）可改写成：2.1 2.1 机械特性机械特性2 2、主要特性、主要特性30aNNU 调节特性是指当加到电动机转轴上的负载转矩一定时，转速随着加到电调节特性是指当加到电动机转轴上的负载转矩一定时，转速随着加到电枢回路两端的电压的变化而变化的特

20、性曲线。每一个负载转矩对应着一条特枢回路两端的电压的变化而变化的特性曲线。每一个负载转矩对应着一条特性曲线。从公式（性曲线。从公式（1919）可以看出，是一条直线，即随着电压（横坐标）的增）可以看出，是一条直线，即随着电压（横坐标）的增大，转速随之正比例升高（纵坐标），如图大，转速随之正比例升高（纵坐标），如图9 9所示。所示。2.2 2.2 调节特性调节特性2 2、主要特性、主要特性31aNNU 稳速微型永磁直流电动机的功能是，当加到电枢回路两端的电压在容许稳速微型永磁直流电动机的功能是，当加到电枢回路两端的电压在容许的范围内变化时，以及加到电动机转轴上的负载转矩在容许的范围内变化时，的范围

21、内变化时，以及加到电动机转轴上的负载转矩在容许的范围内变化时，电动机的转速应保持恒定。分下列三种情况：电动机的转速应保持恒定。分下列三种情况：(1)(1)电枢回路两端电压恒定，负载转矩变化时，转速的稳定性用百分数来表示电枢回路两端电压恒定，负载转矩变化时，转速的稳定性用百分数来表示。即定义为：即定义为： 1/21/2额定负载转矩时转速与额定负载转矩时转速之差对额定负载额定负载转矩时转速与额定负载转矩时转速之差对额定负载转矩时转速之比的百分数，称为电压一定时的转速稳定度，用转矩时转速之比的百分数，称为电压一定时的转速稳定度，用 K K1 1表示。表示。2.3 2.3 稳速品质稳速品质-带上稳速器

22、之后作为稳速微型带上稳速器之后作为稳速微型永磁直流电动机的转速稳定性永磁直流电动机的转速稳定性 式中，式中，n nN N 额定负载转矩时的转速；额定负载转矩时的转速； n n1/21/2 1/2 1/2额定负载转矩时的转速。额定负载转矩时的转速。 K K1 1一般在一般在1.5%1.5%3%3%范围内。范围内。2 2、主要特性、主要特性32aNNU(2)(2)负载转矩恒定，电枢回路两端电压变化时，转速的稳定性用百分数来表示负载转矩恒定，电枢回路两端电压变化时，转速的稳定性用百分数来表示。即定义为：电压自最大使用电压降低到最小使用电压时，两个转速之差对最即定义为：电压自最大使用电压降低到最小使用

23、电压时，两个转速之差对最小使用电压的转速之比的百分数，称为转矩一定时的转速稳定度，用小使用电压的转速之比的百分数，称为转矩一定时的转速稳定度，用 K K2 2表表示示。2.3 2.3 稳速品质稳速品质-带上稳速器之后作为稳速微型带上稳速器之后作为稳速微型永磁直流电动机的转速稳定性永磁直流电动机的转速稳定性 式中，式中，n nvmaxvmax 最大使用电压时的转速；最大使用电压时的转速； n nvminvmin最小使用电压时的转速。最小使用电压时的转速。 K K2 2一般在一般在1.5%1.5%3%3%范围内。范围内。2 2、主要特性、主要特性33aNNU(3)(3)加到电枢回路两端的电压以及加

24、到电动机转轴上的负载转矩在容许的范围加到电枢回路两端的电压以及加到电动机转轴上的负载转矩在容许的范围内变化时，转速的稳定性用百分数来表示。内变化时，转速的稳定性用百分数来表示。即定义为：即定义为： 1/21/2额定负载转矩时额定负载转矩时最大使用电压下转速与额定负载转矩时最小使用电压下转速之差同额定负载最大使用电压下转速与额定负载转矩时最小使用电压下转速之差同额定负载转矩时最小使用电压下转速之比的百分数，称为综合转速稳定度，用转矩时最小使用电压下转速之比的百分数，称为综合转速稳定度，用 K K3 3表表示示。2.3 2.3 稳速品质稳速品质-带上稳速器之后作为稳速微型带上稳速器之后作为稳速微型

25、永磁直流电动机的转速稳定性永磁直流电动机的转速稳定性 式中，式中， 额定负载转矩时最大使用电压下的转速；额定负载转矩时最大使用电压下的转速； 额定负额定负载转矩时最小使用电压下的转速。载转矩时最小使用电压下的转速。 K K3 3一般在一般在2%2%5%5%范围内。范围内。2 2、主要特性、主要特性34aNNU 稳态运行的稳速微型永磁直流电动机的转速实际上是不断变化的。这些稳态运行的稳速微型永磁直流电动机的转速实际上是不断变化的。这些变化，大致可分为三类：变化，大致可分为三类：转速漂移转速漂移（转速随时间做较缓慢的变化）；（转速随时间做较缓慢的变化）；转速抖转速抖动动（转速随时间作很快的变化）；

26、（转速随时间作很快的变化）；转速扰动转速扰动（转速变化是一种突变的性质）。（转速变化是一种突变的性质）。 由于引起变化的原因很多，不是唯一的。一种原因可以引起漂移，也可由于引起变化的原因很多，不是唯一的。一种原因可以引起漂移，也可以引起抖动或扰动。所以，对规定的转速以引起抖动或扰动。所以，对规定的转速n n稳定度也可统一定义为：稳定度也可统一定义为：2.3 2.3 稳速品质稳速品质-带上稳速器之后作为稳速微型带上稳速器之后作为稳速微型永磁直流电动机的转速稳定性永磁直流电动机的转速稳定性 其中，其中， 对规定的转速对规定的转速 的最大偏离值，的最大偏离值， nn规定的转速。规定的转速。2 2、主

27、要特性、主要特性35aNNU 电枢回路两端电压为额定值时，起动转矩同额定转矩之比，称为起动转电枢回路两端电压为额定值时，起动转矩同额定转矩之比，称为起动转矩倍数，用矩倍数，用 K Kst st表示。一般表示。一般 K Kst st=46=46倍，有的情况可达倍，有的情况可达 Kst=810Kst=810倍，甚至更倍，甚至更大。大。 当用于自动化装置中作为执行元件当用于自动化装置中作为执行元件伺服电动机时，一般还应具有如伺服电动机时，一般还应具有如下特性：下特性：(1)(1)快速响应，即机电时间常数要小；快速响应，即机电时间常数要小；(2)(2)控制灵敏，在低信号电压下起动性能好，控制信号死区小

28、，即起动电压小。控制灵敏，在低信号电压下起动性能好，控制信号死区小，即起动电压小。2.4 2.4 起动转矩倍数起动转矩倍数 3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用36aNNU 将永磁材料制成等截面的磁环。在环上均匀地绕上线圈。若线圈中流有将永磁材料制成等截面的磁环。在环上均匀地绕上线圈。若线圈中流有电流电流I I，如图，如图1010所示。对磁环的进行充磁磁化，可得到磁滞回线，如图所示。对磁环的进行充磁磁化，可得到磁滞回线，如图1111所所示。示。3.1 3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和内禀退磁曲线内禀退磁曲线 3.3.常用永磁材料性能和选用

29、常用永磁材料性能和选用37aNNU 当增大电流，使磁场强度当增大电流，使磁场强度H H达到达到H HS S时，磁环已达到饱和，其饱和磁感应时，磁环已达到饱和，其饱和磁感应强度（也称磁通密度）为强度（也称磁通密度）为B BS S。减小电流使。减小电流使H H逐渐单方向降低到零，则磁感应逐渐单方向降低到零，则磁感应强度并不降到零，而降到强度并不降到零，而降到BrBr，这个，这个BrBr称为剩余磁感应强度。若从这点开始改称为剩余磁感应强度。若从这点开始改变电流方向并使反向电流不断增大，则变电流方向并使反向电流不断增大，则H H也改变了方向并单方向不断增大到也改变了方向并单方向不断增大到H HC C，

30、使磁感应强度降低到零，这个，使磁感应强度降低到零，这个H HC C称为矫顽力。它和称为矫顽力。它和BrBr是永磁材料的主是永磁材料的主要性能参数。从要性能参数。从BrBr到到H HC C的曲线段是在第二象限，称为退磁曲线，即的曲线段是在第二象限，称为退磁曲线，即 曲线。曲线。B B 的单位为：的单位为：T T，H H的单位为的单位为 。 由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度 同磁场强度同磁场强度 之间的关系为之间的关系为3.1 3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和内禀退磁曲线内禀退磁曲线 3.3.常用永磁材料性能和选用常用

31、永磁材料性能和选用38aNNU 但是，在磁性材料中的这类铁磁物质中，由于在外磁场作用下被磁化后但是，在磁性材料中的这类铁磁物质中，由于在外磁场作用下被磁化后将会大大增强其磁场。这是因为这类铁磁物质都是由晶体构造，每个晶体内将会大大增强其磁场。这是因为这类铁磁物质都是由晶体构造，每个晶体内有许多很小的自发磁化区域，叫做有许多很小的自发磁化区域，叫做磁畴磁畴。每个磁畴含有。每个磁畴含有10101515个原子，每个原个原子，每个原子中的不成对的电子自旋形成磁畴的磁矩子中的不成对的电子自旋形成磁畴的磁矩 。因此种磁矩是无序排列（紊。因此种磁矩是无序排列（紊乱的），所以在铁磁物质内部合成的磁化强度等于零

32、。在外磁场的作用下磁乱的），所以在铁磁物质内部合成的磁化强度等于零。在外磁场的作用下磁矩矩 的方向改变和畴壁的移动，呈现有序排列。因此，在宏观上大大增强磁的方向改变和畴壁的移动，呈现有序排列。因此，在宏观上大大增强磁场。也即磁性材料在外磁的作用下被磁化后大大加强了磁场。所以，公式场。也即磁性材料在外磁的作用下被磁化后大大加强了磁场。所以，公式（4545）可写为）可写为3.1 3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和内禀退磁曲线内禀退磁曲线 式中式中 是铁磁物质被磁化后内在的磁感应强度称为内禀磁感应强度是铁磁物质被磁化后内在的磁感应强度称为内禀磁感应强度 ，又，又

33、称磁极化强度称磁极化强度 。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用39aNNU 描述内禀磁感应强度描述内禀磁感应强度 同磁场强度同磁场强度 的关系曲线的关系曲线 ，称为，称为内禀退磁曲线（在第二象限），简称内禀曲线。内禀退磁曲线（在第二象限），简称内禀曲线。 磁畴的磁矩磁畴的磁矩 在绝对温度为零时最大，随着温度升高在绝对温度为零时最大，随着温度升高 会减小，当达到会减小，当达到居里温度时，磁畴的磁矩宏观上对外表现为零，铁磁物质失去磁性。各种永居里温度时，磁畴的磁矩宏观上对外表现为零，铁磁物质失去磁性。各种永磁材料的居里温度是不同的。钕铁硼永磁材料的居里温度较低。若上述磁环磁材料的

34、居里温度是不同的。钕铁硼永磁材料的居里温度较低。若上述磁环中的材料为均匀磁性材料而且磁场为均匀磁场，中的材料为均匀磁性材料而且磁场为均匀磁场， 均沿着圆周，且方均沿着圆周，且方向均为圆周上一点的切线方向。因此，矢量可改为标量，即：向均为圆周上一点的切线方向。因此，矢量可改为标量，即： ，又可得：又可得： 。3.1 3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和内禀退磁曲线内禀退磁曲线 如果退磁曲线的磁场强度如果退磁曲线的磁场强度H H的负轴，改为正轴，也即取绝对值，那末，的负轴，改为正轴，也即取绝对值，那末，有：有：3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用

35、40aNNU 从图从图1111中可知，当电流中可知，当电流I I继续反向增大到使磁场强度继续反向增大到使磁场强度 时，此时时，此时 左右，左右，H HK K称为临界场强。称为临界场强。H HK K越大，越大， 矩形度越高，说明永磁矩形度越高，说明永磁材料抗外磁场能力越强，磁稳定性越好。当电流材料抗外磁场能力越强，磁稳定性越好。当电流I I反向增大使磁场强度反向增大使磁场强度 时，永磁材料的内禀磁感应强度时，永磁材料的内禀磁感应强度 下降到零，磁环已完全失磁。下降到零，磁环已完全失磁。 称作内称作内禀矫顽力。退磁曲线中磁感应强度禀矫顽力。退磁曲线中磁感应强度B B为正值，而磁场强度为正值，而磁场

36、强度H H为负值，这说明为负值，这说明B B同同H H的方向相反，磁通经过磁环时，沿磁通方向的磁位差不是降低而是升高。的方向相反，磁通经过磁环时，沿磁通方向的磁位差不是降低而是升高。这就是说，磁环是一个磁源，类似于电路中的电源。这就是说，磁环是一个磁源，类似于电路中的电源。3.1 3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和内禀退磁曲线内禀退磁曲线 上述的闭合磁环，即使充好磁，使其磁化，其内部存在剩余磁感应强上述的闭合磁环，即使充好磁，使其磁化，其内部存在剩余磁感应强度度 ，也不能在外界产生有用的磁场。就好像一台发电机在短路状态，对外，也不能在外界产生有用的磁场。就

37、好像一台发电机在短路状态，对外界不能输出电功率。若充好磁的磁环中存在一个缺口，形成一个气隙界不能输出电功率。若充好磁的磁环中存在一个缺口，形成一个气隙 ，那，那末，在气隙的两端就形成了两个磁极末，在气隙的两端就形成了两个磁极N N和和S S，如图，如图1212所示。根据磁通连续性所示。根据磁通连续性原理原理, ,磁通是连续的，如果气隙的截面和磁环的截面一样，则磁环内的磁通磁通是连续的，如果气隙的截面和磁环的截面一样，则磁环内的磁通密度密度 和气隙中磁通密度和气隙中磁通密度 的大小及方向完全相同。但是，磁场强度是的大小及方向完全相同。但是，磁场强度是不连续的。根据全电流定律，有：不连续的。根据全

38、电流定律，有：3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用41aNNU3.1 3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和内禀退磁曲线内禀退磁曲线 公式（公式（5050）为一直线方程式，在）为一直线方程式，在B-HB-H坐标上，其斜率坐标上，其斜率 。所。所以，通过原点以，通过原点 作直线作直线 ，使得斜率，使得斜率 ，同退磁曲线交于，同退磁曲线交于 点，这点点，这点就是磁环的静态工作点（相当于电机的空载工作点），这是因为就是磁环的静态工作点（相当于电机的空载工作点），这是因为 和和 必须在退磁曲线上，如图必须在退磁曲线上，如图1111所示。所示。 H Hm

39、 m的物理意义是：由于永磁体（磁环）不是无限长，其两端要出现磁的物理意义是：由于永磁体（磁环）不是无限长，其两端要出现磁极，此磁极在其内部形成一个与原磁化方向相反的极，此磁极在其内部形成一个与原磁化方向相反的“自退磁场自退磁场”。所以，。所以，没有外界退磁场时，因没有外界退磁场时，因“自退磁场自退磁场”的存在，永磁体也要退磁。这是在闭的存在，永磁体也要退磁。这是在闭合磁环中，充磁后的剩磁为合磁环中，充磁后的剩磁为B Br r ，而磁环开一个口，永磁体（磁环）内磁通，而磁环开一个口，永磁体（磁环）内磁通密度从密度从B Br r下降到下降到 B Bm m的原因。的原因。 若将退磁曲线的纵坐标乘以磁

40、环的截面积若将退磁曲线的纵坐标乘以磁环的截面积 S Sm m，得到磁通量得到磁通量 的坐标，将横坐标乘以磁环在磁化方向的平均长度的坐标，将横坐标乘以磁环在磁化方向的平均长度 h hm m，得磁，得磁势势F F的坐标，的坐标，3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用42aNNU3.1 3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和内禀退磁曲线内禀退磁曲线 所以退磁曲线也可以用所以退磁曲线也可以用 曲线曲线 来表示。来表示。 的单位为的单位为WbWb，F F的单位的单位为为A/mA/m。铝镍钴永磁材料，退磁曲线的形状同铁氧体永磁材料和稀土永磁。铝镍钴永磁材料，

41、退磁曲线的形状同铁氧体永磁材料和稀土永磁材料（稀土钴、钕铁硼）的退磁曲线的形状相比较有很大的区别，如图材料（稀土钴、钕铁硼）的退磁曲线的形状相比较有很大的区别，如图1313所示。所示。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用43aNNU3.1 3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和内禀退磁曲线内禀退磁曲线 铸造型铝镍钴永磁铸造型铝镍钴永磁BrBr最高可达最高可达1.35T1.35T，但矫顽力，但矫顽力H HC C低，通常小于低，通常小于160KA/m160KA/m，内禀矫顽力同，内禀矫顽力同H HC C接近，相差不大，而且退磁曲线是非线性的；接近，

42、相差不大，而且退磁曲线是非线性的；铸造型铁氧体永磁铸造型铁氧体永磁BrBr较低，一般为较低，一般为0.20.20.45T0.45T，矫顽力，矫顽力H HC C比较高，为比较高，为128128320KA/m320KA/m，高的可达，高的可达350 KA/m350 KA/m左右，内禀矫顽力同左右，内禀矫顽力同H HC C接近，相差也不大，接近，相差也不大，退磁曲线基本上是一条直线；稀土永磁，如铸造稀土钴永磁退磁曲线基本上是一条直线；稀土永磁，如铸造稀土钴永磁BrBr值较高，一值较高，一般为般为0.850.851.15T1.15T，矫顽力，矫顽力H HC C为为480480800 KA/m800 K

43、A/m，内禀矫顽力比，内禀矫顽力比H HC C大，退磁大，退磁曲线基本上是一条直线；又如铸造型钕铁硼永磁，曲线基本上是一条直线；又如铸造型钕铁硼永磁，BrBr一般为一般为1.021.021.25T1.25T，最，最高可达高可达1.48T1.48T，矫顽力，矫顽力H HC C为为760760992 KA/m992 KA/m，内禀矫顽力很大，一般为，内禀矫顽力很大，一般为8808801680 KA/m1680 KA/m，最高可达，最高可达2240KA/m2240KA/m，退磁曲线是一条直线。，退磁曲线是一条直线。必须指出的是：对应不同的温度，有不同的退磁曲线。必须指出的是：对应不同的温度，有不同的

44、退磁曲线。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用44aNNU3.2 3.2 回复线回复线 退磁曲线所表示的磁感应强度与磁场强度之间的关系，只有在磁场强退磁曲线所表示的磁感应强度与磁场强度之间的关系，只有在磁场强度单方向变化才存在。对已充磁磁化了的磁环，在外界去磁磁场的作用下，度单方向变化才存在。对已充磁磁化了的磁环，在外界去磁磁场的作用下，磁感应强度沿图磁感应强度沿图1414中的退磁曲线段中的退磁曲线段B Br rP P下降。如果在下降到下降。如果在下降到P P点时消去外加点时消去外加磁场强度磁场强度H HP P，则磁感应强度并不会沿退磁曲线段，则磁感应强度并不会沿退磁曲线段B

45、Br rP P回复到回复到B Br r点，而是沿另点，而是沿另一曲线段一曲线段PBRPBR上升到上升到R R点。若再施加去磁磁场，则磁感应强度沿曲线段点。若再施加去磁磁场，则磁感应强度沿曲线段RB/PRB/P下降到下降到P P点。如此多次反复后形成一个局部的小回线，称为局部磁滞回线。点。如此多次反复后形成一个局部的小回线，称为局部磁滞回线。由于由于“磁性适应磁性适应”现象，当现象，当H H的值在一定范围内反复变化若干次后才能完全的值在一定范围内反复变化若干次后才能完全重合。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重合。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 来来代

46、替，称为回复线。代替，称为回复线。P P点为回复线的起点。如果以后施加的去磁磁场强度不点为回复线的起点。如果以后施加的去磁磁场强度不超过第一次的值超过第一次的值H HP P，则磁感应强度沿回复线，则磁感应强度沿回复线 作可逆变化。如果去磁磁场作可逆变化。如果去磁磁场强度大于强度大于H HP P，比如，比如， H HQ QHHP P，则磁感应强度下降到新的起始点，则磁感应强度下降到新的起始点Q Q，沿新的，沿新的回复线回复线 变化，不能再沿原来的回复线变化，不能再沿原来的回复线 变化。回复线的平均斜率与真空变化。回复线的平均斜率与真空磁导率磁导率 0 0 的比值的比值 称为相对回复磁导率，简称回

47、复磁导率（也称回复系数或称为相对回复磁导率，简称回复磁导率（也称回复系数或可逆磁导率）。可逆磁导率）。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用45aNNU3.2 3.2 回复线回复线 当退磁曲线为非线性时，当退磁曲线为非线性时， r r 的值与起始点的位置有关，不是常量，而的值与起始点的位置有关，不是常量，而是变量。但通常变化较小，可近似地认为是一个常数，且近似等于退磁曲是变量。但通常变化较小，可近似地认为是一个常数，且近似等于退磁曲线在（线在（ B Br r，0 0）点处的切线的斜率值。）点处的切线的斜率值。 对于铁氧体永磁，因其退磁曲线基本上为一直线，只要当磁场强度不对于铁氧体

48、永磁，因其退磁曲线基本上为一直线，只要当磁场强度不超过其拐点超过其拐点K K处，回复线同退磁曲线的直线段处，回复线同退磁曲线的直线段KTKT相重合。如果超过了拐点相重合。如果超过了拐点K K，比如比如 在在MM点，那末，回复线便是点，那末，回复线便是 ， 不再同退磁曲线直线部分重合了，不再同退磁曲线直线部分重合了，见图见图1414所示。所示。 对于稀土永磁，因其退磁曲线全部为直线，因此，回复线完全同退磁对于稀土永磁，因其退磁曲线全部为直线，因此，回复线完全同退磁曲线重合。曲线重合。 对于铁氧体对于铁氧体 r r =1.1 =1.11.3; 1.3; 对于粘结型钕铁硼对于粘结型钕铁硼 r r =

49、1.15=1.15；对于铸造型钕铁；对于铸造型钕铁硼硼 r r =1.05=1.05。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用46aNNU3.2 3.2 回复线回复线 以单位体积来表示永磁材料向外空间储存能量的能力，可用退磁曲线以单位体积来表示永磁材料向外空间储存能量的能力，可用退磁曲线上每一点磁感应强度和磁场强度的乘积上每一点磁感应强度和磁场强度的乘积BHBH来衡量，来衡量，BHBH称为磁能积，单位为称为磁能积，单位为J/m3J/m3。图。图1515的左边为退磁曲线；右边画出的左边为退磁曲线；右边画出B B同乘积同乘积BHBH的关系曲线，即磁能的关系曲线，即磁能积曲线。在积曲线。

50、在BrBr点，点，H=0H=0；在；在H HC C点，点，B=0B=0。所以，。所以，BH=0BH=0。对应某一个磁感应。对应某一个磁感应强度强度B Bd d时，有最大磁能积时，有最大磁能积(BH)max(BH)max。永磁材料的磁性能除。永磁材料的磁性能除BrBr和和H HC C外，外，(BH)max(BH)max也是一重要参数。也是一重要参数。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用47aNNU3.3 3.3 磁能积和最大磁能积磁能积和最大磁能积 前面说过，用永磁材料制成磁极，建立电动机所需要的激磁磁前面说过，用永磁材料制成磁极，建立电动机所需要的激磁磁场，该磁场越强，说明用该

51、永磁材料制成的磁极向外空间储存的能场，该磁场越强，说明用该永磁材料制成的磁极向外空间储存的能量越大。以单位体积来表示永磁材料向外空间储存能量的能力，可量越大。以单位体积来表示永磁材料向外空间储存能量的能力，可用退磁曲线上每一点磁感应强度和磁场强度的乘积用退磁曲线上每一点磁感应强度和磁场强度的乘积BHBH来衡量，来衡量，BHBH称为磁能积，单位为称为磁能积，单位为J/m3J/m3。图。图1515的左边为退磁曲线；右边画出的左边为退磁曲线；右边画出B B同同乘积乘积BHBH的关系曲线，即磁能积曲线。在的关系曲线，即磁能积曲线。在BrBr点，点，H=0H=0；在；在H HC C点，点，B=0B=0。

52、所以，所以，BH=0BH=0。对应某一个磁感应强度。对应某一个磁感应强度B Bd d时，有最大磁能积时，有最大磁能积(BH)max(BH)max。永磁材料的磁性能除永磁材料的磁性能除B Br r和和H HC C外，外，(BH)max(BH)max也是一重要参数。也是一重要参数。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用48aNNU3.4 3.4 永磁材料磁性能稳定性永磁材料磁性能稳定性 (1)(1)热稳定性热稳定性 永磁材料的磁性能会受其所处的环境温度的改变而引起变化。比如，永磁材料的磁性能会受其所处的环境温度的改变而引起变化。比如，当温度从当温度从t t0 0升高到升高到t t1

53、1时，磁感应强度时，磁感应强度B B则从则从B B0 0降低到降低到B B1 1。如图。如图1616所示。但是，所示。但是，当温度从当温度从t t1 1再降低到再降低到t t0 0时，磁感应强度时，磁感应强度B B不再回到不再回到B B0 0，而是降低了，回到，而是降低了，回到 B B0 0，以后随温度在以后随温度在t t0 0和和t t1 1之间的变化，磁感应强度之间的变化，磁感应强度B B则在则在 B B0 0和和B1B1之间变化。之间变化。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用49aNNU3.4 3.4 永磁材料磁性能稳定性永磁材料磁性能稳定性 (1)(1)热稳定性热稳定性

54、 此间的磁性能的损失，分两个部分：一是可逆损失此间的磁性能的损失，分两个部分：一是可逆损失IRIR部分。各种永磁部分。各种永磁材料的剩余磁感应强度材料的剩余磁感应强度B Br r 随温度可逆变化的温度系数随温度可逆变化的温度系数 ，单，单位为位为 。同理，内禀矫顽力。同理，内禀矫顽力H Hc ic i 随温度可逆变化的随温度可逆变化的温度系数温度系数 ，单位为，单位为 。 二是不可逆损失二是不可逆损失ILIL部分。这是不可避免的。当温度恢复后磁性能不能部分。这是不可避免的。当温度恢复后磁性能不能恢复到原来的值。不可逆损失率恢复到原来的值。不可逆损失率ILIL用百分比表示，用百分比表示， 。 永

55、磁材料的可逆损失，经重新充磁磁化后能够恢复，而不可逆损失则永磁材料的可逆损失，经重新充磁磁化后能够恢复，而不可逆损失则不可能恢复的。因为在此温度下引起永磁体微结构的变化，造成不可能再不可能恢复的。因为在此温度下引起永磁体微结构的变化，造成不可能再恢复了。比如，钕铁硼在较高温度下引起了氧化，会造成不可逆损失。恢复了。比如，钕铁硼在较高温度下引起了氧化，会造成不可逆损失。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用50aNNU3.4 3.4 永磁材料磁性能稳定性永磁材料磁性能稳定性 材料手册中，通常提供的剩余磁感应强度材料手册中，通常提供的剩余磁感应强度BrBr的值为室温的值为室温t0=2

56、0t0=20时数值。时数值。那末，在工作温度那末，在工作温度t t1 1时的剩余磁感应强度时的剩余磁感应强度B Br t1r t1则为：则为： 式中式中ILIL为绝对值。为绝对值。 对钕铁硼永磁材料在开路时的磁性能不可逆损失，对钕铁硼永磁材料在开路时的磁性能不可逆损失，ILIL约为约为5%5%。铁氧体。铁氧体永磁剩余磁感应强度温度系数永磁剩余磁感应强度温度系数 为：为：(0.18(0.180.200.20）%K%K-1 -1, ,但矫顽力的温但矫顽力的温度系数度系数 是正值，为：是正值，为：+(0.40+(0.400.60)%K0.60)%K-1 -1。铝镍钴永磁的。铝镍钴永磁的 =-0.02

57、% K=-0.02% K-1 -1, ,其其 基本上同基本上同 。稀土钴永磁的。稀土钴永磁的 =0.03% K=0.03% K-1 -1, ,其其 基本上同基本上同 。钕铁硼永磁。钕铁硼永磁的的 =0.13% K=0.13% K-1 -1, ,其其 基本上同基本上同 ，内禀矫顽力的温度系数，内禀矫顽力的温度系数 =(0.50=(0.500.60)%K0.60)%K-1 -1。3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用51aNNU3.4 3.4 永磁材料磁性能稳定性永磁材料磁性能稳定性 (2) (2) 磁稳定性磁稳定性 永磁材料的磁性能会受到外界磁场干扰而发生变化。前面已说过，永永磁材

58、料的磁性能会受到外界磁场干扰而发生变化。前面已说过，永磁材料的内禀矫顽力磁材料的内禀矫顽力 越大，内禀退磁曲线的矩形度越高（也即越大，内禀退磁曲线的矩形度越高（也即H HK K越大），越大），那末，抗外界磁场的干扰能力就越强，磁稳定性就越好。当那末，抗外界磁场的干扰能力就越强，磁稳定性就越好。当 和和H HK K大于某一大于某一定值后，其退磁曲线全部是直线。因此，回复线与退磁曲线相重合，外界定值后，其退磁曲线全部是直线。因此，回复线与退磁曲线相重合，外界磁场干扰就不会造成不可逆去磁。磁场干扰就不会造成不可逆去磁。 (3) (3)化学稳定性化学稳定性 永磁材料受到酸、碱、氧气、氢气等的化学作用，

59、其内部或表面化学永磁材料受到酸、碱、氧气、氢气等的化学作用，其内部或表面化学结构会发生变化，将严重损害其磁性能。比如，钕铁硼永磁材料的成份大结构会发生变化，将严重损害其磁性能。比如，钕铁硼永磁材料的成份大部分是铁和钕，容易氧化，需在制造永磁体时采取措施防止其氧化。部分是铁和钕，容易氧化，需在制造永磁体时采取措施防止其氧化。 (4)(4)时间稳定性时间稳定性 永磁材料经充磁磁化后，即使不受温度、外界磁场以及化学因素的影永磁材料经充磁磁化后，即使不受温度、外界磁场以及化学因素的影响，其磁性能也会随时间而变差。这种变化同材料的内禀矫顽力响，其磁性能也会随时间而变差。这种变化同材料的内禀矫顽力 H H

60、ci ci大小以大小以及永磁体的尺寸形状有关。比如，同永磁体细长比的大小有关。及永磁体的尺寸形状有关。比如，同永磁体细长比的大小有关。 (5) (5)冲击和振动稳定性冲击和振动稳定性 永磁材料经充磁磁化后，如果受到外界冲击和振动，也会使其磁性能永磁材料经充磁磁化后，如果受到外界冲击和振动，也会使其磁性能发生变化。因此，永磁体充磁后，应避免过大的冲击和振动。发生变化。因此，永磁体充磁后，应避免过大的冲击和振动。 3.3.常用永磁材料性能和选用常用永磁材料性能和选用52aNNU3.5 3.5 常用永磁材料特点常用永磁材料特点 (1)(1)铁氧体铁氧体(Ferrite)(Ferrite)永磁永磁 分