磁性材料及电机

磁性材料及电机主要内容内容安排磁性材料直流电机电磁感应原理直流电机原理直流电机结构无刷直流电流电机内容安排永磁材料直流电机基础交流电机基础汽车工业中的永磁电机永磁材料在发电机中的应用内容安排永磁材料直流电机基础交流电机基础汽车工业中的永磁电机永磁材料在发电机中的应用磁性材料的分类1。按物理性质分类

a）.静磁特性：永磁；软磁；矩磁；磁记录（介质、磁头）

b）.交叉耦合效应：磁光；磁热；磁致收缩；旋磁；吸波；反常霍尔效应；铁电/铁磁；GMIc）.与自旋相关的输运性质：自旋电子学材料2。按化学组成分类金属（合金）；无机（氧化物）；有机化合物3。按维度分类纳米（零维；一维；二维）；微晶；非晶；块体4。按磁结构分类：铁磁；亚铁磁；反铁磁；超顺磁5。按应用分类：。。。隐身；磁制冷；磁传感器；MEMS。。。当前常用的重要硬磁材料主要有:稀土永磁材料，这是当前磁能积最高的一大类永磁材料，以稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物（又称金属间化物）。我国研制和生产的钕铁硼稀土合金就是永磁材料。金属永磁材料。这是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素（如镍，钴等）为为重要组元的合金型永磁材料，主要有铝镍钴（AlNiCo）系和铁铬钴（FeCrCo）系两大类永磁合金。铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等，发展较早，性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽，故应用范围也较广。当前常用的软磁材料主要有：铁—硅系软磁材料，常称硅刚片，是电机工业广泛使用的磁性材料。Globalmarketformagneticmaterialsthetotalwasabout30b$.全球市场：300亿美元稀土永磁稀土永磁稀土—铁永磁材料是指以稀土与铁形成的金属间化合物为基体的永磁材料。若按化学组成，稀土—铁永磁材料可分为：1)RE2Fe14B(简称2：14：l型)化合物永磁材料；2)ThMn12型，如Nd(Fe，M)12化合物永磁材料；3)间隙型稀土铁化合物，如Sm2Fel7Nx、Nd(Fe，M)12Nx、Nd3(Fe，M)29Nx等氮化物永磁材料；4)双相纳米晶复合交换耦合永磁材料，如Nd2Fe14B/α-Fe、Pr2Fe14B/α-Fe、Sm2Fe17Nx/α-Fe永磁材料等。稀土永磁Nd2Fe14B系（简称NdFeB）永磁材料已在现代科学技术与信息产业中得到广泛的应用，在永磁材料中占有重要的地位。其他稀土-铁永磁材料还处于发展阶段，离实用化还有相当一段距离。NdFeB永磁材料(包括烧结和粘结永磁材料)的磁性能高，相对价格较低，因而得到广泛应用，平均年增长率高达20％一30％。Fe-Cr-Co、Fe-Ni-Cu和Pt基永磁材料由于原材料价格高，或加工费用高，一直未能成为主流永磁材料。Mn-Al-C永磁材料则未到成熟期就开始萎缩。制造工艺烧结永磁材料粘结水磁材料热变形水磁永磁材料主要性能个参数①剩余磁感应强度Br在永磁材料饱和充磁的情况下，去掉外部磁化场后，永磁材料本身具有的磁感应强度值，也就是退磁曲线上磁场强度H为零时相应的磁感应强度值，称为剩余磁感应强度。剩余磁感应强度越大，磁体对外提供的磁场强度越强。②矫顽力Hc永磁材料饱和充磁后，使磁体剩余磁感应强度降到零时的外加反向磁场的磁场强度值，也就是退磁曲线上磁感应强度尽为零时相应的磁场强度值，称为磁感应强度矫顽力，简称矫顽力。永磁体的矫顽力代表了它抗外磁场干扰的能力，矫顽力越高，抗外磁场干扰的能力就越强。永磁材料主要性能个参数③磁能积(B·H)和最大磁能积(B·H)max退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积称为磁能积，它的大小与该永磁体在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比，磁能积的单位是J/m3，表示单位体积的永磁体能向外磁路提供的磁场能量。永磁体的最大磁能积决定于三个因素:剩余磁感应强度尽、矫顽力从、和退磁曲线在第二象限向外突出的程度(称为永磁体的形状系数)。在获得相同磁场能量的条件下，永磁体的最大磁能积越大，永磁体的体积就越小，所以在发电机中使用的永磁体的最大磁能积越大越好。④居里温度Tc随着温度的升高，永磁体的磁性能逐步降低，当温度升至某一点时，磁化强度消失，此时的温度称为该永磁材料的居里温度Tc，又称居里点。

永磁材料基本磁性1。饱和磁化强度Ms，Tc

:组成，磁结构2。剩磁Br：取向，密度

Br=

opMsf

.p-孔隙率；f－取向度

f=1/2–各向同性

f＝1－各向异性，理想取向。3。矫顽力Hc

：晶体结构，K，显微结构单畴：磁晶各向异性：Hc

～K/

oMs,BHc

Br

oMs

形状各向异性：Hc

～NMs4。磁能积（BH)m

（BH)m（理论）＝

oMs2/4

第一，二代稀土永磁

(1967—1975)第三代稀土永磁

(1983)第一代SmCo5(60年代）；第二代Sm2Co17(70年代）；第三代

Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？第一代第二代第三代第四代稀土永磁SmCo5Sm2Co17Nd2Fe14B

?晶体结构CaCu5型六角晶系六角或菱方结构四方晶系低对称晶系Js(T)＝

oMs1.141.251.6

1.8Tc(oC)727920320>300HA(T)25-446.57

7(BH)m(kJ/m3)200(259)*250(310)462(512)

600*(--)(BH)m理论值。SmFeN;SmFeC；1:12;3:29;纳米复合稀土永磁（BH)m(理论）

>800（kJ/m3)，1988年－？？工艺：速凝；氢爆；双合金永磁材料的比较稀土永磁薄膜MEMS；传感器等应用中要求微米级膜厚的永磁薄膜。薄膜永磁材料：永磁铁氧体；MnBi;MnAlC;R-Co;

NdFeB;Pt-Co/Fe----通常采用磁控溅射;激光沉积等工艺制备。

SmCo5~160kJ/m3;

Sm2Co17~136kJ/m3；

NdFeB

～240kJ/m3；（Pt/Fe）n~320kJ/m3NdFeB直流电机磁通量B

B

2.由B=/S，可知：磁感应强度B等于穿过单位面积的磁通量，因此磁感应强度又叫磁通密度.(讨论引起其变化的因素)

3.磁通量Φ是标量，但有方向，为了计算方便，有时可规定进该面或出该面为正，叠加时遵循代数和法则，即要考虑到相反磁场抵消后的磁通量(即净磁通量).

4.磁通量的单位：韦(Wb).则有：1T=1Wb/m２=1N/Am=1Vs/m２.

5.磁通量Φ、磁通量的变化量△Φ、磁通量的变化率△Φ/△t的区别.

磁通量是指穿插过某一回路的磁感线的条数；磁通量的变化量是说明磁通量改变了多少，但不能说明磁通量改变的快慢，值得注意的是当一个回路平面翻转180°时，磁通量的大小变不变暂且不论，但方向由正变负或由负变正，而磁通量的变化量为△Φ=Φ2-Φ1；

磁通量变化率△Φ/△t是指磁通量变化快慢的物理量，决定了该回路的感应电动势的大小，再结合该回路电阻可决定该电路的感应电流的大小.磁通量单位：wb磁通量的变化量单位：wb磁通量的变化率单位：wb/s定义穿过某一面积的磁感线的条数两个不同时刻磁通量的差值磁通量变化的快慢符号表示φΔφΔφ/Δt计算公式Φ=BSSINθ(θ是B与S所成的夹角)Δφ=φ2-φ1(φ2-φ1)/(t2-t1)物理意义Δφ是产生感应电动势的条件。Δφ/Δt决定了感应电动势的大小比较磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率。二、电磁感应现象——感应电流产生的条件

1.利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象，所产生的电动势称为感应电动势，所产生的电流称为感应电流.2.产生感应电流的条件：①闭合电路；②穿过闭合电路的磁通量发生变化；闭合电路的一部分做切割磁感线的运动穿过闭合电路的磁通量发生变化1.2.8电磁感应定律eBvev1.2.7载流导体在磁场中的安培力电磁定律Bfi左手定则：载流导体在磁场中受到的电磁力。4.5.2带电粒子在均匀磁场中的运动直流电机的基本结构风扇机座电枢铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接线盒励磁绕组端盖直流电动机

图1.5小型直流电机的结构剖面图

1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；

5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心1.1定子转子

（固定部分）（转动部分）主磁极换向极机座端盖轴承电刷装置产生磁场、电机的机械支撑电枢铁心电枢绕组换向器轴风扇感应电势，而实现能量转换的部分

一、定子部分

直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。图1.6直流电机的主磁极

1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢二、转子部分直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

图1.7直流电机的电枢1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承

1.2直流电机的磁路电枢铁心

由0．5mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定。1.2直流电机的磁路电枢铁心由0．5mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定。1.2直流电机的磁路磁极铁心由l-1.5mm厚的钢片叠成，与励磁线圈一起固定在磁轭上极靴表面沿圆周的长度称为极弧，二个相邻磁极上沿空气隙圆周表面的距离称为极距，极弧与极距比为极弧系数，约0.6—0.7极靴极靴较磁极极芯向外引伸，使空气隙中的磁通密度沿圆周变化时较为缓渐而均匀，有利于固定励磁线圈由于齿槽效应，表面磁通变化引起涡流损耗，极靴由叠片制成磁轭在磁极外围将磁路闭合的部分，磁轭和底座相连其中磁通不变（当直流励磁电流不变时），由铸刚构成换向极磁路换向极，是位于两个主磁极之间的小磁极，用于改善换向。换向极常用整块钢或厚钢板制成换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数量通常只有主磁极的一半，或不设置换向极1.3直流电机的电路励磁绕组 套在磁极铁芯上。 并励绕组——和电枢绕组并联，匝数较多、截面积较小 串励绕组——和电枢绕组串联，匝数较少，截面积较大

从电阻和能量消耗的角度考虑电枢绕组 嵌在电枢铁芯槽中 叠绕组和波绕组换向极绕组与电枢绕组串联，激励换向极磁通。

换向器 将电枢绕组内部的交流电势用机械换接的方法转换为电刷间的直流电势。1.4电刷装置电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路1.将转动的电枢与外电路相连2.与换向器配合作用而获得直流电压电刷组数一般等于电机极对数

1.5直流电机的励磁方式直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响他励——励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接自励——励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给

自励的形式励磁回路的功率占总功率的1-5%。二、直流电机电枢绕组作用：电枢绕组——功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换。特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。用环型绕组说明直流绕组的闭合情况电枢旋转时，各线圈依次通过电刷作为引出端

2.1双层绕组线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中：两边都能切割磁场而产生感应电势。两边电势相加：线圈的两边必须处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距。线圈对称排列：当一线圈的一个边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。虚槽概念在大型电机中、每层可能有N个并列圈边 为了改善电机的性能，用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。每层有3个圈边实槽虚槽每一元件有两个圈边，每一换向片上接有两个圈边，每一虚槽内放置有两个圈边，元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数

每线圈有Nc匝，则总导体数N直流电机原理图1.1

直流发电机原理模型

在图1.1所示瞬间，导体ab、cd的感应电动势方向分别由b指向a和由d指向c。这时电刷A呈正极性,电刷B呈负极性。

当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向。图1.2

直流发电机原理模型

从图看出，和电刷A接触的导体永远位于N极下，同样，和电刷B接触的导体永远位于S极下。因此，电刷A始终有正极性，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。

二、直流电动机的工作原理

导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。图1.3直流电动机的原理模型

当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd

、ab

后，从电刷B流出。这时导体cd

受力方向变为从右向左，导体ab

受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。图1.4

直流电动机原理模型

因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体

ab和cd

流入，使线圈边只要处于N

极下，其中通过电流的方向总是由电刷A

流入的方向，而在S

极下时，总是从电刷

B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。直流电机原理3.1.2基本工作原理1、直流发电机的工作原理电刷换向片直流发电机原理直流电机原理图1.1.1直流电动机物理模型

图1.1.2直流发电机物理模型稀土永磁电机优点结构简单,可靠性高能量转换效率高,电能消耗少低速性能好,调整率小环境适应性强功率密度高延长蓄电池使用寿命无刷直流电机电动自行车所用的无刷直流电机有刷直流电机优点:低噪声高效率无励磁需要易维护寿命长控制结构简单应用:航模医疗器械家用电器电动车

计算机电子仪器自动化办公设备

有刷直流电机发展基础稀土永磁材料迅速发展：矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线在大范围线性可逆等。现代电力电子器件工艺日臻成熟：出现了功率晶体管(GTR)