永磁电机设计中永磁材料的选用
邱克立
1引言
电动机的机理是电能转换成机械能，而这种能量转换是以磁场为媒介的。在电磁式电机中，是通过励磁线圈产生磁势源。而在永磁电机中是以永磁材料产生恒定磁势源。用永磁磁钢代替电励磁具有很多优点。如可使电机结构简单、维修方便、重量轻、体积小、使用可靠、用铜量少、铜耗低、能耗
小［1］。
永磁电机性能的好坏，直接与所采用的永磁材料的性能参数有着密切的关系。
2永磁电机与永磁磁钢性能的关系
通常，电机以两种特征参数来表征电机的能力系数。一个是磁负荷(气隙磁密)B
δ
，另一个是线负荷A(与电机安
匝数有关的参数)。当电机输出转矩一定时，B
δA为一定值。B
δ
取得大，A就可取得小。此关系可以从一般永磁直流
电动机的力矩公式(1)中看出。
转矩：
(1)
式中，α、δ、D、L均为电机几何参数。
线负荷：
(2)
式中I
a
——电枢绕组电流
N
c
——电枢绕组总匝数
a——电枢绕组的并联支路对数
可见，线负荷A与电机安匝数I
a N
c
成正比［2］。
随着永磁材料的发展，现代永磁电机日趋采用高强磁性材料，以提高剩磁磁密Br和气隙磁密B
δ
值，相应可降低线负荷A，即可降低
安匝数I
a N
c
，从而可大大降低铜线电阻R
a
及铜耗，使电机的效率提高，并使电机的体积和重量减小。
这点可从式(3)～(5)看出：
(3)
式中K
T
——转矩常数
K
E
——反电势常数
R a ——电枢绕组电阻 n ——电机转速 V ——电池电压
R a ∞N c (在相同的线径下) (4)
铜耗：P cu =I 2
a R a (5)
永磁电机输出功率的大小与磁钢的磁能积密切相关。由永磁电机理论可推导出以下的关系：
(6)
式中 P N ——额定输出功率 (BH)max ——磁钢的最大磁能积 V M ——磁钢的总体积 P ——电机极对数 n ——电机转速
由式(6)看出，P N ∞(BH)max
即当磁钢体积一定时，永磁电机的额定输出功率与磁钢的最大磁能积成正比［3］
。
可见，永磁电机对永磁材料的磁性能的要求是具有“三高”的磁特性，即剩磁磁密Br 高，矫顽磁力H c 高及最大磁能积(BH)max 高。而钕铁硼稀土永磁材料正具备这些优异的磁性能，从而使永磁电机的应用得到了迅猛发展。
3 在永磁电机设计中应注意的问题
在永磁电机设计时，应着重考虑以下几方面：
3.1 必须考虑到电机运行过程中产生的最大去磁磁势的影响
矫顽能力H c (或内禀矫顽磁力 j H c )是代表磁性材料的抗去磁能力，H c 抗去磁能力越强，在设计永磁电机时，应该着重考虑这一点。因此，在永磁电机设计中，选取最大电负荷时，电机的电枢反应所产生的去磁磁势绝对不能接近或超过磁钢所规定的H c 值或 j H c 值。否则，电机经过一段时间运转，或经过大负荷下运转，逐渐会使电机磁钢失磁或去磁，使电机性能严重变化。所以，在设计永磁电机时，必须考虑到电机运行过程中产生的最大去磁磁势的作用，应合理地设计永磁磁路的工作点。
3.2 对磁钢的去磁曲线的形状和线性度应有特殊要求
因电机是在交变磁场下工作，电机空载运行时，工作点在A 0点(空载工作点)，当加负载时，电机工作点沿去磁曲线趋向A 2点(见图1)；当去掉负载时，工作点不按去磁曲线回到A 0点，而是按回复直线到A 0点，显然，A 0点的Φ r 小于A 0点的磁通，电机磁钢长期以往下去，造成永久性的不可逆去磁，如图2所示。设计永磁电机时，要求磁钢的去磁曲线为线性(或接近于线性)，如图1所示，并且去磁曲线的斜率应等于或接近于可逆磁导率，使回复直线与去磁曲线相重合，以保证电机运行时磁钢工作点的稳定性，使工作点A 0稳定在去磁曲线与空载特性曲线的交点。
图1 线性去磁
曲线磁钢工作图
图2 非线性去
磁曲线磁钢工
作图
3.3 磁钢的温度稳定性
磁钢的热稳定性要好，即是说磁钢的耐高温能力强，这也是极为重要的一点。通常，电机从工艺和使用角度出发，要求磁钢能承受120℃的高温，在此温度下，永磁材料的Br 值和 j H c 值不应有明显变化(＜3%～5%)，或者有变化，但当温度下降到室温时，磁性Br 值和 j H c 值又能恢复到原来的状态，即没有不可逆的去磁。
随着温度的升高， 永磁材料的磁性 (Br 、 j H c )产生的不可逆损失即永磁材料的温度系数。表征磁钢温度稳定性的参数为剩磁温度系数αB 和矫顽磁力温度系数αH ，一般要求αB 和αH 均应小于0.001，通常认为越小越好。
磁钢还要求具有良好的机械强度，良好的抗震能力，良好的耐氧化、酸碱的防腐蚀能力，以及良好的加工工艺性能等。
4 结 语
随着新型永磁材料的迅速发展，尤其是“三高”的第三代钕铁硼稀土永磁材料的出现和进展，采用高强磁性能永磁材料，是永磁电机研究和设计工作者所希望和渴求的。但作为研究和设计工作者，除了研制和选用磁性能优异的永磁材料外，要有更合理的设计(包括电磁和结构设计)，使永磁体的磁性能得到充分利用，包括磁路的合理安排、路径最短、减小漏磁通、合理地设计永磁磁路的工作点，并考虑电负荷和磁负荷的合理匹配以及工艺性等，使电机达到最高的效率，并减小电机的体积和重量，降低电机生产成本。
