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稀土永磁同步电机——永磁电机的磁路设计

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2013-06-29

稀土永磁同步电机——永磁电机的磁路设计

磁路设计就是根据对磁场的要求,合理地选择磁路的参数和材料,设计出工艺上可行、特性满足要求、经济性好、能充分发挥材料性能的磁路。对于给定的磁路,可以唯一地得到其磁路特性。但是,若给定磁路特性要求,则可能有很多个磁路满足要求,而设计的目的就是找到一个满足要求的磁路。一般的设计过程是这样的:首先根据磁路特性的要求,初步确定其大致的磁路结构,确定各部分磁路的尺寸和材料,然后采用合适的磁路计算方法计算磁路的特性。若计算结果与性能要求之间的误差在允许范围内,则磁路设计完成;若超出允许范围,需要调整磁路的尺寸,甚至改变材料和磁路结构,直至得到合理的磁路。因此,磁路设计主要在于确定磁路总体结构、磁路的尺寸和相应材料的选择。电励磁电机的磁路设计已经比较成熟,有关论述也很多。永磁电机与电励磁电机磁路设计的不同在于永磁体的设计。现代永磁电机中,稀土永磁应用广泛,但价格高,因此在进行磁路设计时应充分发挥永磁材料的作用,用尽可能少的永磁体获得所需要的特性,磁路设计的关键在于永磁材料的选择和工作点的设计。

一、,永磁体的选择

常用永磁材料的特性已在第二章中进行了论述。永磁体及其性能多种多样,如何选择合适的永磁材料直接关系到电机的性能和经济性。永磁体的选择应满足以下要求:

( 1)永磁体应能在指定的工作空间内产生所需要的磁场。

( 2)永磁体所建立的磁场应具有一定的稳定性,磁性能随工作温度和环境的变化应在允许的范围内。

( 3)具有良好的耐腐蚀性能。

( 4)具有较好的力学特性,如韧性好、抗压强度高、可加工等。

( 5)价格合理,经济性好。

具体到永磁电机中,各类永磁体的使用范围如下:

( 1)铁氧体永磁适合于对电机体积、重量和性能要求不高,而对电机的经济性要求高的场合。近年来,随着钦铁硼永磁价格的降低和导磁、导电材料价格的提高,对于同一台电机,采用钦铁硼可以减小电机体积、降低铜铁材料的用量,有时在经济性上是划算的。在许多场合,铁氧体永磁有逐渐被钦铁硼永磁代替的趋势。

( 2)铝镍钻永磁适合于对电机体积、重量和性能要求不高,但工作温度超过300 ℃或要求温度稳定性好且电机的成本不高的场合,铝镍钻永磁在电机中的应用已经很少。

( 3)钦铁硼永磁适合于对电机体积、重量和性能要求很高,工作环境温度不高,对永磁体温度稳定性要求不高的场合。

( 4)稀土钻永磁适合于对电机体积、重量和性能要求高,工作环境温度高,要求温度稳定性好,制造成本不是主要考虑因素的场合。

( 5)粘结永磁材料适合于批量大、磁极形状复杂、电机性能要求不高的场合。

二、永磁体的设计

1.永磁体的形状

永磁体的形状与所选择的磁极结构有关,对于表面式磁极结构,多采用瓦片形磁极;对于内置式磁极结构,多采用矩形永磁体。

2.磁极的结构

在永磁电机中,经常会出现永磁体的串联和并联。类似于电路中电池的串、并联,将两块或多块永磁体的磁动势沿充磁方向串联,共同提供磁动势,此时磁路的磁动势为它们磁动势的和,而提供磁通的面积为一块永磁体的面积。将两块或多块永磁体沿充磁方向并联,共同提供磁通,磁通为它们磁通的和,而磁动势等于一块永磁体的磁动势。具体的磁路结构见后续各章。

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