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。