1.電機常用永磁材料的主要性能

1.1電機中常用的永磁材料

電機中常用的永磁材料包括燒結(jié)磁體和粘結(jié)磁體，主要種類有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷及釹鐵硼等。

鋁鎳鈷材料在20世紀(jì)80年代以前使用較多。它具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性和適用超高溫使用環(huán)境條件等優(yōu)點，在一些特殊用途如使用溫度要求高、磁穩(wěn)定性非常好的軍用或儀器儀表等特殊使用環(huán)境的電機中才采用。

鐵氧體材料屬非金屬永磁材料，價格低廉。它主要用于對使用性能及體積要求不高及量大面廣的經(jīng)濟系列微電機產(chǎn)品中。如玩具電機、日用電器電機、音像電機、辦公設(shè)備及通用儀表電機、汽車摩托車電機以及工業(yè)用的小功率驅(qū)動電機等。

釤鈷材料是20世紀(jì)60年代中期興起的磁性能優(yōu)異的永磁材料，且性能非常穩(wěn)定。釤鈷從磁性能方面來說特別適合于制造電機，但由于其價格昂貴，主要用于研究開發(fā)航空、航天、武器等軍用電機和高性能而價格不是主要因素的高科技領(lǐng)域的電機中。釹鐵硼材料是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的被稱為第三代高性能永磁材料.磁性能高于釤鈷，熱穩(wěn)定性較差，且很容易銹蝕，必須進(jìn)行表面防護(hù)處理，但價格便宜，所以迅速得到推廣應(yīng)用。隨著釹鐵硼材料的不斷更新，溫度性能不斷改善，特別是20世紀(jì)90年代以來，低溫度系數(shù)、耐高溫的釹鐵硼材料已研制成功，高性能耐熱釹鐵硼的工作溫度可達(dá)200℃，而且價格也不斷降低，使大部分的工業(yè)和民用電機中都采用釹鐵硼材料，并將取代大部分原鐵氧體材料而應(yīng)用于低價經(jīng)濟型電機中。

粘結(jié)永磁材料是由粘結(jié)劑與永磁材料混合后壓縮、注射或擠壓成型等方法制成的一種復(fù)合型永磁材料，包括粘結(jié)鐵氧體、粘結(jié)鋁鎳鈷、粘結(jié)釤鈷及粘結(jié)釹鐵硼。其中粘結(jié)釹鐵硼是目前最好的粘結(jié)永磁材料。它與燒結(jié)永磁材料相比有機械加工性能好，成型容易，可制成各種復(fù)雜的形狀，磁性能均勻一致性好以及容易進(jìn)行多極充磁等優(yōu)點。但粘結(jié)永磁材料的磁性能低于同類型的燒結(jié)磁體，磁能積約為相同材料的燒結(jié)磁體的40%~70%。在粘結(jié)永磁材料中，粘結(jié)釹鐵硼的前景最好，粘結(jié)釹鐵硼如果解決了工藝問題及提高質(zhì)量后，將成為應(yīng)用前景最廣的永磁材料。它目前主要用于小型無刷直流電機及步進(jìn)電機等精密微電機中。

1.2永磁材料的主要性能

(1)剩磁感應(yīng)強度。永磁材料在外磁場中充磁到飽和后，當(dāng)外磁場為零時，永磁材料所具有的磁感應(yīng)強度值。此項指標(biāo)數(shù)據(jù)直接關(guān)系著電機中氣隙磁密的高低。磁感應(yīng)強度值越高，電機的氣隙磁密將可能較高，轉(zhuǎn)矩常數(shù)、反電勢系數(shù)等電機的主要指標(biāo)將達(dá)到最佳值，電機的電負(fù)荷和磁負(fù)荷的取值關(guān)系才可能最合理，效率才能達(dá)到最佳。

(2)矯頑力Hc，(磁感應(yīng)矯頑力Hcb)。永磁材料在飽和磁化的情況下，當(dāng)剩磁感應(yīng)強度Br降到零時所需要的反向磁場強度。此項指標(biāo)與電機的抗退磁能力即過載倍數(shù)和氣隙磁密等指標(biāo)相關(guān)。Hc值越大，電機的抗退磁能力越強，過載倍數(shù)越大，對強退磁動態(tài)工作環(huán)境的適應(yīng)能力越強。同時電機的氣隙磁密也會有所提高。

(3)最大磁能積BHmax。永磁材料向外磁路提供的磁場能量的最大值。此項指標(biāo)與電機中永磁材料的用量直接相關(guān)，BHmax越大，預(yù)示著該種永磁材料對外磁路能提供的磁場能量越大，即在相同功率情況下電機中使用的永磁材料越少。

(4)內(nèi)稟矯頑力Hci。該項指標(biāo)是指當(dāng)剩余磁化強度M降到零時的磁場強度值。退磁曲線上B=0時對應(yīng)的Hcb值僅表示永磁體此時不能夠向外磁路提供能量，并不代表永磁體自身不具備能量。但當(dāng)M=0時對應(yīng)的Hci值卻表示此時永磁體已真正退磁，自身已完全無磁場能量儲存。雖然Hci與電機工作點無直接相關(guān)，但它才是永磁材料的真正矯頑力，代表著永磁材料擁有磁場能量和抗去磁場的能力。內(nèi)稟矯頑力的大小與永磁材料的溫度穩(wěn)定性密切相關(guān)。內(nèi)稟矯頑力越高，永磁材料的工作溫度才可能越高。

(5)溫度系數(shù)α。溫度是對永磁材料磁性能影響的主要因素之一，當(dāng)溫度每變化1℃時磁性能可逆變化的百分率稱為磁性材料的溫度系數(shù)。溫度系數(shù)可分為剩磁感應(yīng)溫度系數(shù)和矯頑力溫度系數(shù)。該項指標(biāo)對電機的性能穩(wěn)定性影響較大，溫度系數(shù)越高，電機運行從冷態(tài)到熱態(tài)時指標(biāo)的變化越大，它直接限制了電機的使用溫度范圍。間接影響到電機的功率體積比。

2永磁電機及特點

永磁電機中最大功率已達(dá)到1000kW，最小直徑

φ0.8mm，最高轉(zhuǎn)速300000r/min，最低轉(zhuǎn)速0.01r/min。永磁電機與電勵磁電機相比，具有以下特點.

2.1結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高

用永磁材料勵磁，可將原電勵磁電機中勵磁用的極靴及勵磁線圈由一塊或多塊永磁體替代，零部件大量減少，在結(jié)構(gòu)上大大簡化。同時由于省去了勵磁用的集電環(huán)和電刷，不但改善了電機的工藝性，而且電機運行的機械可靠性大為增強，壽命增加。

2.2性能優(yōu)異

永磁電機，特別是采用稀土永磁材料的電機，氣隙磁密可大大提高，電機指標(biāo)可實現(xiàn)最佳設(shè)計，其直接效果就是電機體積縮小，重量減輕。不僅如此，較其它電機而言，永磁電機還具有非常優(yōu)異的控制性能。這是因為：其一，由于稀土永磁材料的高性能而使電機的力矩常數(shù)、轉(zhuǎn)矩慣量比、功率密度等大大提高。通過合理設(shè)計又能使轉(zhuǎn)動慣量、電氣及機械時間常數(shù)等指標(biāo)大大降低，作為伺服控制性能的主要指標(biāo)有了很大改善。其二，現(xiàn)代永磁電機中，永磁磁路的設(shè)計已較完善，加上稀土永磁材料的矯頑力高，因而永磁電機的抗電樞反應(yīng)及其它去磁的能力大大加強，電機的控制參量隨外部擾動影響大大減小。其三，由于用永磁材料取代了電勵磁，減少了勵磁繞組及勵磁磁場的設(shè)計，因而減少了勵磁磁通、勵磁繞組電感、勵磁電流等諸多參數(shù)，從而直接減少了可控變量或參量。綜合以上各因素可以說永磁電機具有優(yōu)異的可控性。

例如，目前全數(shù)字永磁交流伺服電動機調(diào)速性能非常優(yōu)異，正弦波交流伺服電機的調(diào)速比最高可達(dá)1：100000。步進(jìn)電機和低速同步電機在采用永磁材料后，其輸出轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應(yīng)特性等都有明顯的改進(jìn)和提高。因而與同規(guī)格電機相比，永磁電機的動態(tài)性能指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、控制性能指標(biāo)以及可靠性指標(biāo)等都比普通電機有較大的提高。

2.3高效節(jié)能

永磁電機不但可減小電阻損耗，還能有效地提高功率因素。如永磁同步電機可在25%~120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因素。300W微電機專題2006年第7期16以內(nèi)的微型永磁直流電機比同規(guī)格的電勵磁電機效率高10%~20%。大量使用的風(fēng)機和泵類負(fù)載的電機改為永磁電機后，綜合節(jié)能效果十分顯著，功率越大，勵磁損耗占總損耗比例越大，因而永磁電機效率高的優(yōu)點越突出。

3永磁電機設(shè)計中應(yīng)深入研究的問題

3.1永磁材料利用率

永磁電機中，永磁材料成本占電機總成本的比例較大，因此如何節(jié)省材料，提高材料利用率是永磁電機生產(chǎn)廠家最關(guān)心的問題之一。理論上講，永磁體的最大磁能積點表示磁體能對外提供的能量最大，且從去磁曲線上也能求得該最大工作點。但實際應(yīng)用中絕非如此簡單.要具體研究電機的使用場合，分析電機應(yīng)完成的預(yù)定功能，找出其對應(yīng)的重點指標(biāo)，以此來決定電機工作點選擇的最佳位置，并合理確定永磁體的形狀及體積，同時還必須考慮其加工工藝的影響。在綜合考慮各種因素后達(dá)到電機在功能、性能、成本等各方面的最佳設(shè)計。

3.2過載與退磁

磁性材料的退磁包括溫度退磁、時間退磁和環(huán)境退磁等。又分可逆退磁和不可逆退磁兩類。深入研究永磁材料矯頑力和內(nèi)稟矯頑力與穩(wěn)定工作溫度的關(guān)系；溫度系數(shù)對電機性能指標(biāo)的影響程度以及退磁安全系數(shù)；基于磁性能變化引出的電機最高工作溫度的定義；可逆退磁和不可逆退磁在電機使用溫度范圍內(nèi)所占比例以及對電機性能產(chǎn)生的影響；永磁材料退磁后的再充磁及重復(fù)利用等等問題是很有必要的。

3.3分析與設(shè)計

現(xiàn)代永磁電機的理論與設(shè)計已比較成熟，不僅有眾多的以磁路分析計算為主的設(shè)計程序和方法，永磁磁場的數(shù)值分析法也已普遍使用于工程實踐中。但由于在永磁電機中，永磁體即作場激勵源或磁路的磁源，又是磁場和磁路的組成部分，同時永磁材料制造工藝、形狀尺寸、充磁工具、充磁方法等都會使永磁材料一致性和均勻性不理想，有時分散性較大，甚至同一牌號同一批次的永磁材料的性能數(shù)據(jù)都可能有較大的差異。因而永磁體分散性也給永磁電機的設(shè)計分析及永磁磁場的數(shù)值計算帶來了一定困難，設(shè)計的準(zhǔn)確性會受到影響。比如在場的理論和數(shù)值分析中永磁模型建立與等值問題；在工程磁路計算中的漏磁系數(shù)、局部退磁和電樞反應(yīng)準(zhǔn)確計算等諸多問題，都較電勵磁電機分析計算的誤差要大。

3.4充磁與測磁

永磁電機設(shè)計是建立在永磁材料飽和磁化的基礎(chǔ)上的。那么，用在電機上的磁體是否已被充分磁化飽和，若是永磁體是由磁性材料生產(chǎn)廠充磁并帶磁供貨，一般不存在問題，但如果是在電機上整體充磁時，如何保證永磁體被充分磁化，如何在飽和磁化同時還能保持磁性能的均勻性和一致性等問題值得研究。

同樣，針對磁性能檢測問題，也還有較多值得研究的問題。如帶磁供貨的磁體在電機制造廠如何對其進(jìn)行有效的簡便易行而又相對準(zhǔn)確的入廠檢測，而現(xiàn)在多數(shù)電機廠家無法在零部件階段對永磁材料磁性能進(jìn)行有效測量，往往只有到整機性能檢測不合格時才能發(fā)現(xiàn)磁性材料有問題。

3.5抗腐蝕性

釹鐵硼材料的易腐蝕問題對電機的質(zhì)量影響較大，而目前它的表面防護(hù)問題在國內(nèi)未得到很好的解決，其采用的電鍍等辦法常出現(xiàn)表面鍍層脫落使電機出現(xiàn)故障的現(xiàn)象。同時耐受特殊環(huán)境條件(如潮濕、鹽霧及特殊氣體等)的能力有限，影響了電機對特殊環(huán)境條件的適應(yīng)能力。希望永磁材料在表面防護(hù)能力方面有更進(jìn)一步的提高。

3.6磁性能穩(wěn)定性、均勻性、一致性

為保證電機性能在其壽命周期內(nèi)不發(fā)生較大變化，特別是一些有特殊要求的軍用電機，其可靠工作壽命要求長達(dá)15年以上，希望永磁材料的磁性能保持長期穩(wěn)定。

電機特別是高精度電機對永磁材料磁性能均勻性及一致性要求較高。磁性能不均勻?qū)?dǎo)致電機磁場不均勻，轉(zhuǎn)矩波動增大，發(fā)電機的輸出電壓紋波增大，線性度變差，控制電機的精度指標(biāo)降低等。另外，同一牌號的永磁材料在不同批次時的磁性能不一致，有時會導(dǎo)致電機成批不合格。因此，高精度電機要求永磁材料磁性能一致性能滿足誤差在5%以內(nèi)，均勻性誤差在3%以內(nèi)。

3.7加工工藝

永磁電機在制造過程中還有較多的加工工藝問題值得研究。比如粘接過程中的工藝參數(shù)如何掌握，是否會對磁性能產(chǎn)生影響。機加工過程中的沖擊、振動和加工環(huán)境是否對磁性能產(chǎn)生影響，帶磁零部件在工藝周轉(zhuǎn)過程中以及在裝配工序中如何采取保護(hù)措施等。

永磁電機中的永磁體多采用帶磁供貨，這樣雖然減輕了電機生產(chǎn)廠充磁的難度，但卻大大增加了制造工藝難度.如永磁無刷直流電機及永磁同步電機等常采用多極多塊磁體直接粘在轉(zhuǎn)子表面的表面貼裝結(jié)構(gòu)。多使用高性能的燒結(jié)釹鐵硼，其粘接工藝較復(fù)雜且操作困難，當(dāng)其轉(zhuǎn)速較高時還會造成粘接可靠性不理想。如能將燒結(jié)磁體做成徑向結(jié)晶充磁的多極環(huán)形結(jié)構(gòu)，將大大簡化電機轉(zhuǎn)子的制造工藝。目前粘接磁體可以做到，但磁性能不高。如燒結(jié)磁體能實現(xiàn)并能批量供貨且價格不高(有報道已有廠家在開展此項研究)，將很有發(fā)展前途。

結(jié)語

綜上所述，永磁材料的發(fā)展推動了永磁電機的發(fā)展，而永磁電機的廣泛應(yīng)用及對永磁材料的要求又促進(jìn)了永磁材料的進(jìn)一步提高。隨著永磁電機廣泛用于航空、航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活的各個領(lǐng)域，永磁材料在電機中的應(yīng)用前景將相當(dāng)廣泛。