每周一品 · 永磁电机中的磁性材料

永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高、结构简单，是很好的节能电机。与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单，运行可靠，体积小、质量轻，损耗小、效率高等显著优点。永磁电机应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域，随着高性能永磁材料的发展和控制技术的迅速发展，永磁电机的应用将会变得更为广泛。

大家都知道电机的种类繁多，但基本原理都是应用电生磁及电磁感应现象实现电能和动能的相互转换，想了解更多关于电机的基本原理和结构，可点击查看电机的基本原理与基本结构，直流电机与交流电机。

永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关

19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。

随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢（最大磁能积约2.7 kJ/m3）、钴钢（最大磁能积约7.2kJ/m3）等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85kJ/m3）和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积可达40kJ/m3），磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36～160 kA/m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代，钐钴永磁和钕铁硼永磁材料相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。

磁钢性能与电机性能的关系

1）剩磁的影响
对于直流电机，在同样的绕组参数和测试条件下，剩磁越高，空载转速越低、空载电流也越小；最大扭矩越大，最高效率点的效率越高。在实际的测试中，一般都是用空载转速的高低和最大扭矩的大小判断磁钢的剩磁标准。
对于同一绕组参数和电参数而言，之所以剩磁越高，空载转速越低、空载电流越小，是因为运行中的电机，以比较低的转速，就产生了足够的反向感生电压，使得施加在绕组上的电动势的代数和减小。

2）矫顽力的影响
在电机运行的过程中，始终存在着温度和反向退磁场的影响。从电机设计的角度上讲，矫顽力越高，磁钢的厚度方向可以越小，矫顽力越小，磁钢的厚度方向越大。但是磁钢超过一定的矫顽力之后，是没有用处的，因为电机的其他元件也不可能稳定地在那个温度下工作。矫顽力满足需求即可，以在推荐的实验条件下满足需要为标准，没有必要浪费资源。

3）方形度的影响
方形度仅仅影响电机性能测试效率曲线的平直性，尽管目前还没有把电机效率曲线的平直性列为重要的指标性标准，但是，这对于轮毂电机在自然路况条件下的续行距离非常重要。因为路况条件不同，电机不可能始终工作在最大效率点上，这就是为什么有的电机的最大效率并不高而续行距离反而远的原因之一。一个好的轮毂电机，不仅最大效率应当高，而且效率曲线应当尽可能的水平，效率降低的斜率越小越好。随着轮毂电机的市场、技术和标准的成熟，这将逐渐成为一个重要的标准。

4）性能的一致性的影响
剩磁不一致：即便是有个别性能特别高的也不好，由于各单向磁场区段的磁通不一致，导致扭矩的不对称而发生震动。
矫顽力不一致：尤其是个别产品的矫顽力过低，容易产生反向退磁，导致各磁钢的磁通不一致使电机震动。这种影响对于无刷电机更显著。

磁钢的几何形状和公差对电机性能的影响

1、磁钢厚度的影响
在内或外磁路圈固定的情况下，厚度增加时，气隙减小，有效磁通增加，同样的剩磁，空载转速降低，空载电流减小，电机的最大效率提高；但是，也有不利的方面，如电机的换向震动增加，电机的效率曲线相对变陡。因此，电机磁钢的厚度应当尽可能的一致，减小震动。

2 、磁钢宽度的影响
对于密排分布的无刷电机磁钢，总的累计间隙不能超过0.5毫米，过小会无法安装，过大会导致电机震动和效率降低，这是因为测量磁钢位置的霍尔元件的位置和磁钢的实际位置不对应。此外，必须保证宽度的一致性，否则电机的效率低、震动大。
对于有刷电机，磁钢之间都有一定的间隙，是留给机械换向过渡区的。虽然留有间隙，但大多厂家为了保证电机磁钢的安装位置准确，都有严格的磁钢安装工装，来保证安装精度。如果磁钢的宽度超出，会无法安装；如果磁钢宽度过小，会导致磁钢定位失准，电机的震动增加、效率降低。

3、磁钢倒角大小和不倒角的影响
如果不倒角，则电机的磁场边沿的磁场变化率大，造成电机的脉震，倒角越大，震动越小。但是倒角一般对磁通有一定的损失，对于有些规格倒角到0.8时，磁通损失0.5~1.5%。对于有刷电机剩磁偏低时，适当减小倒角大小，有利于补偿剩磁，但是，电机的脉震增加。一般而言，剩磁偏低的时候，可以适当放大长度方向的公差，这样可以在一定程度上提高有效磁通，使电机的性能基本不变化。

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