稀土永磁材料的涡流损耗
钐钴和钕铁硼都是金属材料,由于金属材料良好的导电性,电阻率都是很低的,这对于电机一类的旋转机械来说并不是好事,因为它会带来旋转机械的涡流损耗,造成包括磁体在内的旋转机械发热。因此,在旋转机械中所出现的磁体涡流损耗,对磁体和电机设计者来说是必须要考虑的。今天懂磁帝就带大家了解一下什么是磁体的涡流损耗,在磁材生产方面如何避免涡流损耗。
要了解和降低涡流损耗,首先我们应该知道涡流损耗是如何产生的。这里需要引出一个概念—趋肤效应(集肤效应)
当交变电流通过导线时,电流密度在导线横截面上的分布是不均的,随着电流变化频率的升高,电流越来越集中于导线表面,导线内部电流越来越小,这一现象称为趋肤效应。
图片来源于网络。频率越高,趋肤效应越强。
引起趋肤效应的原因就是涡流。从电磁感应定律可知,交变电场周围会产生交变磁场,当交流电通过导体时,会在导体内部及导体周围产生交变磁场,使导体内部产生呈涡旋状的感应电流,涡电流简称涡流。
离导体中心越近,交变磁场在导体内所产生的感生电动势就越高,涡流越强,对原电流的阻碍作用就越强,导致趋近导体中心的电流密度小,而趋近表面的电流密度较大。
由于感应电动势随着频率的提高而增加,趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。当频率很高的电流通过导线时,可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过,这等效于导线的截面减小,大大降低了导体材料的有效利用率。
涡流损耗
由于钐钴和钕铁硼永磁的电阻比较小,因此在交变电场中的涡流一般都比较大。由于电流的热效应,涡流会使磁体发热,温度过高时就会发生热退磁。
涡流损耗的大小与磁场的变化方式、磁体的运动、磁体的形状、磁导率和电阻率等因素有关。旋转机械的转速(相当于频率)和磁导率越高,电阻率越低,则趋肤深度越小,引起的损耗越大。在电动汽车、电梯等领域,为了进行速度控制,永磁电机通常由逆变器功率源来控制,由于存在载波频率的高次谐波,也会使磁体中涡流损耗变大并造成热退磁。
通过提高电阻率降烧结钕铁硼的涡流损耗
从电机设计角度出发,为了降低永磁体在旋转机械中的涡流损耗,人们提出了若干技术方法,例如环绕磁体的屏蔽柱、分割磁体和侧面隔离磁体的方法等。
从磁体的角度出发,降低电机涡流损耗的最有效方法之一,就是采用粘结磁体,因为粘结剂的存在及足够高的体积分数,使粘结磁体的电阻率是烧结磁体的102~104倍,但电机的功率和最高使用温度受到了很大的限制,因此最直接的方法是提高烧结磁体自身的电阻率。
提高烧结磁体的电阻率有多种方法,如添加高电阻率的粉体(Al2O3等)、涂覆SiO2涂层等,不过这些方法都会在一定程度上影响烧结磁体的磁性能,因此在磁体研发过程中需要在电阻率和和磁性能之间做一个平衡。
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