稀土永磁同步電機(jī)——永磁電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)

磁路設(shè)計(jì)就是根據(jù)對(duì)磁場(chǎng)的要求，合理地選擇磁路的參數(shù)和材料，設(shè)計(jì)出工藝上可行、特性滿足要求、經(jīng)濟(jì)性好、能充分發(fā)揮材料性能的磁路。對(duì)于給定的磁路，可以唯一地得到其磁路特性。但是，若給定磁路特性要求，則可能有很多個(gè)磁路滿足要求，而設(shè)計(jì)的目的就是找到一個(gè)滿足要求的磁路。一般的設(shè)計(jì)過程是這樣的：首先根據(jù)磁路特性的要求，初步確定其大致的磁路結(jié)構(gòu)，確定各部分磁路的尺寸和材料，然后采用合適的磁路計(jì)算方法計(jì)算磁路的特性。若計(jì)算結(jié)果與性能要求之間的誤差在允許范圍內(nèi)，則磁路設(shè)計(jì)完成；若超出允許范圍，需要調(diào)整磁路的尺寸，甚至改變材料和磁路結(jié)構(gòu)，直至得到合理的磁路。因此，磁路設(shè)計(jì)主要在于確定磁路總體結(jié)構(gòu)、磁路的尺寸和相應(yīng)材料的選擇。電勵(lì)磁電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟，有關(guān)論述也很多。永磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)磁路設(shè)計(jì)的不同在于永磁體的設(shè)計(jì)。現(xiàn)代永磁電機(jī)中，稀土永磁應(yīng)用廣泛，但價(jià)格高，因此在進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮永磁材料的作用，用盡可能少的永磁體獲得所需要的特性，磁路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于永磁材料的選擇和工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

一、，永磁體的選擇

常用永磁材料的特性已在第二章中進(jìn)行了論述。永磁體及其性能多種多樣，如何選擇合適的永磁材料直接關(guān)系到電機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)性。永磁體的選擇應(yīng)滿足以下要求：

( 1）永磁體應(yīng)能在指定的工作空間內(nèi)產(chǎn)生所需要的磁場(chǎng)。

( 2）永磁體所建立的磁場(chǎng)應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性，磁性能隨工作溫度和環(huán)境的變化應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。

( 3）具有良好的耐腐蝕性能。

( 4）具有較好的力學(xué)特性，如韌性好、抗壓強(qiáng)度高、可加工等。

( 5）價(jià)格合理，經(jīng)濟(jì)性好。

具體到永磁電機(jī)中，各類永磁體的使用范圍如下：

( 1）鐵氧體永磁適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求不高，而對(duì)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要求高的場(chǎng)合。近年來，隨著欽鐵硼永磁價(jià)格的降低和導(dǎo)磁、導(dǎo)電材料價(jià)格的提高，對(duì)于同一臺(tái)電機(jī)，采用欽鐵硼可以減小電機(jī)體積、降低銅鐵材料的用量，有時(shí)在經(jīng)濟(jì)性上是劃算的。在許多場(chǎng)合，鐵氧體永磁有逐漸被欽鐵硼永磁代替的趨勢(shì)。

( 2）鋁鎳鉆永磁適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求不高，但工作溫度超過300 ℃或要求溫度穩(wěn)定性好且電機(jī)的成本不高的場(chǎng)合，鋁鎳鉆永磁在電機(jī)中的應(yīng)用已經(jīng)很少。

( 3）欽鐵硼永磁適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求很高，工作環(huán)境溫度不高，對(duì)永磁體溫度穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。

( 4）稀土鉆永磁適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求高，工作環(huán)境溫度高，要求溫度穩(wěn)定性好，制造成本不是主要考慮因素的場(chǎng)合。

( 5）粘結(jié)永磁材料適合于批量大、磁極形狀復(fù)雜、電機(jī)性能要求不高的場(chǎng)合。

二、永磁體的設(shè)計(jì)

1．永磁體的形狀

永磁體的形狀與所選擇的磁極結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)于表面式磁極結(jié)構(gòu)，多采用瓦片形磁極；對(duì)于內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)，多采用矩形永磁體。

2．磁極的結(jié)構(gòu)

在永磁電機(jī)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)永磁體的串聯(lián)和并聯(lián)。類似于電路中電池的串、并聯(lián)，將兩塊或多塊永磁體的磁動(dòng)勢(shì)沿充磁方向串聯(lián)，共同提供磁動(dòng)勢(shì)，此時(shí)磁路的磁動(dòng)勢(shì)為它們磁動(dòng)勢(shì)的和，而提供磁通的面積為一塊永磁體的面積。將兩塊或多塊永磁體沿充磁方向并聯(lián)，共同提供磁通，磁通為它們磁通的和，而磁動(dòng)勢(shì)等于一塊永磁體的磁動(dòng)勢(shì)。具體的磁路結(jié)構(gòu)見后續(xù)各章。