1 电机常用永磁材料的主要性能

　　1.1 电机中常用的永磁材料电机中常用的永磁材料包括烧结磁体和粘结磁体，主要种类有铝镍钴、铁氧体、钐钴及钕铁硼等。

　　铝镍钴材料在 20 世纪 80 年代以前使用较多。它具有优异的温度稳定性、时间稳定性和适用温使用环境条件等优点,在一些特殊用途如使用温度要求高、磁稳定性非常好的军用或仪器仪表等特殊使用环境的电机中才采用。

　　铁氧体材料属非金属永磁材料，价格低廉。它主要用于对使用性能及体积要求不高及量大面广的经济系列微电机产品中。如玩具电机、日用电器电机、音像电机、办公设备及通用仪表电机、汽车摩托车电机以及工业用的小功率驱动电机等。

　　钐钴材料是 20世纪 60年代中期兴起的磁性能优异的永磁材料，且性能非常稳定。钐钴从磁性能方面来说特别适合于制造电机，但由于其价格昂贵，主要用于研究开发航空、航天、武器等军用电机和高性能而价格不是主要因素的高科技领域的电机中。钕铁硼材料是 20 世纪 80 年代出现的被称为第三代高性能永磁材料. 磁性能高于钐钴, 热稳定性较差，且很容易锈蚀，进行表面防护处理, 但价格便宜，所以迅速得到推广应用。随着钕铁硼材料的不断更新，温度性能不断改善, 特别是 20 世纪 90年代以来，低温度系数、耐高温的钕铁硼材料已研制成功, 高性能耐热钕铁硼的工作温度可达 200℃,而且价格也不断降低，使大部分的工业和民用电机中都采用钕铁硼材料，并将取代大部分原铁氧体材料而应用于低价经济型电机中。

　　粘结永磁材料是由粘结剂与永磁材料混合后压缩、注射或挤压成型等方法制成的一种复合型永磁材料, 包括粘结铁氧体、粘结铝镍钴、粘结钐钴及粘结钕铁硼。其中粘结钕铁硼是目前的粘结永磁材料。它与烧结永磁材料相比有机械加工性能好, 成型容易, 可制成各种复杂的形状, 磁性能均匀一致性好以及容易进行多极充磁等优点。但粘结永磁材料的磁性能低于同类型的烧结磁体，磁能积约为相同材料的烧结磁体的 40%~70%。在粘结永磁材料中，粘结钕铁硼的前景，粘结钕铁硼如果解决了工艺问题及提高质量后, 将成为应用前景的永磁材料。它目前主要用于小型无刷直流电机及步进电机等精密微电机中。1.2 永磁材料的主要性能(1) 剩磁感应强度。永磁材料在外磁场中充磁到饱和后，当外磁场为零时，永磁材料所具有的磁感应强度值。此项指标数据直接关系着电机中气隙磁密的高低。磁感应强度值越高，电机的气隙磁密将可能较高，转矩常数、反电势系数等电机的主要指标将达到值,电机的电负荷和磁负荷的取值关系才可能合理，效率才能达到。

　　(2) 矫顽力 Hc，(磁感应矫顽力 Hc b )。永磁材料在饱和磁化的情况下，当剩磁感应强度 Br 降到零时所需要的反向磁场强度。此项指标与电机的抗退磁能力即过载倍数和气隙磁密等指标相关。Hc 值越大，电机的抗退磁能力越强，过载倍数越大，对强退磁动态工作环境的适应能力越强。同时电机的气隙磁密也会有所提高。

　　(3) 磁能积 BHmax。永磁材料向外磁路提供的磁场能量的值。此项指标与电机中永磁材料的用量直接相关，BHmax 越大，预示着该种永磁材料对外磁路能提供的磁场能量越大，即在相同功率情况下电机中使用的永磁材料越少。

　　(4) 内禀矫顽力 Hc i 。该项指标是指当剩余磁化强度 M 降到零时的磁场强度值。退磁曲线上 B=0 时对应的 Hc b 值仅表示永磁体此时不能够向外磁路提供能量，并不代表永磁体自身不具备能量。但当 M=0 时对应的 Hc i 值却表示此时永磁体已真正退磁，自身已无磁场能量储存。虽然 Hc i 与电机工作点无直接相关，但它才是永磁材料的真正矫顽力，代表着永磁材料拥有磁场能量和抗去磁场的能力。内禀矫顽力的大小与永磁材料的温度稳定性密切相关。内禀矫顽力越高，永磁材料的工作温度才可能越高。

　　(5) 温度系数α。温度是对永磁材料磁性能影响的主要因素之一，当温度每变化 1℃时磁性能可逆变化的百分率称为磁性材料的温度系数。温度系数可分为剩磁感应温度系数和矫顽力温度系数。该项指标对电机的性能稳定性影响较大，温度系数越高，电机运行从冷态到热态时指标的变化越大，它直接限制了电机的使用温度范围。间接影响到电机的功率体积比。2 永磁电机及特点永磁电机中功率已达到 1000kW，小直径φ0.8mm，转速 300000r/min，转速 0.01r/min。永磁电机与电励磁电机相比，具有以下特点.2.1 结构简单, 可靠性高用永磁材料励磁，可将原电励磁电机中励磁用的极靴及励磁线圈由一块或多块永磁体替代，零部件大量减少，在结构上大大简化。同时由于省去了励磁用的集电环和电刷，不但改善了电机的工艺性，而且电机运行的机械可靠性大为增强，寿命增加。2.2 性能优异永磁电机，特别是采用稀土永磁材料的电机，气隙磁密可大大提高，电机指标可实现设计，其直接效果就是电机体积缩小,重量减轻。不仅如此，较其它电机而言，永磁电机还具有非常优异的控制性能。

　　这是因为：

　　其一，由于稀土永磁材料的高性能而使电机的力矩常数、转矩惯量比、功率密度等大大提高。通过合理设计又能使转动惯量、电气及机械时间常数等指标大大降低，作为伺服控制性能的主要指标有了很大改善。

　　其二，现代永磁电机中，永磁磁路的设计已较完善，加上稀土永磁材料的矫顽力高，因而永磁电机的抗电枢反应及其它去磁的能力大大加强，电机的控制参量随外部扰动影响大大减小。

　　其三，由于用永磁材料取代了电励磁，减少了励磁绕组及励磁磁场的设计，因而减少了励磁磁通、励磁绕组电感、励磁电流等诸多参数，从而直接减少了可控变量或参量。综合以上各因素可以说永磁电机具有优异的可控性。例如，目前全数字永磁交流伺服电动机调速性能非常优异，正弦波交流伺服电机的调速比可达 1：100000。步进电机和低速同步电机在采用永磁材料后，其输出转矩、动态响应特性等都有明显的改进和提高。因而与同规格电机相比，永磁电机的动态性能指标、稳态性能指标、控制性能指标以及可靠性指标等都比普通电机有较大的提高。

　　2.3 节能永磁电机不但可减小电阻损耗，还能有效地提高功率因素。如永磁同步电机可在 25%~120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因素。300W微 电 机 专 题2006 年第 7 期 16以内的微型永磁直流电机比同规格的电励磁电机效率高 10% ~ 20%。大量使用的风机和泵类负载的电机改为永磁电机后，综合节能效果十分显著, 功率越大，励磁损耗占总损耗比例越大，因而永磁电机效率高的优点越突出。3 永磁电机设计中应深入研究的问题3.1 永磁材料利用率永磁电机中，永磁材料成本占电机总成本的比例较大，因此如何节省材料，提高材料利用率是永磁电机生产厂家关心的问题之一。理论上讲，永磁体的磁能积点表示磁体能对外提供的能量，且从去磁曲线上也能求得该工作点。但实际应用中绝非如此简单. 要具体研究电机的使用场合，分析电机应完成的预定功能，找出其对应的重点指标，以此来决定电机工作点选择的位置，并合理确定永磁体的形状及体积，同时还考虑其加工工艺的影响。在综合考虑各种因素后达到电机在功能、性能、成本等各方面的设计。3.2 过载与退磁磁性材料的退磁包括温度退磁、时间退磁和环境退磁等。又分可逆退磁和不可逆退磁两类。深入研究永磁材料矫顽力和内禀矫顽力与稳定工作温度的关系;温度系数对电机性能指标的影响程度以及退磁系数;基于磁性能变化引出的电机工作温度的定义;可逆退磁和不可逆退磁在电机使用温度范围内所占比例以及对电机性能产生的影响;永磁材料退磁后的再充磁及重复利用等等问题是很有用的。3.3 分析与设计现代永磁电机的理论与设计已比较成熟，众多的以磁路分析计算为主的设计程序和方法，永磁磁场的数值分析法也已普遍使用于工程实践中。但由于在永磁电机中，永磁体即作场激励源或磁路的磁源，又是磁场和磁路的组成部分, 同时永磁材料制造工艺、形状尺寸、充磁工具、充磁方法等都会使永磁材料一致性和均匀性不理想，有时分散性较大, 甚至同一牌号同一批次的永磁材料的性能数据都可能有较大的差异。因而永磁体分散性也给永磁电机的设计分析及永磁磁场的数值计算带来了困难，设计的准确性会受到影响。比如在场的理论和数值分析中永磁模型建立与等值问题;在工程磁路计算中的漏磁系数、局部退磁和电枢反应准确计算等诸多问题，都较电励磁电机分析计算的误差要大。3.4 充磁与测磁永磁电机设计是建立在永磁材料饱和磁化的基础上的。那么，用在电机上的磁体是否已被充分磁化饱和，若是永磁体是由磁性材料生产厂充磁并带磁供货，一般不存在问题, 但如果是在电机上整体充磁时，如何保证永磁体被充分磁化，如何在饱和磁化同时还能保持磁性能的均匀性和一致性等问题值得研究。

　　同样，针对磁性能检测问题，也还有较多值得研究的问题。如带磁供货的磁体在电机制造厂如何对其进行有效的简便易行而又相对准确的入厂检测，而现在多数电机厂家无法在零部件阶段对永磁材料磁性能进行有效测量，往往只有到整机性能检测不合格时才能发现磁性材料有问题。3.5 抗腐蚀性钕铁硼材料的易腐蚀问题对电机的质量影响较大，而目前它的表面防护问题在国内未得到很好的解决，其采用的电镀等办法常出现表面镀层脱落使电机出现故障的现象。同时耐受特殊环境条件(如潮湿、盐雾及特殊气体等)的能力有限，影响了电机对特殊环境条件的适应能力。希望永磁材料在表面防护能力方面有更进一步的提高。3.6 磁性能稳定性、均匀性、一致性为保证电机性能在其寿命周期内不发生较大变化，特别是一些有特殊要求的军用电机，其可靠工作寿命要求长达 15 年以上,希望永磁材料的磁性能保持长期稳定。

　　电机特别是高精度电机对永磁材料磁性能均匀性及一致性要求较高。磁性能不均匀将导致电机磁场不均匀，转矩波动增大, 发电机的输出电压纹波增大，线性度变差, 控制电机的精度指标降低等。另外，同一牌号的永磁材料在不同批次时的磁性能不一致，有时会导致电机成批不合格。因此，高精度电机要求永磁材料磁性能一致性能满足误差在 5%以内，均匀性误差在 3%以内。3.7 加工工艺永磁电机在制造过程中还有较多的加工工艺问题值得研究。比如粘接过程中的工艺参数如何掌握，是否会对磁性能产生影响。机加工过程中的冲击、振动和加工环境是否对磁性能产生影响，带磁零部件在工艺周转过程中以及在装配工序中如何采取保护措施等。

　　永磁电机中的永磁体多采用带磁供货，这样虽然减轻了电机生产厂充磁的难度，但却大大增加了制造工艺难度. 如永磁无刷直流电机及永磁同步电机等常采用多极多块磁体直接粘在转子表面的表面贴装结构。多使用高性能的烧结钕铁硼，其粘接工艺较复杂且操作困难，当其转速较高时还会造成粘接可靠性不理想。如能将烧结磁体做成径向结晶充磁的多极环形结构，将大大简化电机转子的制造工艺。目前粘接磁体可以做到，但磁性能不高。如烧结磁体能实现并能批量供货且价格不高(有报道已有厂家在开展此项研究)，将很有发展前途。