1、稀土永磁電機原理及其對磁鋼對電機的影響受山西省磁材聯盟的委托，來給大家介紹稀土永磁電機方面的一些內容，考慮到與會的大多為釹鐵硼永磁材料生產廠家這一特殊對象，這里主要講述一些稀土永磁電機的磁路特征和與我們稀土永磁材料有關的一些內容。一、 稀土永磁電機的分類及其使用范圍：稀土永磁電機使用比較多的是交流永磁同步電機、步進電機、直流輪轂電機、音圈電機。1、 交流同步電機和步進電機：稀土永磁同步電機有單相的，也有三相的。從運動方式上講，有旋轉運動的，也有直線運動的。按照啟動方式又劃分為異步啟動和變頻啟動，雖然二者運行時是完全相同，但電磁結構則大有不同。異步啟動的電機多適合于連續運轉的場合，比如油田、礦山

2、排水等等。步進電機一般使用于控制場合，目前以微步進電機為多。2、 直流電機：直流稀土永磁電機，以換向方式的不同分為有刷電機和無刷電機，前者機械換向，后者電子換向。直流中小功率的永磁電機大量地使用于電動自行車，電動摩托車、滑板車等等。在電動自行、電動摩托車上使用的電機以安裝位置的不同分為輪轂電機和中置電機。前者直接安裝在車輛的后輪上，前者安裝與相當于自行車腳蹬的位置。直流輪轂電機，按照是否變速減速分為中低速電機和高速電機。中置電機一般為高速電機，轉速在2000rpn以上，一般都有減速機構。3、 音圈電機：音圈電機主要應用于計算機的硬盤、光驅和超精密機床的定位，音圈電機本身只是運動過程的執行部件。

3、定位的控制計算，功率驅動由特殊的專用測量控制電路來實現。理論上音圈電機的定位精度沒有上限，只要測量控制電路能達到要求。二、 稀土永磁電機的磁鋼安裝、磁路的特點1、 稀土永磁交流同步電機普通的異步電動機，轉子的轉速和定子的磁場轉速有一個轉速差，以建立轉子的磁場，轉子磁場的建立要消耗一定的無功功率，負荷越大（扭矩越大），轉速差越大，無功消耗也越大。稀土永磁同步電機，由于轉子本身就有磁場，不需要消耗無功功率以建立磁場。由于轉子本身與定子的磁場旋轉同步，同步運轉時轉子的啟動鼠籠無電流（變頻啟動的無啟動導條或啟動鼠籠），因此轉子無熱損耗，因而效率高，損耗小。直接節電在1043%。永磁同步電機按照旋轉方式

4、分為旋轉式和直線式。旋轉式永磁同步電機的安裝結構和磁路結構如下面的示意圖。1） 旋轉式永磁同步電機同步電機按照啟動方式的不同分為：異步啟動同步牽入和變頻啟動兩種。異步啟動電機需要啟動用的鼠籠或啟動導條，用于異步啟動。變頻啟動不需要啟動鼠籠條，轉子上只有嵌入的磁鋼一形成必要的磁極，永磁同步電機一般多是4極以上的電機，電梯電機有的是24極電機。旋轉式永磁電機一般采用嵌入式磁體安裝結構，其磁示意圖如上圖2） 直線同步電機直線同步電機的繞組和磁極均是直線分布，磁極一般是直接表面貼裝。此種電機一般采用變頻驅動，在啟動、停止階段分別用啟動和停止函數來控制變頻器的頻率和輸出相序，以保證平穩運行。2、 稀土永

5、磁直流電機普通的直流電機，由磁場繞組、轉子繞組、電樞和碳刷等組成。磁場繞組用以形成電磁場，轉子繞組用以提供旋轉扭矩，電樞和碳刷用來繞組的電流換向，以保證位于對應磁場中的繞組的電流方向始終是一個方向。即在任何的時候，位于N極或S極的繞組邊的電流方向始終是同一個方向，這樣才能保證電機的旋轉移動方向。永磁電機用硬磁性材料代替磁場繞組，減少無功損耗和熱損耗。永磁電機中必須始終保證位于對應磁場中的電流方向一致，采用與傳統的普通的以電樞碳刷構成的機械式換向方式的稱為有刷電機。隨著電子應用技術的發展和電子功率器件、傳感器件的全面成熟，采用霍爾元件作為位置傳感器，來測量轉子繞組在磁場中的位置，有電子控制器件來

6、進行電流方向的變換，因為沒有電樞碳刷換向組件，因此稱此類電機為無刷電機。目前市場上的無刷電機的特點：A、小方條中速無刷電機一般直流電機，是通過調節磁場繞組的磁場強度來調整轉速，在稀土永磁電機中磁場形成的磁通是相對固定的，供電電源的電壓是基本不變的，其速度的控制是以電流的脈寬調制的方式來控制轉子的等價有效電流來控制。采用脈寬調制之后無形之中增加繞組的銅耗。目前，小方條式的無刷電機，除脈寬頻率之外，其還向頻率已經接近100HZ，在普通的電動自行車中時常很大，但在未來的高速電機中，由于其已經接近頻率極限，而受到限制。高速電機的扭矩要大的多，其爬坡能力要大的多。根據推薦的試驗條件，事實上小方條無刷電機

7、對電機磁鋼的Hcj要求不是很高。B、高速無刷電機1） 有刷電機2） 無刷電機3、 音圈電機等其他特種電機三、 電機運行對磁鋼的影響1、 溫度對磁鋼的影響電機中的繞組只有通電才能轉動或移動，由于繞組銅線電阻的存在，繞組在通電之后必然會消耗能量這就是銅耗；由于直流電機的頻繁換向或交流電機本身就是在改變電流的方向，因此由于繞組所在的硅鋼片中產生渦流熱損耗這就是鐵耗。由于銅耗和鐵耗的存在，電機運行產生電磁熱，必然使得運行電機的溫度升高。由于釹鐵硼永磁材料屬于負溫度系數，溫度高的時候剩磁和矯頑力均降低，進而使得總磁通降低，電機的效率下降，最大扭矩降低。因此在使用溫度的條件下，這種必然存在的降低，必須控制

8、在一個規定的范圍之內。2、 電機運行過程中反向退磁場的影響電機設計的最基本電磁方程是F=INBL，從純磁的觀點來看，是通電繞組在圍成的鐵心之內形成一個磁場，這個磁場與磁鋼的磁場相互作用而運動，如圖所示。在示意圖中，最上面的是提供磁回路的軟磁性材料，下面是貼裝的磁鋼，在下面是工作氣間隙，下面是繞組矽鋼片，兩排叉圓和點圓表示電流的方向，叉圓和點圓之間的N、S分別根據右手螺旋定則標識的電磁極性。箭頭表示轉子運動的方向。從圖中可以看出，磁鋼的一個半邊是異性磁極相互吸引，產生旋轉運動的拉力，在相互吸引的部位發生在磁鋼的半側，稱為增磁側；在磁鋼的另一個半邊（圖中的陰影側），是異性磁極，相互排斥，產生旋轉運

9、動的推力，這一個陰影側的半邊磁鋼受到反向退磁場的作用，稱為退磁側。因此只要電機的繞組中只要有電流存在，必定在退磁側產生反向退磁作用。最為惡劣的條件是電機堵轉，此時的繞組電流最大，電磁作用最磁鋼的反向退磁場最大。永磁電機的極限惡劣條件是在最高工作溫度下的堵轉試驗。從通電線圈產生磁場的家度上來看，磁鋼的對稱線的反向磁場為零，磁鋼越寬、單片磁場下的繞組越多，其邊緣的反向退磁場越強。對于同樣厚度、同樣半徑的的磁鋼，弦長越大，需要的Hcj也越高。至于具體的需要以推薦的試驗條件下中的符合性試驗結果為準。四、 電機磁鋼與電機特性幾個關系及其的影響1、 輪轂電機的主要指標參數：在一般來講，在空載、最高效率點、

10、最大功率點的電流、轉速、扭矩、輸入功率、輸出功率、效率是其具體的指標參數。電機的負載特性曲線如圖。2、 磁鋼性能與電機性能的關系1） 剩磁的影響對于直流電機，在同樣的繞組參數和測試條件下，剩磁越高，空載轉速越低、空載電流也越小；最大扭矩越大，最高效率點的效率越高。在實際的測試中，一般都是用空載轉速的高低和最大扭矩的大小判斷磁鋼的剩磁標準。對于同一繞組參數和電參數而言，之所以剩磁越高，空載轉速越低、空載電流，是因為運行中的電機，以比較低的轉速，就產生了足夠的反向感生電壓，使得施加在繞組上的電動勢的代數和減小。2） 矯頑力的影響前面已經說過，在電極運行的過程中，始終存在著溫度和反向退磁場的影響。從

11、電機設計的角度上講，矯頑力越高，磁鋼的厚度方向可以越小，矯頑力越小，磁鋼的厚度方向越大。但是磁鋼的超過一定的矯頑力之后，是沒有用處的，因為電機的其他元件也不可能穩定地工作在那個溫度下的。滿足需求即可。具體的標準是在推薦的實驗條件下滿足需要為標準，當然也需要引導客戶，沒有必要浪費資源，3） 方形度的影響方形度僅僅影響電機性能測試效率曲線的平直性，盡管目前還沒有把電機效率曲線的平直性列為重要的指標性標準，但是，這對于在自然路況條件下的續行距離非常重要。因為路況條件的不同，電機不可能始終工作在最大效率點上，這就是為什么有的電機的最大效率并不高而續行距離反而遠的原因之一。一個好的輪轂電機，不僅最大效率

12、應當高，而且效率曲線應當盡可能的水平，效率降低的斜率越小越好。隨著輪轂電機的市場、技術和標準的成熟，這將逐漸成為一個重要的標準。更準確地說，這個標準應當是Hcb/Br值的大小。4） 性能的一致性的影響剩磁不一致，即便是有個別性能特別高的也不好，由于各單向磁場區段的磁通的不一致，導致扭矩的不對稱而發生震動。矯頑力不一致，尤其是個別產品的矯頑力過低，容易一產生反向退磁，導致各磁鋼的次同不一致而是的電機震動。這種影響對于無刷電機更顯著，因為，霍爾元件測試到的磁場中性點的位置發生變化，而加大脈震。3、 磁鋼的幾何形狀和公差對電機性能的影響1） 厚度及一致性的影響在內或外磁路圈固定的情況下，厚度增加時，

13、氣隙減小，有效磁通增加，明顯的表現是，同樣的剩磁，1）空載轉速降低，空載電流減小；2）電機的最大效率提高；但是，也有不利的方面，1）電機的換向震動（脈震）增加，2）電機的效率曲線相對變陡。因此，電機磁鋼的厚度應當盡可能的一致，減小震動，但是，在剩磁略微偏低的情況下，為公差上限時，在其使用上對電機性能有一定的補償，但是脈震增加，曲線形態不好。一般而言，剩磁略微偏低的時候，在長度方向放大公差更有效，因為增加了總磁通量。2） 寬度及一致性的影響對于密排分布的無刷電機磁鋼，總的累計間隙不能超過0.5毫米，過小會無法安裝，過大會導致電機震動和效率降低，這是因為測量磁鋼位置的霍爾元件的位置和磁鋼的實際位置

14、不對應。而且必須保證寬度的一致性，否則電機的效率低、震動大。對于有刷電機，磁鋼之間都有一定的間隙，是留給機械換向過渡區的。雖然留有間隙，但大多廠家為了保證電機磁鋼的安裝位置準確，都有嚴格的磁鋼安裝工裝，來保證安裝精度。如果磁鋼的寬度超出，會無法安裝；如果磁鋼寬度過小，會導致磁鋼定位失準，電機的震動增加、效率降低。3） 倒角大小和不倒角的影響電機如果不倒角，則電機的磁場邊沿的磁場變化率大，造成電機的脈震，倒角越大，震動越小。但是倒角一般對磁通有一定的損失，對于有些規格倒角到0.8時磁通損失0.51.5%。對于有刷電機剩磁偏低時，適當減小倒角大小，有利于補償剩磁，但是，電機的脈震增加。一般而言，剩

15、磁偏低的時候，可以適當放大長度方向的公差，這樣可以在一個程度上提高有效磁通，使得電機的性能基本不變化。而且這個方向上的使用公差并不是很高，但必須保證一致性。4） 剩磁對于異步啟動的同步電機的影響：對于異步啟動同步運行的電機，磁鋼的剩磁過高時，會導致電機無法啟動，這將是致命的！剩磁過低的時候會導致容易在負載大的時候造成運行脫步，甚至不轉。因此，對于異步啟動的同步電機，剩磁必須在規定的范圍之內！4、 磁鋼寬度對Hcj的要求關系從前面的磁鋼受到反向磁場作用可以看出，磁鋼越寬，磁場從邊緣到中軸線的距離越大，磁場的畸變越小，但是邊緣的退磁場越大，要求的Hcj越高。因此在對于寬度比較大的磁鋼，在同樣的是使

16、用個條件下Hcj應當越高。對于稀土用磁電機，在設計階段的使用的磁鋼的Hcj應當限制在2021KOe，在供貨階段Hcj應至少大于21KOe，而且新設計的電機的試驗條件應當至少滿足本文附件里的測試條件，這樣才能從根本上保證電機的性能。五、 不單純與磁鋼有關的幾種電機的異常現象1、 震動、效率低：1） 對于有刷電機：在磁鋼方面：A、磁鋼倒角大小不一致時；B、磁鋼的性能（磁通）波動比較大時；C、磁鋼的厚度變化公差變化比較大時；容易造成電機震動。在磁鋼的安裝工藝方面：磁鋼的安裝的工裝偏差比較大的時候也容易產生震動。對于無刷電機：1、磁鋼的寬度不一致；2、磁鋼的性能不一致；3、磁鋼的厚度公差偏大；磁鋼的貼

17、裝工藝方面：1）、間隙分布不均勻；2）、緊密貼裝的磁鋼的最終累計間隙過大。2、 效率低對于無刷電機，霍爾元件安裝位置（深度不合適或有雜質導致側斜）；對于有刷電機，磁鋼貼裝間隙過大，等等。這里不一一列舉。六、 推薦的永磁電機中的磁鋼性能標準稀土永磁電機磁鋼確認通用試驗技術條件標準（推薦）一、 為確保永磁電機及磁鋼的滿足使用要求，特制定本標準二、 適用范圍：直流有刷、無刷電機系統三、 通用試驗技術條件對已經裝配好的電機整機：1、 用測功儀器測量電機的室溫效率曲線；2、 將電機整機放入烘箱中烘烤24小時，烘烤溫度設定的電機的極限工作溫度（注意烘烤溫度不高于霍爾元件在安全條件下的最高工作溫度）；一般電

18、動自行車電機的推薦測試溫度為80100度；其他類型的電機的使用最高溫度+20度3、 烘烤之后立即對電機進行高溫運行的效率曲線測試；4、 然后立即對電機進行堵轉實驗三次，堵轉時間每次小于3秒，防止線圈溫升過高；然后進行極限條件（溫度和電磁沖擊）效率曲線的測試；(堵轉試驗時，應調整保護電流值，使其在正常最大工作電流的1.21.5倍)。5、 在第四步之后或直接跨過第四步，直接用硬電源啟動，或取消電機控制器，直接將電機接到硬電源或蓄電池上（前者啟動時反向腿磁場最大，相當于堵轉）啟動停止三次，然后再測試效率曲線。6、 冷卻到室溫之后再次測量電機的效率曲線。四、 磁鋼的符合性標準通過通用試驗技術條件的測試

19、并取得個效率曲線之后，最終的室溫效率曲線與開始時的室溫測試條件對比：1、 極限條件下的運行效率下降小于2%；2、 最大扭矩下降小于3%3、 空載轉速增加小于3%滿足此條件的磁鋼為符合要求的磁鋼，此標準為客觀的極限使用條件下的符合性接受標準。以下的標準為參考標準，對于不同使用條件，將未必適合于此，可以參照符合性接受標準來制定參考標準。五、 參考試驗標準：1、 參考試驗的樣品選擇：選用與整機老化實驗完全相同批次、性能的產品，進行參考標準的確認試驗。確認標準時，選用不同Hcj的產品，以便確定性能下限和磁鋼的要求下限。2、 參考標準確認的試驗條件1） 烘烤溫度條件：最高工作溫度+010度作為試驗條件；

20、2） 磁路條件：半開路條件（磁鋼貼裝于磁路圈上）3） 試驗時間：2小時。2、參考試驗標準的制定：1） 老化前分別測量、記錄室溫磁通；2） 按照規定的試驗條件進行老化；3） 老化之后，磁鋼的溫度冷卻至室溫；4） 逐片對應測量、記錄老化后的室溫磁通；5） 統計計算磁通衰減率和剔除老化衰減異常后的最小磁通min；6） 剔除衰減異常的數據，計算平均磁通衰減率a；7） 參與平均值計算的最大磁通衰減率min；8） 參考標準值：該標準是有三項要素，要求：1、磁鋼的室溫磁通不小于min/平均磁通衰減率，2、磁通平均衰減不超過試驗值a；3、最大磁通衰減率不大于min。9） 一般標準：1、老化磁通磁通不小于某個值；2、最大老化衰減綠小于某個值；六、 成品標準和材料標準的制定1、 材料剩磁標準和成品的室溫標準的制定：1）選擇Hcj在標稱范圍，選擇標稱磁能積的中下限剩磁，按照剩磁0.2的級差選擇至少3組材料。分別加工成成品，做電機的室溫效率曲線，復核電機設計和磁鋼室溫磁通、材料剩磁的范圍。2、 材料Hcj