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钕铁硼磁钢在电机中的应用--钕铁硼

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稀土钕铁硼永磁直流无刷调速电机是现代材料科学、电子电力科学及电动机控制理论相结合的切割磁铁

产物。稀土钕铁硼永磁电机是利用稀土钕铁硼材料产生磁场,替代传统电机由电流励磁产生的磁场,使得稀土钕铁硼永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗低、效率高,电动机的外型和尺寸可以灵活多变等显著磁钢厂

特点,所以稀土永磁电机近几年来发展很快。

钕铁硼永磁体是一种高能量密度的储能材料,可以在一定空间内产生恒定磁场。由于其极高的矫顽力和磁能积,特别是在20℃~150℃环境下相对于其它永磁体的优异表现,使得钕铁硼永磁材料在多种领域特别是现代高科技领域获得了广泛应用。其主要应用原理分为:电能——非电能转换、磁能——动能或势能转换、利用磁场的物理磁铁厂

效应改变宏观物质的电子态、键合态或分子的缔合态等。 烧结钕铁硼产生的恒定强磁场可实现能量或信息的相互转换,因此可制造出多种多样的功能器件和磁机构;并且随着人们对磁物理效应的探索,新应用钕铁硼的功能器件也将不断涌现。按照其应用领域基本可分为: 电声领域:扬声器、受话器、传声器、报警器、舞台音响、汽车音响等; 电机领域:VCM、CD\DVD-ROM、发电机、电动机、伺服电机、微型电机马达、振动马达等; 电子电器:永磁机构真空断路器、磁保持继电器、电度表、水表、计数器、干簧管、传感器等; 机械设备:磁分离、磁吊、磁力吸盘、磁性阀门、磁力传动器、磁力轴承、磁反应釜、磁力泵、磁制动器、磁力打捞器、磁悬浮列车等; 医疗保健:核磁共振仪、医疗器械、磁疗保健用品、磁首饰、磁水器、磁化减烟节油器等; 其它行业:磁化防蜡器、管道除垢器、磁夹具、自动麻将机、磁性锁具、门窗磁、箱包磁、皮具磁、玩具磁、工具磁、工艺礼品包装等。 烧结钕铁硼磁体的典型应用 音圈电机。烧结钕铁硼永磁材料最典型的应用就是 VCM音圈电机,即磁盘驱动器读写头的致动器。最近十年,随着计算机的微型化,磁盘存储密度的增高,要求VCM体积更小、反应更快、惯性更小。因此,对磁体性能的要求也从开始的N35提升到目前的46H;其外形的变化也由厚重变为扁平、小巧,单片质量仅15克。直线式音圈电机原理图:由于安培力的作用,就像扬声器将电流信息转化为声音信号一样,音圈电机通过磁场与载流线圈的相互作用,将电信号转换为直线位移或动作,从而驱动磁头对磁盘的存储信号进行准确的读写。 永磁电动机和发电机。 全球总耗能有一半以上用于电机的运转,如何提高电机的效率和能耗就显得尤为重要;烧结钕铁硼永磁体的出现大大促进了永磁电机的发展,使原先使用铁氧体或钐钴磁体做微电机定子或转子的产品都力图用烧结钕铁硼永磁代替,以减轻重量、提高功率系数、增加输出功率,从而降低成本。其应用种类如下表所示: 种类 永磁电机名称 用途 稀土永磁交流电机 永磁同步发电机 单相、三相交流电源,副励磁机 永磁交流测速电机 航空、航海、车床、机床行、转速测量 永磁感应式发电机 单相中频电源 点火用磁电机 机动车、火车、飞机内燃机点火系统 永磁同步电动机 稀土永磁直流电机 驱动用永磁直流电动机 家用电器、电动玩具、仪器仪表的驱动 永磁直流伺服电机 自动化、遥控遥测系统 永磁直流测速电机 转动部件转速的测量 永磁直流力矩电动机 步进电机、无刷电机、音圈电机等 工业、办公自动化,计算机外设等 电机永磁体的动态磁路,其工作点在回复直线上变化,一般工作点应选在磁铁的最大磁能积附近。在工作过程中气隙长度和体积是变化的,因此磁体不但受到温度变化的影响,而且还受到电枢磁动势对其反向退磁的影响(特别是在电机起动、突然短路、堵转、反转时)。由于工作点是在回复线上往返变化,就使得磁体处于循环退磁状态。这要求在电机磁路设计时,不但要考虑温度变化的影响,还要考虑到动态退磁的附加影响。一般功率型的直流电机,由于电枢效应,其最低工作点大约都在-0.6的地方,此时要求磁体在电机的连续工作温度下B-H曲线仍为直线,如果B-H曲线发生弯曲,磁体就会因电枢效应产生永久性退磁;另外还有对磁体在电机的极限温度下,要求其磁通不可逆损失hirr≤5% 。所以电机对钕铁硼磁铁的要求是高剩磁、高矫顽力、高磁能积(33UH以上);使用温度高于120℃,最高使用温度不超过220℃;在长期使用温度下的B-H退磁曲线要求呈线性,即无导致弯曲的膝点;要求剩磁温度系数αBr≤-0.09~0.08%/℃,βHcj≤-0.55~0.45%/℃;表面处理耐蚀性能要好。 直流电机的磁系结构。在实际应用中,钕铁硼电机的永磁体一般安装在转子上,其磁系结构多种多样,根据磁钢的取向方向可分为:1.径向磁化结构,磁钢磁化方向和电机气隙方向一致,适用于较大功率电机。2.切向磁化结构如右图示,磁钢磁化方向和电机气隙方向相切,多用于低速电动机、低速测速发电机和力矩电机;3.轴向磁化结构的电机中,磁钢磁化方向与电机轴向平行,由于体积小出力大,利用率高,多用于盘式电机,按照电枢绕组的结构盘式电机又分为印制绕组式、线绕盘式两种,如下图所示,前者为双面磁钢印制电机,电枢绕组采用印制线路板,优点是效率较高、快速反应、功率范围较大,缺点是电枢绕组与电刷间不断摩擦,影响了使用寿命。后者为单面磁钢线绕盘式电机,是在印制电机的基础上发展起来的,亦可根据高功率要求设计为双面磁钢,由于电枢呈薄饼状,转动惯量和机电时间常数很小;无齿槽影响,运转平稳;由于气隙较大,换向良好,其功率范围较大。目前有部分电动自行车电机采用线绕盘式结构。 直流无刷直流电动机的应用前景非常广阔;钕铁硼永磁转子结构:a结构是转子铁心外圆粘贴瓦片磁钢;b结构是转子铁心中嵌入块状磁钢;c结构是在转子铁心外套一个整体粘结磁环,适用于体积和功率较小的直流无刷电机;除此以外还有一种外转子式结构,即带有钕铁硼永磁极的转子在外,嵌有绕组的定子在里,主要用于电动车的驱动。 汽车电机的应用。烧结钕铁硼永磁体由于高矫顽力、高磁能积的特点,可满足汽车电机体积小、重量轻、功能好的要求,应用于起动电机、发电机、自动刹车、油泵电机、空调电机、以及部分代替铁氧体用于操纵系统。汽车电机中大量应用的直流无刷同步电动机主要分为两种:a为表面型永磁电机,钕铁硼磁钢装配在转子表面;b为埋入型永磁电机,把磁钢装配在铁心内部。表面型因为产生反向起动电流一致很难获得高速旋转,而埋入型将铁心做成分路磁感(电枢反作用),因而可得到象感应电机那样的高速旋转;并且埋入型电机安装方便、磁体便于加工,可靠性也好,所以有可能成为今后在EV电动汽车电机应用中的主流。上世界末,美国已将14种汽车改用钕铁硼永磁电机,并要逐步实现汽车电机钕铁硼化;在日本随着环保要求和资源枯竭的呼声, HEV混合电动汽车(部分使用燃料)已经大量投放市场。到2010年HEV混合电动汽车和EV纯电动汽车将成为人类社会交通的主流方式,届时以每台需烧结钕铁硼5公斤计算,年需求量就达到2~3万吨。因此,在今后的烧结钕铁硼永磁体的市场发展将主要由制造电机来带动。