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浅谈永磁直流无刷电机常用的永磁材料

2020-5-8 19:20:27 4487 直流无刷电机

0 ` 目前电机工业中应用的永磁材料主要是铝镍钴、硬磁铁氧体和稀土磁体三大类。铝镍钴是20世纪30年代研制成功的永磁材料，其主要特点是剩磁高、温度系数低、居里温度高、热稳定性好、抗氧化和耐腐蚀、加工性能较好。但其不足之处是矫顽力低，抗退磁能力差，并需要使用贵金属钴。因此随着稀土磁体的出现，铝镍钴在整个永磁材料中所占的比例越来越小，现在仅在高精度测速发电机等信号类微电机中仍会继续使用，在直流无刷电机中基本不使用。铁氧体永磁材料是20世纪50年代初研制成功的永磁材料。其最大特点是价格低廉、有高的矫顽力，但磁能积低，主要用于对电机体积重量要求不高，但关注低成本的电机中，常用于一些家用电机和玩具电机。铁氧体磁铁的优点如下：（1）铁氧体磁铁与钕铁硼磁体相比，价格非常便宜，约为后者的1/10以下。（2）使用温度范围宽，低于-40℃和超过200℃才发生退磁。这个温度范围对电机应用来说不存在问题。（3）铁氧体磁铁的电阻率高。这意味着，磁铁本身不存在任何由于涡流而引起的损耗问题。（4）无腐蚀问题，无需表面处理。而钕铁硼磁体中此问题很严重，必须进行表面防护处理。（5）与钕铁硼磁体相比，磁体容易被磁化，电机生产过程中磁体充磁和安装容易操作，因为它们的磁性不是特别强。使用铁氧体磁铁的缺点是: （1）铁氧体磁铁的磁性较差，剩余磁通密度低(0.3~0.4T，钕铁硼磁体达1.1~1.3T)，能积低(20~35kJ/m3，钕铁硼磁体达250~350kJ/m3)。因此，表贴式磁体的气隙磁通密度低。当采用内置式结构时，要达到钕铁硼磁体同样气隙磁通密度，铁氧体材料用量更多，因此转子更重。幸而，铁氧体磁铁密度较低，约为钕铁硼磁体的2/3。（2）剩余磁通密度随温度的变化比较大(-0.2%/℃)。（3）由于铁氧体磁铁需要更厚，外转子结构电机的气隙直径将要减小。稀土磁体主要有第一代的钐钻(1-5型)永磁材料SmCo5；第二代钐钻(2-17型)永磁材料Sm2Co17；第三代的钕铁硼( NdFeB)永磁材料。其中SmCo永磁体的磁能积在120～240kJ/m3之间，钕铁硼系永磁体的磁能积在216~400kJ/m3之间。稀土永磁材料除了磁性能十分优异而具有高的磁能积、高的矫顽力外，更为重要的特性是它的退磁曲线为直线，回复线与退磁曲线基本重合。这样，电机的动态工作点就在这条直线上移动，有很宽的动态范围，不容易去磁。良好的设计可充分利用永磁材料，降低电机的体积、重量。而且，磁体可以方便地充磁后再装配，无需像铝镍钴那样充磁磁体在装配前需要专门的磁短路保护，以防止磁体开路去磁，或需要先装配后充磁。钐钴稀土材料是20世纪60年代中期问世的，具有铝镍钴一样高的剩磁，比铁氧体高的矫顽力，但是钐钴稀土材料价格昂贵，力学性能差，仅局限于某些温度稳定性要求高、体积与重量有苛刻要求的特殊用途电机中。20世纪80年代初，稀土钕铁硼永磁材料进入应用，尽管它有温度系数大、居里点低、容易氧化生锈需要涂覆处理等缺点，但它具有特别优异的磁性能，很高的磁能积、高的矫顽力、较高的剩余磁通密度。随着其价格下降，与铝镍钴相当，为稀土钴类永磁的1/4～1/3，近年来发展迅速。钕铁硼永磁电机应用范围越来越广泛。各种永磁材料的价格不断降低，不同用途的电机可以采用不同的永磁材料，以达到合理的性能价格比。永磁材料性能的不断提高和价格的不断降低，有力地推动永磁直流无刷电机的发展。东莞东昊电机有限公司生产的永磁直流无刷电机基本采用稀土磁铁，稀土磁铁有烧结和粘结之分，烧结磁力大，粘结相对较小。使用稀土磁铁生产的永磁直流无刷电机性能可靠，寿命长，维护简单。 ` 0
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