1 電機常用永磁材料的主要性能

　　1.1 電機中常用的永磁材料電機中常用的永磁材料包括燒結磁體和粘結磁體，主要種類有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷及釹鐵硼等。

　　鋁鎳鈷材料在 20 世紀 80 年代以前使用較多。它具有優異的溫度穩定性、時間穩定性和適用溫使用環境條件等優點,在一些特殊用途如使用溫度要求高、磁穩定性非常好的軍用或儀器儀表等特殊使用環境的電機中才采用。

　　鐵氧體材料屬非金屬永磁材料，價格低廉。它主要用于對使用性能及體積要求不高及量大面廣的經濟系列微電機產品中。如玩具電機、日用電器電機、音像電機、辦公設備及通用儀表電機、汽車摩托車電機以及工業用的小功率驅動電機等。

　　釤鈷材料是 20世紀 60年代中期興起的磁性能優異的永磁材料，且性能非常穩定。釤鈷從磁性能方面來說特別適合于制造電機，但由于其價格昂貴，主要用于研究開發航空、航天、武器等軍用電機和高性能而價格不是主要因素的高科技領域的電機中。釹鐵硼材料是 20 世紀 80 年代出現的被稱為第三代高性能永磁材料. 磁性能高于釤鈷, 熱穩定性較差，且很容易銹蝕，進行表面防護處理, 但價格便宜，所以迅速得到推廣應用。隨著釹鐵硼材料的不斷更新，溫度性能不斷改善, 特別是 20 世紀 90年代以來，低溫度系數、耐高溫的釹鐵硼材料已研制成功, 高性能耐熱釹鐵硼的工作溫度可達 200℃,而且價格也不斷降低，使大部分的工業和民用電機中都采用釹鐵硼材料，并將取代大部分原鐵氧體材料而應用于低價經濟型電機中。

　　粘結永磁材料是由粘結劑與永磁材料混合后壓縮、注射或擠壓成型等方法制成的一種復合型永磁材料, 包括粘結鐵氧體、粘結鋁鎳鈷、粘結釤鈷及粘結釹鐵硼。其中粘結釹鐵硼是目前的粘結永磁材料。它與燒結永磁材料相比有機械加工性能好, 成型容易, 可制成各種復雜的形狀, 磁性能均勻一致性好以及容易進行多極充磁等優點。但粘結永磁材料的磁性能低于同類型的燒結磁體，磁能積約為相同材料的燒結磁體的 40%~70%。在粘結永磁材料中，粘結釹鐵硼的前景，粘結釹鐵硼如果解決了工藝問題及提高質量后, 將成為應用前景的永磁材料。它目前主要用于小型無刷直流電機及步進電機等精密微電機中。1.2 永磁材料的主要性能(1) 剩磁感應強度。永磁材料在外磁場中充磁到飽和后，當外磁場為零時，永磁材料所具有的磁感應強度值。此項指標數據直接關系著電機中氣隙磁密的高低。磁感應強度值越高，電機的氣隙磁密將可能較高，轉矩常數、反電勢系數等電機的主要指標將達到值,電機的電負荷和磁負荷的取值關系才可能合理，效率才能達到。

　　(2) 矯頑力 Hc，(磁感應矯頑力 Hc b )。永磁材料在飽和磁化的情況下，當剩磁感應強度 Br 降到零時所需要的反向磁場強度。此項指標與電機的抗退磁能力即過載倍數和氣隙磁密等指標相關。Hc 值越大，電機的抗退磁能力越強，過載倍數越大，對強退磁動態工作環境的適應能力越強。同時電機的氣隙磁密也會有所提高。

　　(3) 磁能積 BHmax。永磁材料向外磁路提供的磁場能量的值。此項指標與電機中永磁材料的用量直接相關，BHmax 越大，預示著該種永磁材料對外磁路能提供的磁場能量越大，即在相同功率情況下電機中使用的永磁材料越少。

　　(4) 內稟矯頑力 Hc i 。該項指標是指當剩余磁化強度 M 降到零時的磁場強度值。退磁曲線上 B=0 時對應的 Hc b 值僅表示永磁體此時不能夠向外磁路提供能量，并不代表永磁體自身不具備能量。但當 M=0 時對應的 Hc i 值卻表示此時永磁體已真正退磁，自身已無磁場能量儲存。雖然 Hc i 與電機工作點無直接相關，但它才是永磁材料的真正矯頑力，代表著永磁材料擁有磁場能量和抗去磁場的能力。內稟矯頑力的大小與永磁材料的溫度穩定性密切相關。內稟矯頑力越高，永磁材料的工作溫度才可能越高。

　　(5) 溫度系數α。溫度是對永磁材料磁性能影響的主要因素之一，當溫度每變化 1℃時磁性能可逆變化的百分率稱為磁性材料的溫度系數。溫度系數可分為剩磁感應溫度系數和矯頑力溫度系數。該項指標對電機的性能穩定性影響較大，溫度系數越高，電機運行從冷態到熱態時指標的變化越大，它直接限制了電機的使用溫度范圍。間接影響到電機的功率體積比。2 永磁電機及特點永磁電機中功率已達到 1000kW，小直徑φ0.8mm，轉速 300000r/min，轉速 0.01r/min。永磁電機與電勵磁電機相比，具有以下特點.2.1 結構簡單, 可靠性高用永磁材料勵磁，可將原電勵磁電機中勵磁用的極靴及勵磁線圈由一塊或多塊永磁體替代，零部件大量減少，在結構上大大簡化。同時由于省去了勵磁用的集電環和電刷，不但改善了電機的工藝性，而且電機運行的機械可靠性大為增強，壽命增加。2.2 性能優異永磁電機，特別是采用稀土永磁材料的電機，氣隙磁密可大大提高，電機指標可實現設計，其直接效果就是電機體積縮小,重量減輕。不僅如此，較其它電機而言，永磁電機還具有非常優異的控制性能。

　　這是因為：

　　其一，由于稀土永磁材料的高性能而使電機的力矩常數、轉矩慣量比、功率密度等大大提高。通過合理設計又能使轉動慣量、電氣及機械時間常數等指標大大降低，作為伺服控制性能的主要指標有了很大改善。

　　其二，現代永磁電機中，永磁磁路的設計已較完善，加上稀土永磁材料的矯頑力高，因而永磁電機的抗電樞反應及其它去磁的能力大大加強，電機的控制參量隨外部擾動影響大大減小。

　　其三，由于用永磁材料取代了電勵磁，減少了勵磁繞組及勵磁磁場的設計，因而減少了勵磁磁通、勵磁繞組電感、勵磁電流等諸多參數，從而直接減少了可控變量或參量。綜合以上各因素可以說永磁電機具有優異的可控性。例如，目前全數字永磁交流伺服電動機調速性能非常優異，正弦波交流伺服電機的調速比可達 1：100000。步進電機和低速同步電機在采用永磁材料后，其輸出轉矩、動態響應特性等都有明顯的改進和提高。因而與同規格電機相比，永磁電機的動態性能指標、穩態性能指標、控制性能指標以及可靠性指標等都比普通電機有較大的提高。

　　2.3 節能永磁電機不但可減小電阻損耗，還能有效地提高功率因素。如永磁同步電機可在 25%~120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因素。300W微 電 機 專 題2006 年第 7 期 16以內的微型永磁直流電機比同規格的電勵磁電機效率高 10% ~ 20%。大量使用的風機和泵類負載的電機改為永磁電機后，綜合節能效果十分顯著, 功率越大，勵磁損耗占總損耗比例越大，因而永磁電機效率高的優點越突出。3 永磁電機設計中應深入研究的問題3.1 永磁材料利用率永磁電機中，永磁材料成本占電機總成本的比例較大，因此如何節省材料，提高材料利用率是永磁電機生產廠家關心的問題之一。理論上講，永磁體的磁能積點表示磁體能對外提供的能量，且從去磁曲線上也能求得該工作點。但實際應用中絕非如此簡單. 要具體研究電機的使用場合，分析電機應完成的預定功能，找出其對應的重點指標，以此來決定電機工作點選擇的位置，并合理確定永磁體的形狀及體積，同時還考慮其加工工藝的影響。在綜合考慮各種因素后達到電機在功能、性能、成本等各方面的設計。3.2 過載與退磁磁性材料的退磁包括溫度退磁、時間退磁和環境退磁等。又分可逆退磁和不可逆退磁兩類。深入研究永磁材料矯頑力和內稟矯頑力與穩定工作溫度的關系;溫度系數對電機性能指標的影響程度以及退磁系數;基于磁性能變化引出的電機工作溫度的定義;可逆退磁和不可逆退磁在電機使用溫度范圍內所占比例以及對電機性能產生的影響;永磁材料退磁后的再充磁及重復利用等等問題是很有用的。3.3 分析與設計現代永磁電機的理論與設計已比較成熟，眾多的以磁路分析計算為主的設計程序和方法，永磁磁場的數值分析法也已普遍使用于工程實踐中。但由于在永磁電機中，永磁體即作場激勵源或磁路的磁源，又是磁場和磁路的組成部分, 同時永磁材料制造工藝、形狀尺寸、充磁工具、充磁方法等都會使永磁材料一致性和均勻性不理想，有時分散性較大, 甚至同一牌號同一批次的永磁材料的性能數據都可能有較大的差異。因而永磁體分散性也給永磁電機的設計分析及永磁磁場的數值計算帶來了困難，設計的準確性會受到影響。比如在場的理論和數值分析中永磁模型建立與等值問題;在工程磁路計算中的漏磁系數、局部退磁和電樞反應準確計算等諸多問題，都較電勵磁電機分析計算的誤差要大。3.4 充磁與測磁永磁電機設計是建立在永磁材料飽和磁化的基礎上的。那么，用在電機上的磁體是否已被充分磁化飽和，若是永磁體是由磁性材料生產廠充磁并帶磁供貨，一般不存在問題, 但如果是在電機上整體充磁時，如何保證永磁體被充分磁化，如何在飽和磁化同時還能保持磁性能的均勻性和一致性等問題值得研究。

　　同樣，針對磁性能檢測問題，也還有較多值得研究的問題。如帶磁供貨的磁體在電機制造廠如何對其進行有效的簡便易行而又相對準確的入廠檢測，而現在多數電機廠家無法在零部件階段對永磁材料磁性能進行有效測量，往往只有到整機性能檢測不合格時才能發現磁性材料有問題。3.5 抗腐蝕性釹鐵硼材料的易腐蝕問題對電機的質量影響較大，而目前它的表面防護問題在國內未得到很好的解決，其采用的電鍍等辦法常出現表面鍍層脫落使電機出現故障的現象。同時耐受特殊環境條件(如潮濕、鹽霧及特殊氣體等)的能力有限，影響了電機對特殊環境條件的適應能力。希望永磁材料在表面防護能力方面有更進一步的提高。3.6 磁性能穩定性、均勻性、一致性為保證電機性能在其壽命周期內不發生較大變化，特別是一些有特殊要求的軍用電機，其可靠工作壽命要求長達 15 年以上,希望永磁材料的磁性能保持長期穩定。

　　電機特別是高精度電機對永磁材料磁性能均勻性及一致性要求較高。磁性能不均勻將導致電機磁場不均勻，轉矩波動增大, 發電機的輸出電壓紋波增大，線性度變差, 控制電機的精度指標降低等。另外，同一牌號的永磁材料在不同批次時的磁性能不一致，有時會導致電機成批不合格。因此，高精度電機要求永磁材料磁性能一致性能滿足誤差在 5%以內，均勻性誤差在 3%以內。3.7 加工工藝永磁電機在制造過程中還有較多的加工工藝問題值得研究。比如粘接過程中的工藝參數如何掌握，是否會對磁性能產生影響。機加工過程中的沖擊、振動和加工環境是否對磁性能產生影響，帶磁零部件在工藝周轉過程中以及在裝配工序中如何采取保護措施等。

　　永磁電機中的永磁體多采用帶磁供貨，這樣雖然減輕了電機生產廠充磁的難度，但卻大大增加了制造工藝難度. 如永磁無刷直流電機及永磁同步電機等常采用多極多塊磁體直接粘在轉子表面的表面貼裝結構。多使用高性能的燒結釹鐵硼，其粘接工藝較復雜且操作困難，當其轉速較高時還會造成粘接可靠性不理想。如能將燒結磁體做成徑向結晶充磁的多極環形結構，將大大簡化電機轉子的制造工藝。目前粘接磁體可以做到，但磁性能不高。如燒結磁體能實現并能批量供貨且價格不高(有報道已有廠家在開展此項研究)，將很有發展前途。