磁性材料及电机.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁性材料及电机,重要内容,内容安排,磁性材料,直流电机,电磁感应原理,直流电机原理,直流电机构造,无刷直流电流电机,内容安排,永磁材料,直流电机基础,交流电机基础,汽车工业中的永磁电机,永磁材料在发电机中的应用,内容安排,永磁材料,直流电机基础,交流电机基础,汽车工业中的永磁电机,永磁材料在发电机中的应用,磁性材料的分类,1。按物理性质分类,a）.静磁特性：永磁；软磁；矩磁；磁记录（介质、磁头）,b）.交叉耦合效应：磁光；磁热；磁致收缩；旋磁；吸波；,反常霍尔效应；铁电/铁磁；GMI,c）.与自旋有关的输运性质：自旋电子学材料,2。按化学构成分类,金属（合金）；无机（氧化物）；有机化合物,3。按维度分类,纳米（零维；一维；二维）；微晶；非晶；块体,4。按磁构造分类：铁磁；亚铁磁；反铁磁；超顺磁,5。按应用分类：。隐身；磁制冷；磁传感器；MEMS。,目前常用的重要硬磁材料重要有:,稀土永磁材料，这是目前磁能积最高的一大类永磁材料，以稀土族元素和铁族元素为重要成分的金属互化物（又称金属间化物）。我国研制和生产的钕铁硼稀土合金就是永磁材料。,金属永磁材料。这是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素（如镍，钴等）为为重要组元的合金型永磁材料，重要有铝镍钴（Al Ni Co）系和铁铬钴（Fe Cr Co）系两大类永磁合金。铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等，发展较早，性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽，故应用范围也较广。,目前常用的软磁材料重要有：,铁硅系软磁材料，常称硅刚片，是电机工业广泛使用的磁性材料。,Global market for magnetic materials the total was about 30b$.,全球市场：300亿美元,稀土永磁,稀土永磁,稀土铁永磁材料是指以稀土与铁形成的金属间化合物为基体的永磁材料。若按化学构成，稀土铁永磁材料可分为：,1)RE2Fe14B(简称2：14：l型)化合物永磁材料；,2)ThMn12型，如Nd(Fe，M)12 化合物永磁材料；,3)间隙型稀土铁化合物，如Sm2Fel7Nx、Nd(Fe，M)12Nx、Nd3(Fe，M)29Nx等氮化物永磁材料；,4)双相纳米晶复合互换耦合永磁材料，如Nd2Fe14B/-Fe、Pr2Fe14B/-Fe、Sm2Fe17Nx/-Fe永磁材料等。,稀土永磁,Nd2Fe14B系（简称NdFeB）永磁材料已在现代科学技术与信息产业中得到广泛的应用，在永磁材料中占有重要的地位。其他稀土-铁永磁材料还处在发展阶段，离实用化尚有相称一段距离。NdFeB永磁材料(包括烧结和粘结永磁材料)的磁性能高，相对价格较低，因而得到广泛应用，平均年增长率高达20一30。,Fe-Cr-Co、Fe-Ni-Cu和Pt基永磁材料由于原材料价格高，或加工费用高，一直未能成为主流永磁材料。Mn-Al-C永磁材料则未到成熟期就开始萎缩。,制造工艺,烧结永磁材料,粘结水磁材料,热变形水磁,永磁材料重要性能个参数,剩余磁感应强度Br,在永磁材料饱和充磁的状况下，去掉外部磁化场后，永磁材料自身具有的磁感应强度值，也就是退磁曲线上磁场强度H为零时对应的磁感应强度值，称为剩余磁感应强度。剩余磁感应强度越大，磁体对外提供的磁场强度越强。,矫顽力Hc,永磁材料饱和充磁后，使磁体剩余磁感应强度降到零时的外加反向磁场的磁场强度值，也就是退磁曲线上磁感应强度尽为零时对应的磁场强度值，称为磁感应强度矫顽力，简称矫顽力。永磁体的矫顽力代表了它抗外磁场干扰的能力，矫顽力越高，抗外磁场干扰的能力就越强。,永磁材料重要性能个参数,磁能积(BH)和最大磁能积(BH)max,退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积称为磁能积，它的大小与该永磁体在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比，磁能积的单位是J/m3，表达单位体积的永磁体能向外磁路提供的磁场能量。永磁体的最大磁能积决定于三个原因:剩余磁感应强度尽、矫顽力从、和退磁曲线在第二象限向外突出的程度(称为永磁体的形状系数)。在获得相似磁场能量的条件下，永磁体的最大磁能积越大，永磁体的体积就越小，因此在发电机中使用的永磁体的最大磁能积越大越好。,居里温度Tc,伴随温度的升高，永磁体的磁性能逐渐减少，当温度升至某一点时，磁化强度消失，此时的温度称为该永磁材料的居里温度Tc，又称居里点。,永磁材料基本磁性,1。饱和磁化强度 Ms，Tc:构成，磁构造,2。剩磁 Br：取向，密度,Br=o p Ms f.p-孔隙率；f取向度,f=1/2 各向同性,f1 各向异性，理想取向。,3。矫顽力 Hc：晶体构造，K，显微构造,单畴：磁晶各向异性：Hc K/o Ms,BHc Br o Ms,形状各向异性：Hc NMs,4。磁能积（BH)m,（BH)m（理论）oMs2/4,第一，二代稀土永磁,(19671975),第三代稀土永磁,(1983),第一代SmCo,5,(60年代）；第二代Sm,2,Co,17,(70年代）；第三代 Nd,2,Fe,14,B(80年代）；,第四代稀土永磁？,第一代,第二代,第三代,第四代,稀土永磁,SmCo,5,Sm,2,Co,17,Nd,2,Fe,14,B,?,晶体结构,CaCu,5,型六角晶系,六角或菱方结构,四方晶系,低对称晶系,Js(T),o,Ms,1.14,1.25,1.6,1.8,Tc(,o,C),727,920,320,300,H,A,(T),25-44,6.5,7,7,(BH),m,(kJ/m,3,),200(259),*,250(310),462(512),600,*(-)(BH)m,理论值,。,SmFeN;SmFeC；1:12;3:29;,纳米复合稀土永磁,（,BH)m,(,理论,）,800,（kJ/m,3,)，,1988,年,？,工艺：速凝；氢爆；双合金,永磁材料的比较,稀土永磁薄膜,MEMS；传感器等应用中规定微米级膜厚的永磁薄膜。,薄膜永磁材料：永磁铁氧体；MnBi;MnAlC;R-Co;,NdFeB;Pt-Co/Fe -,一般采用磁控溅射;激光沉积等工艺制备。,SmCo5 160kJ/m3;,Sm2Co17 136kJ/m3；,NdFeB 240kJ/m3；,（Pt/Fe）n 320kJ/m3,NdFeB,直流电机,磁通量,B,B,2.由B=/S，可知：磁感应强度B等于穿过单位面积的磁通量，因此磁感应强度又叫磁通密度.(讨论引起其变化的原因),3.磁通量是标量，但有方向，为了计算以便，有时可规定进该面或出该面为正，叠加时遵照代数和法则，即要考虑到相反磁场抵消后的磁通量(即净磁通量).,4.磁通量的单位：韦(Wb).,则有：1T=1Wb/m=1N/Am=1Vs/m.,5.磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率/t的区别.,磁通量是指穿插过某一回路的磁感线的条数；,磁通量的变化量是阐明磁通量变化了多少，但不能阐明磁通量变化的快慢，值得注意的是当一种回路平面翻转180时，磁通量的大小变不变暂且不管，但方向由正变负或由负变正，而磁通量的变化量为=2-1；,磁通量变化率/t是指磁通量变化快慢的物理量，决定了该回路的感应电动势的大小，再结合该回路电阻可决定该电路的感应电流的大小.,磁通量,单位：wb,磁通量的变化量单位：wb,磁通量的变化率,单位：wb/s,定义,穿过某一面积的磁感线的条数,两个不同时刻磁通量的差值,磁通量变化的快慢,符号表示,/t,计算公式,=BSSIN,(,是B与S所成的夹角),=,2,-,1,(,2,-,1,)/(t,2,-t,1,),物理意义,是产生感应电动势的条件。,/t,决定了感应电动势的大小,比较磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率。,二、电磁感应现象感应电流产生的条件,1.运用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象，所产生的电动势称为感应电动势，所产生的电流称为感应电流.,2.产生感应电流的条件：闭合电路；穿过闭合电路的磁通量发生变化；,闭合电路的一部分做切割磁感线的运动,穿过闭合电路的磁通量发生变化,1.2.8 电磁感应定律,e,B,v,e,v,1.2.7 载流导体在磁场中的安培力,电磁定律,B,f,i,左手定则：载流导体在磁场中受到的电磁力。,4.5.2 带电粒子在均匀磁场中的运动,直流电机的基本构造,风扇,机座,电枢,铁心和绕组,主磁极,电刷,换向器,接线板,接线盒,励磁绕组,端盖,直流电动机,图1.5 小型直流电机的构造剖面图,1换向器；2电刷装置；3机座；4主磁极；,5换向极；6端盖；7风扇；8电枢绕组；9电枢铁心,1.1 定子 转子 （固定部分）（转动部分）,主磁极,换向极,机座,端盖,轴承,电刷装置,产生磁场、电机的机械支撑,电枢铁心,电枢绕组,换向器,轴,风扇,感应电势，而实现能量转换的部分,一、定子部分,直流电机定子部分重要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等构成。,图1.6 直流电机的主磁极,1主极铁心；2励磁绕组；3机座；4电枢,二、转子部分,直流电机转子部分重要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等构成。,图1.7 直流电机的电枢,1转轴；2轴承；3换向器；,4电枢铁心；5电枢绕组；6风扇；7轴承,1.2 直流电机的磁路,电枢铁心,由,0,5mm,厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。,铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定。,1.2 直流电机的磁路,电枢铁心,由,0,5mm,厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。,铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定。,1.2 直流电机的磁路,磁极铁心,由,l-1.5mm,厚的钢片叠成，与励磁线圈一起固定在磁轭上,极靴表面沿圆周的长度称为极弧，二个相邻磁极上沿空气隙圆周表面的距离称为极距，极弧与极距比为极弧系数，约,0.60.7,极靴,极靴较磁极极芯向外引伸，使空气隙中的磁通密度沿圆周变化时较为缓渐而均匀，有助于固定励磁线圈,由于齿槽效应，表面磁通变化引起涡流损耗，极靴由叠片制成,磁轭,在磁极外围将磁路闭合的部分，磁轭和底座相连,其中磁通不变（当直流励磁电流不变时），由铸刚构成,换向极磁路,换向极，是位于两个主磁极之间的小磁极，用于改善换向。换向极常用整块钢或厚钢板制成,换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数量一般只有主磁极的二分之一，或不设置换向极,1.3 直流电机的电路,励磁绕组 套在磁极铁芯上。,并励绕组和电枢绕组并联，匝数较多、截面积较小,串励绕组和电枢绕组串联，匝数较少，截面积较大,从电阻和能量消耗的角度考虑,电枢绕组 嵌在电枢铁芯槽中,叠绕组和波绕组,换向极绕组 与电枢绕组串联，鼓励换向极磁通。,换向器将电枢绕组内部的交流电势用机械换接的措施转换为电刷间的直流电势。,1.4 电刷装置,电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路,1.将转动的电枢与外电路相连,2.与换向器配合作用而获得直,流电压,电刷组数一般等于电机极对数,1.5 直流电机的励磁方式,直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响,他励励磁由此外独立的直流电源供应，与电枢绕组不相连接,自励励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机自身供应,自励的形式,励磁回路的功率占总功率的1-5%。,二、直流电机电枢绕组,作用：电枢绕组功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场互相作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换。,特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。,用环型绕组阐明直流绕组的闭合状况,电枢旋转时，各线圈依次通过电刷作为引出端,2.1 双层绕组,线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中：两边都能切割磁场而产生感应电势。,两边电势相加：线圈的两边必须处在不一样极性的极面下，线圈的跨距约等于一种极距。,线圈对称排列：当一线圈的一种边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。,虚槽概念,在大型电机中、每层也许有N个并列圈边,为了改善电机的性能，用更多的元件构成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。,每层有3个圈边,实槽,虚槽,每一元件有两个圈边，,每一换向片上接有两个圈边，,每一虚槽内放置有两个圈边，,元件数,S,等于换向片数,K,，也等于虚槽数,每线圈有Nc匝，则总导体数N,直流电机原理,图1.1 直流发电机原理模型,在图1.1所示瞬间，导体a b、c d 的感应电动势方向分别由 b指向 a和由d 指向 c。这时电刷 A呈正极性,电刷B 呈负极性。,当线圈逆时针方向旋转180时，这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分别变化了方向。,图1.2 直流发电机原理模型,从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因此，电刷 A一直有正极性，电刷 B一直有负极性，因此电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。假如电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。,二、直流电动机的工作原理,导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一种力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。假如此电磁转矩可以克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其他负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。,图1.3 直流电动机的原理模型,当电枢转了180后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供应的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。,图1.4 直流电动机原理模型,因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处在N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流一直是一种方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能持续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。,直流电机原理,3.1.2,基本工作原理,1、,直流发电机的工作原理,电刷,换向片,直流发电机原理,直流电机原理,图,1.1.1,直流电动机物理模型,图,1.1.2,直流发电机物理模型,稀土永磁电机长处,构造简朴,可靠性高,能量转换效率高,电能消耗少,低速性能好,调整率小,环境适应性强,功率密度高,延长蓄电池使用寿命,无刷直流电机,电动自行车所用的无刷直流电机,有刷直流电机,长处:,低噪声,高效率,无励磁需要,易维护,寿命长,控制构造简朴,应用:,航模,医疗器械,家用电器,电动车,计算机,电子仪器,自动化办公设备,有刷直流电机,发展基础,稀土永磁材料迅速发展：,矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线在大范围线性可逆等。,现代电力电子器件工艺日臻成熟：,出现了功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)，尤其是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS 可控晶闸管(IGCT)的开发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。,有刷直流电机,磁极静止，电枢旋转。,f=IBla，这个力形成了电磁转矩；,根据左手定则，线圈,在这个转矩作用下将按逆时针方向旋转。,当载流导体转过180度后，借助电刷-换向片变化导体中电流方向。,无刷直流电机,电枢静止，磁极旋转，且磁极为永久磁铁。电枢绕组中电流的换向是借助于转子位置传感器和电子开关线路来实现的，因此，无刷直流电动机一般都是由电动机、位置传感器和电子开关线路三部分构成。,无刷直流电机构造,有刷直流电机,无刷直流电机工作原理,无刷直流电机工作原理,无刷直流电机工作原理,无刷直流电机工作原理,无刷直流电机工作原理,无位置传感器控制,带位置传感器有其自身不可防止的缺陷：,（1）增大了电机的体积。安装了位置传感器后，电机构造变复杂了，也相对增大了电机体积，阻碍了电机的小型化，尤其是对微型电机；,（2）增长了电机成本。容量在数百瓦如下的小容量方波型永磁无刷直流电机常用的霍尔IC传感器的成本，相对于电机本体来说所占比例比较大。同样，对于小容量的正弦电机，采用旋转变压器或光电码盘等传感器，其成本往往也很高；,（3）可靠性差。一台三相方波电机若采用霍尔IC传感器，至少增长五根连线。过多的引线使得系统的可靠性变差；,（4）传感器的输出信号易受到干扰。,（5）传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大，相对增长了生产工艺的难度。,无位置传感器控制,无位置传感器控制是指无机械式位置传感器，即不在无刷直流电动机的定子上直接安装位置传感器来检测转子位置,而是通过一种检测电路，从硬件和软件两方面来间接获取转子位置信号。检测得到转子位置信号后来的控制措施，与有位置感器控制措施相似。,无位置传感器控制,