永磁电机的设计及工艺简介_续_.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/沪川川树卜卜闷网州闲、国外电机技术卜 扣门月加月卜月月加尹永磁电机的设计及工艺简介 续三、永磁材料的稳定性及使用注意事项磁稳定性 的基础及去磁因素影响永磁 电机性能的因素有永磁材料的磁感应 大小、磁稳定性及磁铁的工作点的稳定性等。永磁材料的磁稳定性可由充磁后的长期使用中的永磁材料的磁感应或气隙磁通 的变化量,即时效变化的大小来评价。影响磁稳定性的因素可分为内部因素和外部因素。内部去磁因素磁性材料的金相组织的变化,磁后效剩磁效应。外部去磁因素温度效应,外去磁场作用,机械应力接触强磁性体射线效应。去磁因素对永磁电机的设计,工艺和使用都是一个必须认真对待的问题,下面分别讨论各种去磁因素。金相组织变化铬钢和钻钢等悴火硬化磁钢,由于淬火时产生的马氏体是不稳定组织,易产生时效变化,而铝镍钻和铁氧体永磁都是经以上温度热处理后使用的,一般可忽略金相劣化现象。金相组织劣化是不可逆去磁因素,它随温度的升高而加激,因此,加工永磁材料时,必须严加控制加热沮度,例如铝镍钻永磁最高加热温度不可大于“,铁氧体永磁不可大于”。磁后效永磁材料充磁到饱和之后去掉充磁磁场,其磁化强度经过长时间之后都有若干变化,这种变化称为磁后效。侧定徽后效应消除外部去磁 因素影响并在恒定温度下进行。一般而言,磁后效很小,表是铝镍钻永磁和铁氧体永磁,小时后 的磁感应变化率,衫钻稀土永磁经,小时后剩余磁感应为原值的。故障特征机桩接触故阵换向片沿圆周 方向不 均匀烧黑,电机经较 长时间运转后,可发现换向片组隔开一个或二个刷杆距离被烧黑,电刷运行越来越不稳定。换向片不均匀烧黑,一些换向片的后缘上产生灼痕,电刷不稳定跳动并产生火 花,有时电刷发出嘎嘎声,电刷边缘碎裂。换向器表面烧黑,与不平稳运转或换向器不圆时相同原排除方法电机运转不平稳,原因为转子不平衡,机组轴,心线未对准,联轴器内有缺陷减速箱运转不、平稳。电机电枢重 新校好平衡,校直机组 的轴中心线,检孟验联轴器轴向和径向间隙,在机 械运转正常后,重磨换向器表哑。一如果怀疑换向器强度不 够,亚新压紧换 向器,在不与电刷接触的表面上,检验换向器圆度,即采用一只测杆在运转时进行侧量,重车或重 磨换 向器。一万 犷重车或重磨换向器在刷握上装配符合标准的弹簧,电刷压力约为。“换向器表面 圆周方向产生条痕在周围空气含硫时,不与电刷接触的换向器表面也会发黑。用干净的布馥以少量 汽油拭 去污秽层。一蕊硬过征雍过离引翻,爵续触故琢一换向器表面沿圆周方向产生条痕氧化铜薄膜呈暗色,其间可见发金属光泽的表面,表面可能具有磨光的外观,电刷发出尖叫声并碎裂。特别是在负载后进行空转时,上述现换 向器不 圆,山于 电机运行不 平稳,造成换向器表面局部平陷换向片松动,换向器 绝缘片凸出和换向器表面受到损伤。牛匕届魂压力过低电刷磨损或由于 污物而引起铰接处强烈 的摩擦以及电刷在刷盒中的摩擦,使电刷有一效压力减少。换 向器表面有污秽层油膜、铜硫化合物,使接触电阻增高,并在电刷摩擦面与换向器表面 之 间一引起水芡。由于通风过强或电刷负载电流过低,引起换向器温度过低换向器温度过高,表面氧化膜易破裂,从而将表面磨光,使电刷发出嘎嘎声并始破裂。一汀下,派硒风量丁 衷交少电那瓜提高电刷电流密度和改善电流换向过程。如果在换向片边 缘产生烈意耀甜锹在骊亩力是 否过高,有时应改变电刷品种,用磨石或砂纸将磨光的换向器打毛。复里曼著。电气缺陷或不对称个别换向片严重烧坏。强烈的电刷火花,电枢绕组 胃烟。换向片无对电枢绕组进行电气检验,焊接不良,即电枢绕组内有断路。直至找到断路处为止,进行修电枢绕组内匝间短路。电刷圆周等分距离荃均复补焊。消除匝间短路。检脸并方杰编写 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/从表 中可知,材料的尺寸比越小,材料的内在矫顽力越小,去磁率越 大,各向异性材料比各向同性材料的磁后效小。一般可采用强制去磁方法来提高磁铁的稳定性以保证规定的去磁率,例如铝镍钻预先加上大于的强制去磁量就可以达到提高磁稳定性衰未班材料盛后教型号材料品种尺寸比,蕊瓢爵后磁感应美国产品润余率最初的磁感应。一自一月月兮一心甘一口一弃匕上一,目,自一甘铝镍钻永磁。钡铁权体永磁。的目的。温度去 磁效应强磁性体随温度的上升磁化强度减小,当超过居里点时磁化强度为零。大部分永磁材料在高温下除产生不可逆去磁外,还会产生随温度而变化的可逆去磁效应。不可逆 的热去磁热时效原 因除上述的金相组织在 高温下发生变化之外,还有殊铁 中不稳定磁畴在高温下再排列而引起的去磁效应。磁性材料不仅在高温度下会发生不可逆去磁效应,在低温下也会产生低温不可逆去磁 效应,其 中以各向异性铝镍 钻和各向异性钡铁氧体最为突出。表为部分永磁材料的不可逆的热去磁效应,它与材料的尺寸比有关,增大,不可逆热去磁 减小。可逆热去磁效应是 由于热干扰扰乱了 电子自旋定向度而产生的去磁效应。在一定温度范围内,剩磁感应与温度的关系大致按线性关系变化,它可用下式表示刁式 中。基准温度下 的磁感应,万温差,剩磁感应温度系数。各种永磁材料的剩磁感应温度系数以铁氧体永磁最大,稀土永磁次之,铝镍钻永磁最小。为改善永磁材料的温度稳定性可以进行预稳定处理,即把使用于某一温度范围内磁性材料在该温度范围内的上限和下限温度下反复多次保温,这样可以消除其不可逆的磁感应去磁影响,提高永磁材料的热稳定性。表永磁材料在离、低通下的磁化强度的不可逆去磁损失洲定高一一一了矛一一一一,月吸,二,土勺一点性八七月 才刃曰孟,自,孟一。一一。一。一兮,性一。一了一“内七刀咬叮勺乙八曰二甘亡亡八亡八,铝镍钻铝镍钻。铝镍钻甘嘴铝镍钻钡铁氧体各向同性钡铁氧体各向异性一一一“生。全部制止不可逆去磁 的导磁系数户二二全部一一一外磁场的去磁效应多数永磁材料在使用中要受外磁场的作用。抗外磁场的能力与娇顽力有关,高矫顽力磁铁抗外磁场的能力强。为防止外磁场的去磁影响,一般可采用磁屏截方法,强迫去磁方法。所谓磁屏蔽,就是用强磁体履盖磁铁所谓强迫去磁,就是事先用比外磁场大的磁场对磁铁进行稳定去磁处理。永磁 电机磁路属于动态磁路。永久磁铁在工作中要经受电枢反应磁场的作月,磁铁的工作点不是在去磁曲线上而是在回复直线上。磁铁工作点是否稳定是由回复直线起点 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/磁,可在磁铁表面涂布非磁性膜,即用非磁性材料进行磁屏蔽,例如在图一。中,如在磁铁和铁板间涂布的非磁性膜,其去磁率就可降到以下。永磁材料 的使用注意事项磁铁的尺寸和形状磁铁的尺寸公差现 代的磁铁多数是铸造磁铁和烧结磁铁,这些磁铁毫无例外都是又 硬又脆,不能进行切削加工,只能采用磨削加工,因此减少加工面或使用不经磨削加工 的磁铁可 以降低加工成本。为此设计电机时必须事先了解磁铁铸件或烧结件的尺寸公差。图为西德标准所规定的磁铁的尺 寸公差。八星位里所决定的,当永磁电机在突然短路、起一动、堵转或反转时,这时电枢反应 磁场很大,若此时磁铁工作点仍处于回复直线上,则工作点是稳定的。一般,永磁 电机必须进行工作点稳定处理,使永磁 电机在规定的工祝下,回复直线的起始点不再下降。对于有线性去磁曲线的永磁材料,如回复直线与去磁曲线重合,磁铁工作点不会 因电枢反应而产生偏移,这种永磁电机不必进行工作点稳定处理,例如稀土永磁和部分铁氧体永磁电机可以不必进行工作点稳定处理。永磁电机的工作点稳定处 理一般可采用磁铁或磁铁部件的开路稳定处理哎突然短路电流稳定处理电机起动、制动或反转稳定处理。由于开路稳定处理方法简单,运行可靠是最常用的方法,但对于投有软铁极靴屏蔽的永磁电机,由于开路漏磁导很小,回复直线的起始点很低,磁铁及整个电机的利用率很差,不宜采用。因此,在设计电机时应合理选择工作点稳定处理方法。机械应力的去磁效应永磁材料受机械振动和冲击后会产生去磁,这种由于机械应力而产生 的去磁,在马氏体型磁铁是很大的,不可忽略不计,但对现 代磁铁其去磁极小,一般可忽略不计。接触铁磁体的去磁效应 磁铁充磁之后,如处理不当就会 引起意想不到的磁性劣化,在加工过程中严禁接触强磁性体。现举例如下,如图所示,使充磁后 的铝镍钻永磁按四种方法接触强磁性体,其去磁率相差很大。其中以磁铁侧面接触铁板并沿磁化方向拉出磁铁最为严重,如图一其去磁率可达,图中箭头方向为磁铁接触或离开强磁休的方向。为防止 因接触强磁体产生去个,才才月月日日日日队队丫,土以以二二终 螂、才夕夕了了了了了了了了了了了了了了了了了了夕厂不不尸尸一一一门门门一尸一一一了巴产,材材招招招众储储汾汾汗获牙一厂厂解解解币牛、以一一一一厂犷瓦铁彝体体力。压才向向土以以闷,少身间以下万户卜目,叫库取乒习二扣口,目曰幻权肠图磁铁接触强磁性体的去磁率各 向异性铝镍钻磁棒,接触次单侧姨代饰二图。的磁铁 的尺寸公 差磨削加工 的尺寸公差大致值为,对于平面磨削和外圆磨削,工件尺寸在的范围内,尺寸公差为士以上,平行度为以上。大于的工件,公差可适当放宽。对于内圆磨削或沟槽加工,尺寸公差宜控制在士,否则加工成本大大提高。磁铁形状由于铝镍钻磁铁不是良好的铸造合金,铁水的流动性差,容易产生缩孔和铸造裂纹,因此在设计磁铁形状时,应避免设计厚度与平面 长度之比小于的薄板铸造磁铁,直径小于的细棒,厚度大于的铸件及有细孔或沟槽的复杂形状的铸 造磁铁。铁氧体磁铁为烧结磁铁,它经粉末压制、烧结等工序制成,因此磁铁的形状也有限制虽说不是绝对的,但从经济性考虑应有所限制平行于加压方向的孔的直径应大于。1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/垂直于加压方向应无孔和槽。加压方向的 凹槽深度应在总厚度的以内。厚度应大于最大尺寸圆板的外径或矩形的长边的,最小厚度为。由于烧结收缩率大,磁铁的尺寸公差,在非磨削面为各长度的士,最小公差为土,磨削面公差为士。充磁和退磁充磁充磁是永磁电机制造中一道必不可少 的工序,充磁的好坏将直接影响电机的性能。充磁磁场强度必须使磁铁达到饱和磁感应,即充磁磁场应达到永磁材料的饱和磁场强度。部分永磁材料所需的饱和磁场强度如表所示,一般须大于倍。在永磁材料中表示矫顽力有两种,一为磁感应矫顽力。永磁材料饱和磁化后,使磁感应为零时所需的去磁场的磁场强度。二为磁化强度矫顽力。永 磁材料饱和磁化后使磁化强度为零时所需的去磁场的磁场强度,它也称为内在矫顽力。通常工业上都用前者,对剩磁感应低而矫顽力高的永磁材料,两者的数值有很大的差异,对铝镍钻永磁,万。和垫,之差极小,但对钡铁氧体,。大于。因此铁氧体的充磁的磁场强度要大很多。稀土钻永磁材料的饱和磁场强度一,。,。表部分永成材料所偏充滋说场强度永磁材 料铝镍钻、铝雄钻、铝镶钻钡铁氧体充磁磁场强度,一一表的磁场强度是指充磁电磁铁和永磁磁铁之间为完全闭合磁路时的数位,当磁路中有气隙等非磁性物质存在时,由于磁导率下 降,为达到饱和磁感应需适当增加充磁磁场强度,其增加的数值由磁导线的平 行线确定。如图所示,把的钡铁氧体放入充磁螺线管中,一定要加飞,的磁场才能达到所规 定的剩住感应,当只加,。的磁场强皮 时,那末磁铁的去磁曲线如图中虚长户,冬,磁感应大大一降了。各种形状的磁铁或滋铁都份允磁时,巧加外磁场的方向应与磁铁规定的磁通方向一、价气守甘乡叼行夕乞二之心万一,月氏,图充磁磁场和磁导 的关系致,为此可通过改变电磁铁的充磁 火头的形状或采用强电流方式进行充磁。在水磁电机中一般有三种充磁方式磁铁单独充磁磁铁组装成部件之前预先对 磁铁进行充磁,然后再组 装成部件。这种方式适 日 于高矫顽力的稀土永磁和某些铁氧体永磁。由于这种方式在制造工艺上有很多缺点。例如,因零、部件带有磁性,不便于机械加工,总装配时容易把铁屑等吸入电机内部,磁铁充磁后在部件组装前须用卫铁保护其磁性,操作不方便,所以多数永磁电机采用部件充磁方式。部件充雌橄铁和其他零件组装成部件后,并在桃板加工全部 结束后进行充磁。其优点是操作工艺简单,机械加工方便,磁化状态 比较均匀。其缺点是总装时易把铁屑等吸入电机 内,这种方式目前 应 川较广泛。电机总装后整体充磁这种充磁方式最简便,但所需的充磁功率大,当电机容量较大时,磁铁往往难于完全磁化或磁化状态不均匀等。退磁永磁电机在制造过程中,存在一定的工艺分散性,永磁材料本身的磁性能也有一定的分散性,因此永磁电机在充磁后,甚至经过稳定处理后,其性能可能不符合设计要求而需作一定的调整,需对磁铁进行部分退磁,甚至完全退磁后再重新充磁,另外永磁电机修下转第页 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/改极前后导线直径的关系为、,了异“式中,改极前后的线径。改极前后额定输 出功率的关系为一、计算问与答尸,厂二一一,乙问我单位有不少型的 铝线电动机,绕组已损坏,现只有一聚醋漆包圆炯线,如采用铜线代铝线。答最简单的办法,是采用与原铝线线径 相同的铜线代用,绕组型式、接线方式,节距、匝数均不变。这样做,可降低定子绕组的 电阻。因为铜二铝,故定子铜耗可降低左右,电机效率可提高一。如果希望节约用铜,欲保持代用后 的铜耗不变,则铜、铝线线径的关系为铜铝因此,取铜铝即可。由于代用后 的铜 导线比铝导线细,则槽满率低,槽面积未充分利用。虽可节约用铜,但不利节电。有一台一一,极电机,二,一,线规卜功和功一功并绕,。现生产需要改为极,怎样计算每槽导线数、导线直径和估算电机的功率。答改极前后,每槽导线 数有下 列关系式中尸二、尸厂改极前后 的额 定 功率。因此,在外加电压、绕组接法和并联支路不变的情况下,可利用式进行计算。由此得本例改极后的,尸了为,二一二取产,二了器,二“十“取 卜功和一功卜二根并绕。万产之止生少二只只,二,尸乙八乙丁式中、和改极前后 的每槽导线数,尸和尸改极前后 的极对数系数极改极时,“极改极时,二,极改极时,澎,当改极后极数增加时,“。叹。应该指出,在改极之前,首先要验定转子槽数配合是否适当,其配合关系,应符合下 列要求一子,一笋士士式中,定子和转子槽数,尸极数。本例的,改为极后,二,显然,一笋但一一故可能产生振 动及电磁噪声。问有一台尸千瓦、二伏,效率口,的极直 流 电动机,电枢绕组为单 迭绕组,槽数,每槽每层元件数“二,元件匝数牙,试求电上接第页理时也往往需要对磁铁完全退磁。退磁方法有加热法把充磁后 的永磁材料加热到居里点以上进行退磁的方法。对矫顽力大,居里点不高的磁性材料的完全退磁必须采用加热法。但加热和 冷却速度不能过快,以免磁铁破裂。对于铝镍钻永磁不采用加热法 退磁。交流退磁法 将磁铁置于交流磁场中,其幅值由饱和磁场强度开始,缓慢地减少至零。直流退磁法把磁铁 置于反向磁场中,当去磁场的磁场强度达到永磁材料的内在矫顽力。值,则可达到完全退磁,其操作过程只可一 次。