永磁電機氣隙磁場分析與磁鋼選擇
竇曉霞
(北京聯(lián)合大學(xué)機械工程學(xué)院，北京 100020)
摘要：在永磁電機的設(shè)計中，為了求出電機的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，需要計算電機的磁參數(shù)。近年電機界尚存在不同的方法計算磁場問題，作為另一種途徑，文中直接從場的角度出發(fā)，運用永磁鏡象原理，結(jié)合電機基本結(jié)構(gòu)，分析了永磁電機氣隙磁場的大小及分布，給出了氣隙磁場的解析表達式，進而探討永磁電機磁鋼材料及厚度的選擇方法。
關(guān)鍵詞；永磁電機i鏡象原理}磁場分析}磁鋼選擇
中圖分類號：tm351 文獻標(biāo)識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)02-0011-04
1 引 言
隨著永磁材料以及計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，電機的結(jié)構(gòu)及設(shè)計出現(xiàn)了許多新的變化。由于永磁電機不需要外部勵磁就能建立磁場，因此可使電機結(jié)構(gòu)簡單，尺寸減小，可靠性及效率提高。特別是稀土永磁材料，給永磁電機提供了更廣泛的發(fā)展前景。然而，新材料的使用迫切需要有新的理論和方法去指導(dǎo)實際的電機設(shè)計。在目前的電機設(shè)計中正逐步采用計算機輔助設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計，作為計算機輸入的零級近似及工程計算，經(jīng)典的磁路法仍不失其實際意義。但路只是場的簡化，作為另一種途徑，本文直接從場的角度出發(fā)，運用永磁鏡象原理分析探討磁鋼的材料及厚度的選擇。
2基本假設(shè)
(1)每塊磁鋼被均勻磁化。稀土鈷永磁材料的退磁曲線接近45度直線，這意味著在曲線的任意點上都存在：4πm=b-h=br =常數(shù)，即磁化強度m與工作點無關(guān)。因為材料是強烈各向異性的，故這類材料很容易實現(xiàn)均勻磁化,另外,由于材料的內(nèi)矯力hc很大,抗退磁能力強,磁鋼一旦被均勻磁化,將可始終保持.
(2)由于磁鋼處處被均勻磁化，且其退磁曲線接近45度直線，在討論鏡象問題時，先研究一個無限薄片磁鋼元的鏡象問題，然后對整個系統(tǒng)進行疊加。因為稀土永磁材料的回復(fù)磁導(dǎo)率很接近真空磁導(dǎo)率(約為1. 03)，故永磁體可用處于真空中的～些磁極矩來等效。因而在對某部分磁體進行計算時，可認(rèn)為其它磁體不存在。這樣，可分別對各薄層磁鋼元進行
獨立計算，進而經(jīng)線性疊加，得到整個系統(tǒng)的磁場分布。此類材料國外已形成專門術(shù)語，稱為csem材料，可使計算大為簡化。
(3)在討論鏡象問題時忽略電樞表面的齒槽效
(4)忽略電樞反應(yīng)。
3永磁體的鏡象
任一體積v，處處沿徑向均勻磁化的永磁體在無界自由空間中任一點產(chǎn)生的標(biāo)量磁位為：
是場點到源點的距離；mr為沿半徑方向的均勻磁化強度：ρ（r，θ，z）為場點坐標(biāo).
然而，在許多情況下永磁體與鐵磁介質(zhì)是共存的。圖1所示為永磁電動機的基本結(jié)構(gòu)。定子由定向磁化的扇形磁鋼和鐵磁材料制成的機座組成，電樞（轉(zhuǎn)子）鐵心大都由硅鋼片疊壓而成。當(dāng)有鐵磁邊界時，在****磁場的作用下，鐵磁介質(zhì)將被磁化，并對原磁場的分布產(chǎn)生一定的影響，最終的磁場分布由原磁場與磁化了的鐵磁介質(zhì)產(chǎn)生的磁場共同確定。
從電磁場的基本原理可知，求解恒定磁場的問題實際就是求解滿足特定邊界條件的泊松方程或拉氏方程的問題。若將鐵磁介質(zhì)被磁化的影響用處于均勻介質(zhì)位于邊界面之后的虛設(shè)鏡象磁體來代替，據(jù)****性定理，只要源磁體與虛設(shè)鏡象磁體共同確定的磁場能夠滿足邊界條件，那么這個虛設(shè)磁體就能代替鐵磁介質(zhì)的實際影響，并且這時得到磁場的解就是****的真解。
設(shè)電機鐵心礅導(dǎo)率μfe 趨于無窮大，則磁力線將與轉(zhuǎn)子鐵心表面垂直，光滑轉(zhuǎn)子表面為邊界面（鏡面），鐵心被磁化的效果相當(dāng)于鐵心內(nèi)某一半徑上存在一個“想象”的（或虛設(shè)的）磁體產(chǎn)生的磁場（鏡象磁場）。而鏡象磁化體m（磁化強度）的方向與像源（磁鋼）相應(yīng)的方向相同。同理，定子鐵心對磁鋼的鏡象效應(yīng)與轉(zhuǎn)子鐵心對磁鋼的鏡象效應(yīng)類似。由于存在兩個“鏡面”——定、轉(zhuǎn)子鐵心，將產(chǎn)生無窮鏡象，這樣電 |
