无刷电机用铁心和磁体
EV技研
公众号EV技研作者1900 2019-8-22 电动汽车

电机的闭合磁路 

结合电机铁心和永磁体观察磁路

 现在的自制 EV 中,多采用带铁心的无刷直流 电机(以下简称为无刷电机)。很多 EV 会希望有 耐久性、续航距离,因此高效率电机备受欢迎。从磁通量控制的角度来看,不仅是铁心材料,永 磁体也很重要。永磁体也有许多种,但并不是磁力最 强的永磁体就是最合适的。铁心材料的磁特性和定子 与转子之间的气隙也有一定关系。

 无刷电机内的闭合磁路

 在寻求高效率的自制 EV ,(径向间隙) 无刷电机经常受到青睐(图 1)。

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图1

无刷电机的定子中 U、V、W 各相都有多个线圈,通过分别输入逆变器产生 三相交流电,使转子旋转。当然,定子线圈中也有铁心。在图 25 中,U 相线圈和 V 相线圈中各自输入箭 头方向的电流,则 U 相磁极被磁化成 S 极,而 V 相磁 极被磁化成 N 极。结果,转子的 N 极和被磁化为 S 极的 U 相磁极之 间产生箭头所示的引力,而转子的 S 极和被磁化为 S 极的 U 相磁极之间产生箭头所示的斥力,因此转子按 照图示箭头的方向旋转。此时磁通量Φ 沿着铁心材料 V 相磁极→间隙→转 子磁体→间隙→铁心材料 U 相磁极→铁心材料磁轭部 分→铁心材料 V 相磁极这一闭合磁路流动。


 转子的永磁体和磁通密度 

关注转子磁体的工作点 

上述无刷电机的闭合磁路中没有电流流动时,对 于闭合磁路中磁体和铁心材料的磁场 Hm 和两者间隙部 分的磁场 Hg,设铁心材料和磁体所构成的磁路长度为 l1,两者间隙部分总长为 l2,则有如下关系:

 Hm l1 + Hg l2 = 0 (1)

 另一方面,间隙部分有磁体产生的磁通密度 B。B = μ0 Hg (2) 由式(1)和式(2)推导出 Hm 如下式:

 Hm = l2 l1·µ0 ·B (3)

 因此,磁体的工作点可由所用磁体的退磁曲线和式(37) 确定的 Hm 得到,如图 2 所示。 

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图2


 增大工作点的磁通密度

 此外,为了增大工作点的 B 值,需要使用剩余磁 通密度 Br 和矫顽力 Hc 较大的磁体,而间隙部分长度占 闭合磁路长度的比率 l2 /(l1 + l2)要小。然而,上式成 立的条件为,组成磁体的铁心材料的饱和磁通密度 Bs 和占积率 LF 的乘积 Bs·LF 必须比上述磁体的工作点 B 大很多。再者,图 2 中灰色部分的面积相当于磁能积,实 际获得的能量为它的 1/2。磁能积的单位是 J/m3 ,以前 的单位 G·Oe(高·奥)也在使用。两者的关系如下:

 1J/m3  = 125.7 G·Oe (4)

 实际所能获得的磁能积的最大值称为最大磁能积, 作为表示磁体强度的参数,和剩余磁通密度 Br 一起被 广泛使用。


 转子永磁体的特性比较 

钕铁硼磁体与铁氧体

 图 3 所示为转子中使用的两种具有代表性磁体 的退磁曲线,分别为钕铁硼磁体 S49H(最大磁能积为 389kJ/m3  = 49MG·Oe)和铁氧体磁体 12F(最大磁能 积为 39.8kJ/m3  = 5MG·Oe)。

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图3

 钕是绝对强力的磁体

 通过比较可知,钕铁硼磁体是较铁氧体磁体更为 强力的磁体。因此,一般用于 HEV、EV 等要求无刷 电机小型化的应用。然而,钕铁硼磁体不仅造价高,而且其原料中的 稀土元素钕和镝在地球上的采掘地点分布极不均匀。尤其是后者,全球只有中国可以供应。与之相对,每 单位质量铁氧体磁体的价格仅为钕铁硼磁体的 1/10, 原料供应方面也不存在紧张的问题。 

逆变器频率和永磁体铁损

 无刷电机的定子线圈中输入了逆变器产生的三相 交流电,通过改变频率控制转速。为了改变交流电的 频率,逆变器产生频率比基波(与输出频率相当)频 率高出一个数量级的高频波(称为载波),然后产生 基波频率。因此,逆变器输出到无刷电机中的三相交流电中, 除了基波频率成分,还有频率更高的高频成分。这个包含高频成分的交流电产生的包含高次谐波 成分的交流磁通量Φ,沿着如下闭合磁路流动:铁心 材料的磁极→间隙→转子磁体→间隙→铁心材料前面 提到的磁极和邻接的其他磁极→铁心材料磁轭部分→ 铁心材料原来的磁极。于是,在铁心材料中相当于基波频率的铁损上加 上相当于高次谐波的铁损的影响下,所用逆变器的载 波频率越高,铁心材料中产生的铁损越大。另外,包 含高次谐波成分的交流磁通量Φ 也会流入磁体,并在 磁体中产生铁损。

 从铁损来看铁氧体的优势

 磁体产生的铁损,尤其是涡流损耗,它与电阻率成反比。作为金属合金的烧结磁体, 钕铁硼磁体的电阻率为微欧米级。而作为陶瓷,铁氧 体磁体的电阻率为欧米级,比前者大 6 个数量级, 因此在减少涡流损耗方面铁氧体磁体具有压倒性的 优势。前文所介绍的 11kW 轴向间隙无刷直流电机,以 具有上述特长的铁氧体磁体为转子铁心材料,结合使 用铁损极小的铁基非晶合金铁心材料,方可实现高效 率无刷直流电机 。

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