作者简介 : 唐任远 (1931 - ) ,男 ,上海人 ,博士生导师 ,中国工程院院士 ,长期从事稀土永磁电机及其控制的研制开发工作 .
第2期
唐任远 : 稀土永磁电机的关键技术与高性能电机开发 φm N = λ n ( 1 - f a) = bm N λn + 1
1 +λ nfa λn + 1 = h m N
214 钕铁硼永磁电机防失磁技术
高温情况下钕铁硼永磁退磁曲线不能保证是 直线 ,尤其在永磁同步电动机中 ,起动、 刹车或故障 情况下电流激增 ,工作点向退磁曲线的膝点移动 , 有可能发生不可逆退磁 . 这是当前困扰钕铁硼永磁 电机推广应用的关键问题所在 . 通过理论分析和实 验研究 ,在弄清失磁机理的基础上 ,改变传统的设 计理论中负载工作点应设计在退磁曲线中点的结 论 ,如图 5 所示 . 改为在最大电流时永磁体的工作 点必须高于最高工作温度时退磁曲线的膝点 ,并留 出一定裕量 ,以此反推出电机负载工作点 .
收稿日期 : 2005 - 02 - 28
土永 磁 , 产 品 的 最 大 磁 能 积 达 到 25816 kJ / m 3 ( 3215M G・ Oe ) ; 1983 年日本住友特种金属公司 和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼 ( Nd2
FeB) 永磁 ,称为第三代稀土永磁 . 由于钕铁硼永
磁的磁性能高于其他永磁材料 ,价格又低于稀土 钴永磁材料 , 在稀土矿中钕的含量是钐的十几 倍 ,而且不含战略物质 — — — 钴 , 因而引起了国内 外磁学界和电机界的极大关注 , 纷纷投入大量人 力物力进行研究开发 . 目前正在研究新的更高性能 的永磁材料 ,如钐铁氮永磁、 纳米复合稀土永磁等 , 希望能有新的更大的突破 . 稀土永磁具有高剩磁 Br 、 高矫顽力 Hc 、 高磁能积 ( B H) max和线性退磁曲 线 (室温) 等优异的磁性能[1 ] . 稀土永磁电机具有高
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效、 质量轻 、 运行可靠等显著特点 , 几乎覆盖各种 电机 ,是电机学科的重要发展方向 . 我国稀土资源丰富 ,2003 年钕铁硼永磁产量 达 17 000 吨 ,世界第一 . 我国钕铁硼永磁产量的 2/ 3 用于出口 , 在国内销售的 1/ 3 中目前用于电 机的比例很低 ,而高性能稀土永磁电机却随着计 算机 、 飞机 、 数控机床等产品大量进口 . 因此研究 与开发具有中国特色的 、 有自主知识产权的高性 能稀土永磁电机对把我国资源优势转化为技术 经济优势具有重要意义 [ 2 ] .
f mN =
( 3)
每极气隙磁通 Φ 10 - 4 δN = ( bmN - h mNλ σ) B r A m ×
( 4)
212 瞬态电磁场的时空有限元法和场路耦合法
2 共性关键技术研究
稀土永磁电机的电磁负荷很高 , 结构特殊而 多种多样 ,制成后磁场难以调节 , 价格相对较贵 , 传统的设计理论 、 计算方法和设计参数已不能适 应研制高性能电机的要求 . 需要综合运用电机理 论、 磁性材料 、 电磁场理论 、 测试技术 、 计算数学 和软件工程等多学科理论和现代设计技术 , 在共 性关键技术上进行创新 .
A | A |
AB AC
=- A | = A |
CD
BD
= 0
( 5)
由于电机定 、 转子相对运动 , 用运动边界法 处理以保持有限元方程的稀疏性 ,而且程序易于 实现 . 在静止的定子部分采用静止坐标系 , 在转 动的转子部分采用旋转坐标系 , 分别列出方程 , 利用运动边界将静止部分和转动部分连接起来 , 以得到整个场域的解 ,如图 2 和式 ( 6) 所示 .
研究方法 负载时永磁电机的等效磁路如图 1 所示 , 对 于不同的永磁电机 ,等效磁路的具体构成有所区 别 . 采用标么制后可以得出简便易解的数学方 程 ,见式 ( 1 ) ～ ( 4 ) , 但其中参数需要运用电磁场 数值算法求出 ,并用实验结果进行修正[ 3 ] .
图2 0° <θ< 360° 时运动边界分布
【特邀】
稀土永磁电机的关键技术与高性能电机开发
唐任远
( 沈阳工业大学 特种电机研究所 , 沈阳 110023)
摘 要 : 永磁电机以永磁体产生的磁场为媒介进行机械能和电能的相互转换 . 在扼要介绍了与稀 土永磁电机密切相关的永磁材料的基础上 ,阐述了稀土永磁电机分析理论 、 设计计算方法 、 磁路结 构、 优化设计 、 防失磁等应用基础理论与共性关键技术上所取得的进展 ,简要介绍了所开发的高性 能价格比的多种永磁电机 — — — 永磁发电机 、 高效永磁电动机 、 交流永磁伺服电机和直流电动机 ,其 中特别介绍了两种新型结构的永磁电机 ,并初步展望了稀土永磁电机的发展前景 . 关 键 词 : 稀土永磁 ; 电机 ; 永磁电机 ; 磁路结构 ; 发展趋势 中图分类号 : TM 351 文献标识码 : A
211 恒磁通源模拟理论和准确解析计算的分析
用有限元法求解电磁场已相当成熟 , 但永磁 电机有其特点 , 需要解决永磁体的数学模拟 、 定 转子相对运动和瞬态电磁场场路耦合等难题 . 用磁矢位描述场 , 瞬变电磁场的定解问题可 以表达为 5 1 5A 5 1 5A + = 5x μ 5n 5y μ 5y dA 1 5A 1 5A - + + - Jz - σ μ 5 n | l = Js dt μ 5 n | l
) + T av + T pm cos (θ - β ) T pc cos ( 2θ - α ( 7)
第 27 卷
起动过程中的瞬态变化曲线如图 3 所示 , 平均 转矩 - 转速曲线如图 4 所示. 由于永磁制动转矩的 存在 ,起动转矩存在两个下凹点 , 如设计不佳 , 则起 动困难. 目前 ,异步起动技术已经解决 , 进一步设法 提高下凹点 ,以提高同体积电机的出力[4 ] .
进一步分析表明 ,由于永磁电机转子结构复 杂 ,电枢反应的作用情况不同 , 用传统计算方法 得出的工作点是平均值 ,不能反映不同位置的实 际情况 . 需要用有限元法计算最大退磁情况下各 局部工作点 . 从图 6 可以看出 , 用有限元法计算 的永磁体表面工作点低于传统的用路的方法计 算的工作点 , 设计中应以场计算值为准 , 才能防 止失磁 .
1 背景和概况
永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相 关 . 我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并 把它应用于实践的国家 , 两千多年前 , 我国利用 永磁材料的磁特性制成了指南针 , 在航海 、 军事 等领域发挥了巨大的作用 ,成为我国古代四大发 明之一 . 稀土永磁材料的发展大致分为三个阶 段 :1967 年美国 K1J 1 St rnat 教授发现的钐钴永磁 为第一代稀土永磁 , 其化学式可表示成 RCo5 , 简 称 1 :5 型稀土永磁 , 产品的最大磁能积超过 199 kJ/ m3 (25MG・ Oe) ;1973 年又出现了磁性能更好的第 二代稀土永磁 ,其化学式为 R2 Co17 ,简称 2 :17 型稀
图 3 T2n 瞬态变化曲线
Fig. 3 T2n transient curve
图6 电机局部工作点分布
Fig. 6 The distribution of motor local working point
3 高性能稀土永磁电机开发
为充分发挥稀土永磁的优异性能 , 尽可能提 高电机的性能价格比 , 在保证可靠性前提下 , 针 对电机的使用要求 , 进行集成技术创新 : ①磁路 结构创新 ,提高每极磁通 ,σ Xd 、 X q 合理 ; ② 综 0、 合平衡 ,重新选用气隙长度 、 匝数等设计参数 ; ③ 优化设计定转子冲片槽形 ,使磁密分布合理 . 311 稀土永磁发电机 国内第一台稀土永磁电机 — — — 20 000 r/ min 3 kW 高速高效稀土永磁发电机 , 也是国内第一 台转速高达 20 000 r/ min 的发电机 . 其转子结构 如图 7 所示 .
图4 异步起动永磁同步电动机的平均转矩2转速曲线
Fig. 4 Average torque2speed curves of line start permanent magnet motor 11 Ta2S 曲线 21 Tb2S 曲线 31 Tg2s 曲线 41 曲

线 1、 2、 3 的合成曲线
Fig. 1 Equivalent magnetic circuit of permanent magnet machines wit h load
空载工作点 λn φm0 = λn + 1 = bm0
f m0 =
将时间变量与空间变量联立求解 . 经改进后系数 矩阵保持对称 , 用预处理共轭梯度法快速求解 , 精度高 ,数值稳定 . 213 将状态空间理论引入永磁电机动态性能仿 真 , 解决异步起动技术关键 永磁电机无自起动能力 , 而且起动过程中永 磁转矩阻碍电机起动 . 从描述异步起动永磁同步 电动机瞬态行为的复数形式微分方程出发 , 经过 一系列复杂的运算和整理后 ,得到起动过程中电 磁转矩表达式为 T em = T g + T c + T pm1 sin θ + T pm2 cos θ +
Abstract : The improvement s of t he applied basic t heories and general key technologies such as analytical t heories ,design met hods ,magnetic circuit st ruct ures ,optimal design and preventing demagnetization of rare - eart h permanent magnet elect rical machines are presented. Permanent magnet generator ,high efficiency permanent magnet motor ,alternating current permanent magnet servomotor and direct current motor are int roduced briefly and t he prospect s are looked forward to. Key words : rare2earth permanent magnet ; electrical machine ; permanent magnet machine ; magnetic circuit structure ; developed prospect