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浅谈电机原理（五）永磁体的设计
林浅的文章 - 知乎
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前言
前一篇文章跟大家介绍了电机设计中需要注意的一些问题，例如齿槽转矩以及谐波等等。这篇文章将继续和大家一起探讨永磁同步电机中的永磁体设计。
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与通电线圈相比，永磁体的能量密度大得多，使用永磁体转子可以大幅降低电机的体积，实现电机的小型化。但永磁体存在明显的磁滞效应，BH呈现非线性关系且存在磁滞损耗，高温情况下易发生退磁。那么电机中的永磁体该如何选择和设计呢？本文第一部分介绍永磁体的基本性质和原理，第二部分介绍永磁体性能对于电机的影响，第三部分介绍永磁体的选择与设计。
一、永磁体的基本性质
从微观上来讲，带负电的电子围绕着原子核做圆周运动，会产生电流，电流产生磁矩，另外电子的自旋也会产生磁矩，这是磁性的最小单元——轨道磁矩和自旋磁矩。
轨道磁矩
而不同电子之间会受到一种力促使它们趋于同向或反向排列，这种力叫做交换作用力
磁滞回线
最大磁能积示意图
二、永磁体性能对电机的影响
2.1 负载线与工作点
上图中所示的负载线为电机工作的负载线，我们希望负载线与膝点相交，这样就能让电机工作时永磁体转子储存最多的能量并向外转化为机械能。那这条负载线是如何得到的呢？回顾之前讲解的磁路知识：
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可将永磁同步电机简化为如下图所示的磁路模型，于是有：
磁路模型
从表达式可以看出负载线为一条直线，直线与磁滞回线的交点即为工作点，工作点的位置会受线圈电流i的影响
负载线与电流i的关系
当更改磁体的工作点时，磁体的BH关系会不再遵循原先的磁滞回线，而是会产生新的回复曲线关系，如下图所示，由于新的回复曲线的剩磁低于原先磁滞回线的剩磁，因此不断更改工作点将导致磁体退磁。但在钕铁硼磁体中，这种退磁效应并不显著，常常可以忽略，这也是钕铁硼磁体的优势。
2.2 磁体性能的影响
在选择电机中的永磁体时，最重要的指标是最大磁能积。磁能积越大说明在相同体积下，永磁体可以储存的能量越大，能向外输出的转矩转速也越大。另外，永磁体的剩磁越大，旋转过程中在定子绕组中产生的反电动势就越大，定子绕组电流相应降低，铜耗降低，但同时反电动势的增大会增加铁芯中的涡流损耗。当电机在低电压频率下工作时，涡流损耗较小，提高永磁体的剩磁可以提高电机效率，若电压频率升高，效率提高的作用将逐渐消失。而磁体的矫顽力越大，永磁体越难退磁，这可以使永磁同步电机在更强的磁场中保持工作。在实际应用过程中我们可以通过选择不同的钕铁硼牌号，来筛选符合电机要求的永磁体。
永磁体牌号示意图
三、永磁体的设计
晶界相分布
目前制备钕铁硼磁体的主流工艺是烧结法，烧结法的制备流程如下：
烧结钕铁硼的制备流程
制备磁体前，需要根据磁体的成分进行配料并熔炼呈铸锭，将铸锭吸氢破碎后制成粉末，然后压制成型。由于永磁体存在易磁化轴和难磁化轴，因此需要在压制成型工艺中进行磁场取向，从而使磁粉均沿易磁化轴取向。然后进行烧结得到钕铁硼烧结磁体。目前的工艺优化主要集中在制粉和烧结工艺上。通过先进的制粉工艺可以得到粒径更小的磁粉同时保证磁粉不被氧化，这样可以在磁场取向工艺中获得更好的取向度，从而提高磁体性能。另外就是通过优化烧结后的热处理工艺，可以优化钕铁硼磁体的微观组织形貌，从而提高磁体性能。
以上分析结合了物理原理、电机应用以及材料制备等多个方面讨论了永磁同步电机中永磁体的作用和设计，后面还会基于仿真跟大家分享更多关于电机设计的知识和干货，点个关注不迷路~
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