永磁材料及磁路基础

永磁材料基本知识1、什么是永磁材料的磁性能，它包括哪些指标？永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr, Br)、矫顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。

我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。

永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数(Brθ, jHcθ)、回复导磁率(μrec.)、退磁曲线方形度( Hk/ jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。

除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。

此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。

2、什么叫磁场强度(H)？1820年，丹麦科学家奥斯特(H. C. Oersted)发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转，从而揭示了电与磁的基本关系，诞生了电磁学。

实践表明：通有电流的无限长导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比，与离开导线的距离成反比。

定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线1/2π米远处的磁场强度为1A/m(安/米，国际单位制SI)；在CGS单位制(厘米-克-秒)中，为纪念奥斯特对电磁学的贡献，定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线0.2厘米远处磁场强度为1Oe（奥斯特），1Oe=1/(4π×10³) A/m。

磁场强度通常用H表示。

3、什么叫磁极化强度(J)，什么叫磁化强度(M)，二者有何区别？现代磁学研究表明：一切磁现象都起源于电流。

磁性材料也不例外，其铁磁现象是起源于材料内部原子的核外电子运动形成的微电流，亦称分子电流。

这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性。

因为每一个微电流都产生磁效应，所以把一个单位微电流称为一个磁偶极子。

定义在真空中每单位外磁场对一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩pm，每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为磁极化强度J，其单位为T（特斯拉，在CGS单位制中，J的单位为Gs，1T=10000Gs）。

永磁体的模型、工作点以及永磁磁路目录永磁体的磁偶极子模型 (1)退磁曲线与内禀退磁曲线 (1)孤立永磁体的磁场、工作点 (3)永磁磁路 (4)永磁体的磁偶极子模型永磁体的基本组成单位是磁偶极子。

从磁荷的观点看，磁偶极子是一对距离为1的正负点磁荷，点磁荷的单位是Wb（类似于电荷的单位为库仑C）。

所以磁偶极子的磁偶极矩Pm的单位是Wb∙m。

电磁学中，定义单位体积内磁偶极矩的矢量和为磁极化强度J,即J=Σpm∕AV,这样磁极化强度J的单位是Wb∙m∕m3=T o有时磁极化强度J也被称作内禀磁感应强度Bi o从分子电流的观点看，磁偶极子可以用微小的电流回路表达，它的磁矩m分子定义为平面回路中电流和回路面积的乘积，即m分子二i∙S,单位为A∙m2.电磁学中，定义单位体积内包含磁偶极子磁矩的矢量和为磁化强度M,即M=∑m分子/AV,磁化强度M 的单位为A∕m o磁荷观点和分子电流观点在宏观上是等效的，磁极化强度J与磁化强度M的关系为J=UOM。

一块永磁体可以看作为一个大的磁偶极子，它的磁偶极矩等于它包含的磁偶极子磁偶极矩的矢量和。

若永磁体的体积为V,即其磁偶极矩j=JV。

当永磁体材料确定后，充磁越饱和，磁偶极子的排列越整齐，永磁体的磁极化强度越大,磁偶极矩也越大。

永磁体的磁矩m=MV,也符合本段论述。

退磁曲线与内禀退磁曲线描述外磁场的物理量通常是磁场强度H,在外磁场的作用下，永磁体的磁感应强度B=μ0（H+M]=μ0H+μOM=μOH+J（公式一）。

即永磁体内部的磁感应强度等于磁极化强度J与H在真空中的作用之和。

当然理论上，因为外磁场H与永磁体的磁化强度M都是矢量，它们之间的角度可以是随机的；不过通常它们是平行的，同向时H取正，反向时H取负，反向时的外磁场称为退磁场。

永磁体在外磁场的磁化作用下饱和充磁后，再撤消外磁场时，永磁体的磁极化强度J（内禀磁感应强度Bi）并不会因外磁场H的消失而消失，而会保持一定大小的数值，习惯上称为剩余磁感应强度Br。

高速永磁电机设计与分析技术综述一、概述高速永磁电机，作为现代电机技术的杰出代表，正以其高效率、高功率密度以及优秀的控制性能，在多个领域展现出广阔的应用前景。

随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，对高速永磁电机设计与分析技术的研究显得尤为重要。

本文旨在对高速永磁电机的设计与分析技术进行综述，以期为相关领域的研究者提供全面的技术参考和启发。

高速永磁电机的设计涉及电磁设计、结构设计、热设计、强度设计等多个方面，其关键在于如何在高速运转的条件下保证电机的性能稳定、安全可靠。

电磁设计方面，需要优化绕组布局、磁路设计以及永磁体的选择，以提高电机的效率和功率因数。

结构设计则着重于提高电机的刚性和强度，防止在高速运转时产生过大的振动和噪声。

热设计则关注电机内部的热传递和散热问题，防止电机因过热而损坏。

强度设计则要求电机在承受高速运转产生的离心力时，能够保持结构的完整性。

高速永磁电机的分析技术则涵盖了电磁场分析、热分析、结构分析等多个方面。

电磁场分析可以预测电机的电磁性能，为优化设计提供依据。

热分析则用于评估电机在不同工况下的热状态，为散热设计提供参考。

结构分析则关注电机在高速运转时的动态特性，为强度设计提供支撑。

随着计算机技术和数值分析方法的快速发展，高速永磁电机的设计与分析技术也在不断进步。

通过采用先进的电磁仿真软件、热仿真软件以及结构仿真软件，可以更加精确地预测电机的性能，为设计优化提供有力支持。

1. 高速永磁电机的定义与重要性高速永磁电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM）是一种特殊类型的电机，其核心特点在于使用永磁体来产生磁场，以及能够在高转速下稳定运行。

与传统的电励磁电机相比，HSPMSM具有更高的功率密度、更高的效率以及更低的维护成本，因此在许多现代工业应用领域中具有显著的优势。

HSPMSM的重要性体现在以下几个方面：随着全球能源危机的日益加剧和环境保护需求的不断提升，节能减排、提高能源利用效率已成为工业生产中的重要目标。

（1）磁学基础知识⽬录：（⼀）、什么是磁矩和磁强化度（⼆）、磁场强度和磁感应强度（三）磁化曲线和磁滞回线（四）磁化率和磁导率（五）什么是矫顽⼒（六）内禀矫顽⼒和磁感矫顽⼒有什么区别联系（七）退磁场是怎样产⽣的，能克服吗，对于实测的材料此话特性曲线如何进⾏退磁校正？（⼋）物质磁性可以分为⼏类有什么特点（九）磁性材料可以分为⼏类，有什么特点（⼀）、什么是磁矩和磁强化度1.描述载流线圈或微观粒⼦磁性的物理量，平⾯载流线圈所受合⼒为零⽽所受⼒矩不为零，该⼒矩使线圈的磁矩m转向与外磁场B的⽅向相同的⽅向；在均匀外磁场中，平⾯载流线圈受⼒矩偏转。

许多电机和电学仪表的⼯作原理即基于此。

磁矩是磁铁的⼀种物理性质。

处于外磁场的，会感受到，促使其磁矩沿外磁场的磁场线⽅向排列。

磁矩可以⽤表⽰。

磁铁的磁矩⽅向是从磁铁的指南极指向指北极，磁矩的⼤⼩取决于磁铁的磁性与量值。

不只是磁铁具有磁矩，、、或等等，都具有磁矩2.磁化强度是描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量（⼆）、磁场强度和磁感应强度1.⼈们⼀般将磁极受到作⽤⼒的空间称为磁场，导体中的电流或永磁体都会产⽣磁场。

空间中的磁场可以⽤H或B两个参量来描述。

H称为磁场强度，B称为磁感应强度，也称磁通密度（三）磁化曲线和磁滞回线磁化曲线是表⽰磁感应强度B、强度M与磁场强度H之间⾮线性关系。

磁化曲线可以通过实验实验测量的⽅法画出，在环形磁性材料样品上缠绕上初级线圈N1和次级线圈N2 ，N1的两端接上直流电源，N2的两端接上电⼦磁通计。

随着初级线圈上的电流不断增⼤，电⼦磁通计便会检出相应的磁通⼤⼩，从⽽得到样品的B-H的关系曲线磁滞回线，当材料磁化到饱和以后，逐渐减⼩外磁场，材料中对应的M或B值也随之减⼩，但是并不是沿着初始磁化曲线返回。

并且当外部磁场减⼩到零时，材料仍保留⼀定⼤⼩的磁化强度，或磁感应强度，称为剩余磁化强度或剩余磁感应强度，⽤Mr 或Br表⽰，简称剩磁。

在反⽅向增加磁场M或B继续减⼩时当反⽅向磁场达到⼀定数值时，满⾜M=0 B=0那么该磁场强度就称为矫顽⼒。

永磁体磁路设计永磁设计材料从研制角度而言，是希望性能尽可能地优越。

但从使用角度考虑，对已研制出的材料，如何合理利用以期获得最大的收益则显得更为重要。

具体到永磁材料，则涉及到磁体的选用和磁路的设计。

下面对永磁磁路设计做简单介绍。

·永磁磁路的基本知识磁路：最简单的永磁磁路由磁体、极靴、轭铁、空气隙组成。

磁路之所以采用路的说法，是从电路借用而来，所以传统意义上的磁路设计是与电路设计相类似的，为了更明了地说明这个问题，简单比较如下图：磁路的基本类型有并联磁路、串联磁路，其形式同于电路。

静态磁路基本方程：静态磁路有两个基本方程：其中k f为漏磁系数，k r为磁阻系数，Bm、Hm、Am、Lm分别为永磁体工作点、面积和高度；Bg、Hg、Ag、Lg为气隙的磁通密度、磁场强度、气隙面积和长度。

由以上两式可得：上式中Vm=Am.Lm表示永磁体体积，Vg=Ag.Lg表示气隙的体积，(HmBm)是永磁体工作点的磁能积。

·永磁体磁路设计的一般步骤：（1）根据设计要求（Bg Ag、Lg的值由要求提出），选择磁路结构的磁体工作点。

在选择磁路结构时，需要结合磁体性能来考虑磁体的尺寸，设法使磁体的位置尽量靠近气隙，磁轭的尺寸要够大，以便通过其中的磁通不至于使磁轭饱和，即φ=B轭A轭，式中的B轭最好相当于最大磁导率相对应的磁通密度。

如果B轭等于饱和磁通密度的话，则磁轭本身的磁阻增加很多，磁位降加大，或者说磁动势损失太大。

（2）估计一个Kf和Kr，利用初步算出磁体尺寸Am 、 Lm；（3）根据磁体尺寸、磁轭尺寸，算出整个磁路的总磁导P（其中关键是漏磁系数Kf的计算），再将原工作点代入下式：Bg=F/[KfAg(r+R+1/P)]（4）据总磁导P、漏磁系数Kf、磁体内阻r和磁轭的磁阻R，看Bg是否与要求相符，否则再从头起设计。

在已知气隙要求(Bg、Ag、Lg)和磁体工作点的情况下，欲求磁体的尺寸（Lm、Am），则需要知道漏磁系数Kf和磁阻系数Kr。

浅谈永磁电机的设计要点永磁电机是一种利用永磁体产生磁场来驱动电机转动的设备。

它具有体积小、效率高、响应速度快等优点，在现代工业中得到广泛应用。

永磁电机的设计要点是指在设计永磁电机的过程中需要考虑的一些关键因素，包括电机结构、永磁材料、磁路设计、绕组设计等方面。

本文将从这些方面来浅谈永磁电机的设计要点。

一、电机结构设计永磁电机的结构设计是永磁电机设计的首要考虑因素之一。

首先需要确定电机的类型，包括直流永磁电机、交流永磁同步电机、交流永磁异步电机等。

不同类型的电机具有不同的结构特点和工作原理，需要根据具体的使用需求来选择。

其次是确定电机的功率和转速范围，这将直接影响电机的尺寸和重量。

最后是确定电机的散热方式和防护等级，这些因素都将影响电机的可靠性和使用寿命。

二、永磁材料选择永磁电机的性能主要取决于永磁材料的选择。

常用的永磁材料有钕铁硼、钴磁铁、铁氧体等。

钕铁硼磁体具有优良的磁性能，适用于高性能永磁电机的设计，但价格较高；钴磁铁磁体具有良好的抗高温性能，适用于高温环境下的永磁电机；铁氧体磁体价格低廉，适用于一般性能要求的永磁电机。

在选择永磁材料时，需要综合考虑其磁性能、成本、温度特性等因素。

三、磁路设计磁路设计是永磁电机设计的关键环节之一。

良好的磁路设计能够提高电机的磁路传导能力，减小磁阻，提高电机的工作效率。

在磁路设计中需要考虑的因素包括磁路长度、磁路横截面积、气隙磁密等。

为了最大限度地提高磁路的传导性能，需要采用合理的磁路形状和加强磁路的连接，提高磁路的填充因子。

四、绕组设计绕组设计是永磁电机设计的另一个重要方面。

绕组设计直接影响电机的电磁性能和功率密度。

在绕组设计中需要考虑的因素包括电机的转子类型、绕组方式、导体材料和截面积等。

合理的绕组设计能够提高电机的工作效率和输出功率，减小电机的损耗和温升。

五、控制系统设计控制系统设计是永磁电机设计的重要组成部分。

永磁电机的控制系统主要包括电流控制系统和转速控制系统。

永磁体基本性能参数 Prepared on 22 November 2020永磁体基本性能参数永磁材料：永磁材料被外加磁场磁化后磁性不消失，可对外部空间提供稳定磁场。

钕铁硼永磁体常用的衡量指标有以下四种：剩磁（Br）单位为特斯拉（T）和高斯（Gs）1Gs=将一个磁体在闭路环境下被外磁场充磁到技术饱和后撤消外磁场，此时磁体表现的磁感应强度我们称之为剩磁。

它表示磁体所能提供的最大的磁通值。

从退磁曲线上可见，它对应于气隙为零时的情况，故在实际磁路中磁体的磁感应强度都小于剩磁。

钕铁硼是现今发现的Br最高的实用永磁材料。

磁感矫顽力（Hcb）单位是安/米（A/m）和奥斯特（Oe）或1Oe≈m 处于技术饱和磁化后的磁体在被反向充磁时，使磁感应强度降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力（Hcb）。

但此时磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。

（对外磁感应强度表现为零）此时若撤消外磁场，磁体仍具有一定的磁性能。

钕铁硼的矫顽力一般是11000Oe以上。

内禀矫顽力（Hcj）单位是安/米（A/m）和奥斯特（Oe）1Oe≈m使磁体的磁化强度降为零所需施加的反向磁场强度，我们称之为内禀矫顽力。

内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量，如果外加的磁场等于磁体的内禀矫顽力，磁体的磁性将会基本消除。

钕铁硼的Hcj会随着温度的升高而降低所以需要工作在高温环境下时应该选择高Hcj的牌号。

磁能积(BH)单位为焦/米3（J/m3）或高奥（GOe）1MGOe≈m3退磁曲线上任何一点的B和H的乘积既BH我们称为磁能积,而B×H的最大值称之为最大磁能积(BH)max。

磁能积是恒量磁体所储存能量大小的重要参数之一，(BH)max越大说明磁体蕴含的磁能量越大。

设计磁路时要尽可能使磁体的工作点处在最大磁能积所对应的B和H附近。

各向同性磁体：任何方向磁性能都相同的磁体。

各向异性磁体：不同方向上磁性能会有不同；且存在一个方向，在该方向取向时所得磁性能最高的磁体。

磁、磁路、磁兼容（EMC）基本知识（经典）一、磁的基本知识磁的范围比较广，讨论起来太泛！而磁场是电机实现能量交换的媒介（磁场和电流是电机工作两个基本条件），所以在下面我们以讨论磁场开始，首先介绍必要的一些概念。

为了易懂，我们采用了较为狭义的表述方法（所谓狭义是指在大多数情况下是对的或者说有条件的正确），请大家注意！1、磁通及磁感应强度一条通电导体或一块永久磁铁，它的周围是充满磁场的,在每一点它既有大小也有方向，通常形象地用磁力线表磁场的分布（如图1），借助磁力线，我们介绍两个物理量。

a.磁通：用磁力线的数量来表示。

如通电导体周围磁力线的总和，我们就叫总磁通，其单位不是我们想象用“根数、条数”表示，而是用麦克斯韦尔Mx或韦伯(Wb)作为其单位，且有1Wb＝108 Mxb.磁感应强度B：也称磁通密度即单位面积的磁力线数量。

如图1中通过阴影面积S′的磁力线（磁通）为Φ，则B＝Φ/S 单位是高斯(GS)或特斯拉(T)，且有T ＝104 GS2、 磁场及磁场强度图2是一个类似于我们常用的充磁实验装置。

环形均质永磁体的上端被切下一段，形成一个长为Lδ的气隙，下端装匝数为W的一个线圈，当线圈通以电流时，便会在圆环磁体内部以及空气隙Lδ中产生磁通。

我们定义“I•W”为磁动势F，简称磁势，单位是吉伯(Gb)或安(A)，且有1A＝0.4π Gb我们知道安培环频定律可表示为：F=∮H•dL＝∑(Hi•△Li)＝H1△L1＋ H2△L2＋•••＋Hn △Ln＋•••H即为磁场强度，其物理意义可在以下分析中体现。

如在图2磁路中将切割的小截磁体放回，则可视为一个特制磁路并设总长为L1，在均质磁路中可认为H处处相等，则 F＝∑(Hi•△Li)＝H•L 即H＝F/L（安/ 米）因此，可以狭义地理解为：磁场强度H是磁路中单位长度上的磁动势。

3、 剩磁、矫顽力、磁化曲线及磁导率如图2，我们将切割下来的小截磁体放回即变成一个均匀的磁路，然后将电流从“0”开始，不断加大，这时候磁路的磁通中不断上升见图3”og”段。

浅谈永磁电机的设计要点永磁电机是一种主要利用永磁体产生的强磁场来实现能量转换的电机。

它具有结构简单、效率高、体积小、重量轻、响应速度快等特点，在工业生产、航空航天、军事等领域广泛应用。

永磁电机的设计要点主要包括磁路设计、电路设计和控制设计。

一、磁路设计1. 磁路形状永磁电机的磁路形状应该具有高的磁场密度和优异的永磁材料利用率。

常见的磁路形状有面贴式、内转子、外转子等。

其中，面贴式永磁电机结构简单，易于制造，广泛应用。

2. 永磁材料永磁电机主要利用永磁体产生磁场，因此永磁材料的选择对电机性能影响很大。

目前常用的永磁材料有NdFeB、SmCo、AlNiCo等。

其中，NdFeB 属于高性能永磁材料，磁能积高，可提供高磁场密度。

因此，在设计永磁电机时，应优先选用 NdFeB 磁片。

3. 磁路铁心磁路铁心是永磁电机磁路的主要构成部分，它的设计应该考虑磁场分布、磁路长度、永磁材料的利用率等。

常见的磁路铁心形状有圆柱形、长方体形、三角形等。

1. 相数和极数永磁电机的相数和极数对电机性能有较大影响。

一般来说，相数较少的永磁电机运行平稳，但输出功率小；相数较多的永磁电机输出功率大，但运行不稳定。

极数对电机的最大转矩和启动转矩有影响。

当极数多时，电机的最大转矩和启动转矩也比较大。

2. 激励电流和控制方法永磁电机在工作时，需要一定的激励电流来维持永磁体产生的磁场。

激励电流的大小与永磁体的磁场强度、温度等因素有关。

通常可采用 PI 控制、FOC（场向控制）等方法来控制永磁电机的电流。

三、控制设计永磁电机的控制设计主要包括传感器选择、控制算法设计等部分。

其中，传感器选择对控制精度和响应速度有较大影响，电机速度和位置的测量可采用霍尔传感器、编码器等。

控制算法的设计有直接转矩控制、间接转矩控制等方法，可以通过调节电流和电压来实现电机的启动、控制和停止。

以上就是永磁电机的设计要点，通过优化磁路、电路和控制设计，可以实现永磁电机的高效运行。