特种电机1

1. 简述特种电机的特点及发展趋势。 答：特点：种类繁多，功能多样化，而且不断产生功能特性，性能优越的新颖电机。发展趋势：（1）、目前，特种电机正向机电一体化方向发展，就是与电力电子技术、计算机技术、传感技术和现代控制理论结合，构成新型一体化产品，最终实现智能化。与此同时，随着电机及相关学科理论与技术的发展以及新型材料的应用，又促使特种电机不断向高性能化方向发展。（2）、特种电机的发展趋势之一是大功率化、小型化和微型化。在电力传动和交通运输等领域，很多应用场合，对特种电机提出了大功率化的要求，而很多信息产品、消费产品和国防产品又对特种电机提出了小型化和微型化的要求。（3）、社会发展和科技进步对特种电机不断提出新的要求，需要不断拓展电机功能和研发新型电机，这是特种电机发展的重点。其中，开发具有非电磁原理的特种电机已成为重要发展方向。

2. 电机中常用的永磁材料有哪几类，各有何特点？ ① 答：（一）、铝镍钴永磁材料：优点：具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。缺点：矫顽力低，硬而脆，可加工性能较差。（二）、铁氧体永磁材料：优点:价格低廉，不含稀土元素和钴、镍等贵金属;制造工艺简单；矫顽力较大，抗去磁能力强；密度小，质量较轻；退磁曲线接近于直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要像铝镍钴永磁材料那样进行稳磁处理。缺点：剩磁密度不高，最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。（三）、稀土永磁材料：主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料，它们都是高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积的稀土永磁材料。（1）稀土钴永磁材料：优点：剩余磁感应强度、磁感应矫顽力及最大磁能积都很高，抗去磁能力强，，温度系数低，磁性稳定。缺点：价格昂贵，而且材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花或线切割加工。由于这种永磁材料的磁性很强，磁极相互间的吸引力和排斥力均很大，因此磁极在充磁后运输和装配时都要采取措施，以免发生人身危险。（2）钕铁硼永磁材料：优点：其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。缺点：但其居里温度较低，磁性温度系数较高，在高温下使用时磁损失较大；易锈蚀；磁性能热稳定性较差。 ② 铝镍钴永磁材料：温度系数小，剩余磁场强度较高，但矫顽力很低；退磁曲线呈非线性；使用前要进行稳磁处理。 ③ 铁氧体永磁材料：价格低廉，制造工艺简单，质量较轻；温度系数较大，剩磁密度不高，矫顽力较大；退磁曲线大部分接近直线；不能进行电加工。 ④ 稀土永磁材料：高剩磁密度，高矫顽力，高磁能积；稀土钴永磁价格昂贵，温度系数小，退磁曲线基本上是一条直线；钕铁硼永磁价格较便宜，温度系数较大，容易腐蚀，在高温下使用时退磁曲线的下半部分要产生弯曲。

1. 什么是稳磁处理，为什么要进行稳磁处理？ 答：稳磁处理：即事先人工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复线的起始点的位置，使永磁电机在规定或预期的运动状态下，回复线的起始点不再下降。原因：由于铝镍钴永磁材料的回复线和退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要注意它的特殊性，由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理。铝镍钴永磁电机一旦拆卸、维修之后再重新组装时，还必须进行再次整体饱和充磁和稳磁处理，否则，永磁体工作点将下降，磁性能大大下降。 2. 铝镍钴永磁电机在设计和使用时要注意哪些？ 答：由于铝镍钴永磁材料的回复线和退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要进行稳磁处理。铝镍钴永磁电机一旦拆卸、维修之后再重新组装时，还必须进行再次整体饱和充磁和稳磁处理，否则，永磁体工作点将下降，磁性能大大下降。依据铝镍钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸变。为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。铝镍钴永磁材料硬而脆，可加工性能差，不宜设计成复杂的形状。

3、永磁磁路的计算与常规的磁路计算有何不同？ 答：不同之处是需要对永磁体进行等效处理。永磁磁路的计算与常规的磁路计算主要的不同在于永磁体需要进行等效处理，将永磁体等效成类似于电路中的电源，在磁路中等效成恒磁通源或磁动势源。另外永磁体需要进行工作点的确定。

3. 永磁直流电动机与电励磁直流电动机在结构上有什么相似之处，又有什么不同？两者相比，永磁直流电动机有什么优点？ 答：与电励磁直流电动机相比，永磁直流电动机的电枢结构基本相同，主要差别是在定子侧由永磁体代替了电励磁磁体。永磁直流电动机保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性，又因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少和效率高等特点。功率在300W以内时，永磁直流电动机的效率比同规格电励磁直流电动机高10%~20%。而且，电动机功率越小，对电励磁直流电动机而言，励磁结构占总体积的比例和励磁损耗占总损耗的比例就越大，因此永磁直流电动机在小功率领域的优点尤为突出。采用铁氧体永磁时总成本一般比电励磁电动机低。 相似之处：在电枢结构上基本相同。 不同之处：在定子侧永磁直流电动机为永磁体，而电励磁直流电动机为电励磁磁极。 优点：永磁电动机没有励磁绕组铜耗，因此相对而言效率更高；永磁电动机体积小质量轻、机械特性硬、电压调整率小。

4. 永磁材料的性能对永磁直流电动机磁极结构和永磁体尺寸有什么影响？ 答：永磁材料的性能对磁极的结构型式和尺寸有决定性影响。由于永磁材料的性能差异很大，为达到某一要求，所选用不同材料的磁极的结构形式和尺寸不相同。铁氧体永磁在性能上具有Br 小，Hc 相对高的特点，所以结构上通常做成扁而粗的形状，来增加磁极面积，相对缩小磁化方向长度。铝镍钴永磁具有Br 高、Hc 低的特点，一般做成细而长的形状，即增大磁化方向长度，以弥补Hc 低的缺点。稀土永磁的特点是Br、Hc及（BH）max 都很高，可做成磁极面积和磁化长度均很小的结构形状。

5. 永磁直流电动机有极靴的磁极结构有什么优点和缺点？原因何在？ 答：有极靴结构既可起聚磁作用，提高气隙磁通密度。还可调节极靴形状以改善空载气隙磁场波形；负载时交轴电枢反应磁通经极靴闭合，对永磁磁极的影响较小。缺点是漏磁系数大，负载时气隙磁场的畸变较大。此外，此类结构造成电动机结构复杂、制造成本增加，外形尺寸增大。原因：极靴的存在使得永磁体不能直接面向气隙，主磁通就变小，漏磁系数变大；主磁通需经极靴闭合，使得负载时气隙磁场产生较大的畸变。

6. 绘图说明永磁直流电动机组合式磁极结构的目的和原理。 7. 同电励磁电动机相比，永磁直流电动机运行中有什么值得注意的特殊问题？为什么会存在这些问题？ 答：（1）运行特性的温度敏感性 ：永磁材料，特别是钕铁硼永磁和铁氧体永磁的磁性能对温度的敏感性很强。如果从冷态（低温环境温度）运行到热态（高温环境温度），运行温度提高了100度C，钕铁硼永磁电机和铁氧体永磁电机的每极磁通就分别减少约12%和18%~20%，这将会显著影响永磁电机的感应电势、电磁转矩和运行特性。当永磁直流电动机在同一端电压下运行时，空载转速将分别提高约12%和18%~20%；在同一电枢电流下运行时，电磁转矩分别减少约12%和18%~20%。如果再计及电枢反应的去磁作用，则上述变化率还将增大。因此，在永磁电机运行时要充分考虑到工作温度对运行特性的影响。 （2）永磁体励磁不可调：在永磁直流电动机中，由永磁体励磁取代了电励磁，永磁体励磁是不可调的。在有些情况下，这会给电机的控制带来一定的困难。某些应用场合要求电动机的转速能在一定范围内平滑调节。在永磁直流电动机中，同样也可以进行调压调速，但永磁体励磁是不能自行调节的，其自身不具有“弱磁”能力，因此难以实现弱磁调速。 （3）交轴电枢磁动势和交轴电枢反应：对于永磁电机，电枢反应不但影响气隙磁场的分布与大小，而且使永磁体的工作点相应的改变，还影响到永磁体的工作状态。对于无极靴的永磁直流电动机而言，由于稀土永磁材料磁导率与空气隙磁导率很接近，对交轴电枢磁动势来说，电机气隙可以认为是均匀的是，因此交轴电枢反应磁场Bqx 的波形也为三角形而不是马鞍形，其最大磁通密度发生在交轴上。无极靴时交轴电枢磁动势直接作用在永磁体上，特别是产生去磁效应一侧的磁极极尖处，交轴电枢磁动势很大，容易使永磁体产生不可逆退磁。因此，要避免电动机在各种运行状态下会出现这种情况，如起动、堵转、突然停转或突然反转等状态，因为此时电枢绕组中的电流是额定电流的几倍甚至十几倍。 ① 运行特性的温度敏感性；永磁材料的磁性能受温度的影响，因此，永磁电机运行时要注意工作温度对运行特性的影响。 ② 永磁体励磁不可调；永磁体的磁性能是固有的物理特性，在安装到电机上之前就已经固定，在运行中不能调节永磁体的磁性能。 ③ 交轴电枢磁动势和交轴电枢反应；电枢反应不仅影响气隙磁场的分布与大小，而且使永磁体的工作点相应改变，影响到永磁体的工作状态。

8. 已知一台永磁直流电动机，其电枢电压U=110V，电枢电流Ia=0.4A，转速n=3600r/min，电枢电阻Ra=50Ω，忽略空载转矩和电刷电压，试求： (1) 该运行状态下的电磁转矩； (2) 如果电动机运行中，由于温度升高永磁体励磁磁通减少了20%，在电枢电压和负载转矩保持不变的情况下，电枢电流、转速和电磁转矩各变化多少；

解：（1）E=Ua=110V Ω=2πn/60 Tem=E*Ia/Ω=110*0.4/(2π*3600/60)=0.1167(N•m) （2）Tem=T2+T0 因为T2不变，T0不计 所以Tem不变 Tem =CT*￠*I ￠1*I1=￠2*I2 ￠1/￠2=I2/I1=5/4 I2=0.5A E不变，E=Ce*￠*n ￠1/￠2=n2/n1=5/4 n2=4500 r/min