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高性能各向异性粘结钕铁硼磁粉及其对电机设计的影响


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微特电机

2009年第 12期

高性能各向异性粘结钕铁硼磁粉及其对电机设计的影响
Dav id M iller
( 麦格昆磁 ( 天津 )有限公司, 天津 301700)

中图分类号: T 351

M

文献标识码: E

文章编号: 1004- 7018( 2009) 12- 0070- 01

0引



粘结钕铁硼磁粉已广 泛用于 电子工 业 ( 如 HDD 和 ODD 的驱动电机 )、 家电 (如空 调和冰 箱的风 扇电机 )和汽 车部 件 (直流无刷电动机 )领域。随着时代的进 步, 消费 者对电机 的 要求在不断提高, 即 体积 更小, 重 量更 轻, 效率 更高, 价格 合 理, 这都要求更高性能的粘结钕 铁硼磁 粉的出现。 目前虽 然 HDDR 磁粉已开发 成功, 但 在国 内尚 未形 成批 量生 产, 价 格 也居高不下, 因此开发并批量生产 新型各向 异性粘 结钕铁 硼 磁粉成为市场的迫切需求。

2仿真模拟设计
应用 电 机 设 计 软 件 ( SPEED ) 和 电 磁 场 有 限 元 分 析 ( FEA ), 针对市场上 一款 典型的 汽车 座椅 电机, 采用 烧结 铁 氧 体和各向异性粘结 钕磁 体进 行了电 机仿 真模 拟设 计的 试 验 , 如图 2、 3所示。 图

1新型各向异性粘钕铁硼磁粉 M QA
1. 1 新型各向异性磁粉介绍 与传统的各向同性磁粉相比, 麦 格昆磁 开发的 新型各 向 异性钕铁硼磁粉具有更高的磁能 积 ( > 285 kJ/m 3 ) 和更高 的 剩磁 ( > 1 24 T )。典型的磁粉性能如表 1和图 1所示。 .
表 1 新型 M QA 各向异性钕铁硼磁粉的磁性能
名称 Br /T MQA - 38- 14 1 31 . MQA - 36- 18 1 24 . MQA - 37- 16 1 29 . MQA - 37- 11 1 30 . MQP- B+ 0 90 . H ci /( k A BH m ax 应用范围 便携工具, 100 ~ 120 汽车, 100 ~ 150 家电, 100 ~ 120 易磁化的应用场合, < 100 各向同性磁粉

( a)采用 SPEED 电机设计软件

( b) 采用矢量场电磁 FEA 软件

图 2 使用各向异性粘结钕磁体进行仿真模拟设计

m - 1 ) / ( kJ m - 3 ) 307 285 295 290 125

1 118 1 430 1 270 840 780

图 3

汽车座位电机

利用电机设计软件, 我们设计了 采用不 同磁性 材料的 电 机 , 同时将设计得到的结果, 包括一些 电机的 关键工艺 参数, 与 传统电机进行了对 比。图 4 是使 用 2 极铁 氧 体的 电机 与 使 用 4极各向异性粘 结钕铁硼磁体的 电机尺 寸对比, 新设 计 使 得电机尺寸更小, 重量更轻, 同时由 于使用 的原材料 减少, 因 而成本更低。

图 1 新型各向异性磁粉 ( MQ A ) 的室温退磁曲线 与传统各向同性磁粉 ( M Q P)的对比

MQA 磁粉的制备过程是: 首先快 淬成 磁片, 然后 经过 热 变形成为致密磁体, 最后破碎到 合适的 颗粒尺寸。 这种独 特 的加工过程可以得到纳米级的晶粒尺 寸, 从 而获得 较高的 性 能, 同时最终的磁粉形状和尺寸也 很适用于 以后粘 结磁体 的 生产。 采用这种各向异性 磁粉, 既 可用 于生 产模 压磁 体, 又 可 用于生产注塑磁体, 典型的磁体性能如表 2所示。M QA 是 使 用新型各向异性磁粉 制备 的 磁体, 而 M QP 是 使 用普 通各 向
( a) 采用 2极铁氧体磁性材料 ( b ) 采用 4 极各向异性粘结钕铁硼 图 4 电机尺寸对比

图 5 是目 前市 场 上 采 用 2极 铁氧 体 电机 的 性 能 (作为基 准 ) 与使 用 各 向异性 粘结 钕 磁体 的 电机 (重新设计后 ) 性 能对 比, 两 者的 使 用
图 5 性能指标

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同性磁粉制备的磁体。

微特电机

2009 年第 12期

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国内外动态 ew s a t hom e and abroad

高能效 I PM 电机
效率标准和 低 能 耗 原规 则 已 大 大刺 激 了 输 出功 率 从 0 75~ 375 k 的普通电机设计。为此, 一种凸 极、 W 内置 永磁 ( IPM )转子的交流感应电机应运而 生, 它 具有更高的 能效和 更好的优点。 IP 的设计 也结束 了那 种在 转子中 产生 磁通 M 的永磁体设计。这一点有别于普通的永磁电机, 普通 永磁电 机只是简单地将磁体置 于转子 表面。其实, 在 CNC、 床和 机 其它一些 高性能增量运动系统的伺服电机中, IP 转 子早已 M 问世了。然而在这些高动态应用中, 提高生产率和生 产能力 比效率更为重要。 新研制的 IPM 转 子新 颖之 处在 于 其适 用于 工 业、 OEM 及更广泛应用的通用电 动机中。美 国 Ba ldo r公司 首创 将叠 片定子骨架与 I 转子 组成 一体。据 介绍, 将 条形 磁铁 嵌 PM 入转子中就成为一凸极结 构, 有助于磁 通集 中, 提 高功 率和 效率, 降 低温升。 与此同 时, IP 电动 机中的附 加磁阻 转矩 M 零件能产生更高转矩。定子是叠片结构的一部分, 无 需制成 的翼形定子 - 机座接口, 但能提供更好的散热方式。 由薄钢 板叠片制成翼形散热片 可以使热 传递达 到最 佳状态。 采用 高压层压和铆接, IP 电机如同一台铸铁机座。 M 例如, 一 台 效 率 优 级 的 294 k 感 应 电 机, 其 效 率 达 W 96 2% , 而 IP 转子 的电 机效率 可达 98. 3% 。通 过一 标准 M 的调速矢量驱动器控制 IP 电机, 只需一 种专用 软件即 可。 M 一般采用 开环控制, 但是也可以很方便地添加编码器 进行更 可靠的控制或定位。 Ba ldor公 司瞄 准了这 种高 性 能电 机市 场。与感应电机相 比, 其机座号要 小 4~ 5号, 功率 密度高 5 ~ 6倍, 而质量轻约 50% 。目 前, 用 来与机 床配 套的 IP 电 M 机, 其功率可达 110 kW, 而功率更大的 IP 电机尚处试制阶 M 段, 预计不久可生产出 功率最 高为 294 k 的各 种型 号 IP W M 电机, 还计划研制 735 kW 的 IP 电机。 I 技 术还将 在正 M PM 在崛起的 ! 超 优秀 NEM A 电 动机 ?领 域大显 身手。 近日, 国 际电工委员会 ( I EC)已为工业电机制 订了最高 效率类型 (称 为 IE- 4超级优 秀等 级 ), 并 未 限电 机类 型。 I 等级 不应 E4 仅限于交流感应电机。 就 IPM 电机而言, 其初 始成本 比较昂 贵, 然 而随着 销售 量的扩大, 将会降低制造成本。但是真正的节能则在 于落实 到节约耗电成本和延长 使用寿命 中。内置 式永磁 交流 电机 能广泛用于工业应用中, 既节能又具有高功率密度。

数, 无需向驱动器供电。该驱 动器 有 8种 状态顺 序编 程、 一 个柔性用户接口、 高速通信设备和机柜兼容硬件。驱动器 能 贮存 20种不同的机床参数, 而且可对每种参数命名, 清楚 地 表明有关终端用户或 应用场 合。该驱动 器具有 插入 式全 封 闭 F ie ldbus 连 接 装 置, 可 以 为 D ev iceN et ProfiBus - DP 和 CAN open提供高速通信设 备。它还 可以 选择电 位计 和脉 冲 输入编码器, N EMA - 12或 NEM A - X 操纵 台配电 板安装 和 编程软件。

短系列制动电动机
美国 Ba ldo r公司的短 系列制 动电 动机 ( SSB) 具 有集 成 的弹簧制动器, 使设计小型化。采用内置式单相整流器可 使 直流制动器进行磁性释放, 它也有一根手动释放杆。当变 换 器起动时, 制动引线就被接 至电动 机导管 接线盒, 从 而与 电 动机导线 连 接; 也 可独 立 连接。 电动 机 的 电压 可 选用 230 V、 460 V 和 575 V, 其 外 形 大 小 符 合 NEM A 56C 至 NE M A184C, 功率从 0 4 kW ~ 3. 6 k . W。电动机已 获 UL /CSA 和 CE认证。机座大小在 56~ 140之间, 有低外 形结构的 F3 顶 安装管通箱和 备用变 换器。 SSB制 动电动 机具 有安 装通 用 性的优 点。而 143- 145TY 型 和 143- 145TY C 型机 座的 制 动电动机有 一专 用于 OEM 传动 装置 上采 用 56, 143 和 145 槽的底座。 B aldor 公司 的短 系列 制动 电 动机 的质 保 期为 2 年。

增量旋转编码器
美国 Ce lesco公司 的 CH 25增量旋转编码器法兰为 63. 5 mm 2, 轴径 9 5 mm, 具有一个 M 12接头和带推挽式驱动器 和 . 正交信号格式。该编 码器可 以接 受的 输入 电压 为 5 ~ 30 V ( DC), 分辨率从 100 ~ 5 000 脉冲 /转。编码 器 具有 铝粉 涂 层外壳, 额定防护等级为 I 67。必要时 还可增 加长约 2 mm P 的屏蔽电缆。

单轴控制器步进电动机
美国 Festo公司的 EMM S- ST 步进电动机和 CMM S- ST 步进控制器是 一种 单轴 和多 轴 组件, 可 处理 负 载达 20 kg 。 二相步进电动机可选 用集成制 动器和 增量编 码器反 馈功 能 实现高转矩。保持转矩从 0. 5~ 9. 3 N m, 外齿 轮箱齿速 比 为 3? 1或 5? 1 CMM S - ST 控制器可减 少谐振、 。 发热和 失 步, 并在闭环 模式中伺服特性优异。 SD /MM C存储卡可以 存 贮参数设置, 调整 63种可配置位置和 8种定位文件, 具有 排 序能力和覆盖定位文件功能。控制器有定位、 速度和转矩 控 制模式。用于 P ro fibus和 D ev iceN et的网络 接口也 可作为 选 择模式。 (以上由杜宗潆编译 )

14. 7 kW 和 18. 4 kW 驱动器
A BB美国公司 研制 的 ACS350系 列产 品适 用 于普 通机 床, 目前有 14. 7 k 和 18 4 kW 两种驱动器, 电 压为 480 V。 W . 18 4 k 的外 形为 181 mm # 169 mm # 260 mm, 符 合 RoHS . W 标准。它 采用的快速跌落技 术允许 上负载 和下负 载驱 动参 性能非常接近。 图 6 为 传 统 商业 用 汽 车 座位电 机与 使 用 各向 异 性 粘 结钕磁 体进 行 设 计的 座 位 电 机尺寸对比。 从图 6可 以看出, 在保 持 电机的性能一致的情况下, 采
图 6 关键参数变化

用各向异性粘结钕磁 体可以 显著降 低电机 的尺寸、 量, 由 重 于节省了铜和铁, 使得采用不同磁性材料的电机的总成本 基 本一致, 甚至采用钕材料电机会更便宜一些。由于各向异 性 粘结钕磁体具有 3~ 5倍于 烧结铁 氧体磁 性能, 在体 积一 致 的情况下, 就 使得采用各向异性粘结钕磁体的电机可以获 得 更高的性能, 特别是在对空间、 重量有要求的汽车领 域, 各 向 异性粘结钕铁硼更适合环保舒适的要求。

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