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淺談電機原理（五）永磁體的設計?
林淺的文章 - 知乎
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前言
前一篇文章跟大家介紹了電機設計中需要注意的一些問題，例如齒槽轉矩以及諧波等等。這篇文章將繼續(xù)和大家一起探討永磁同步電機中的永磁體設計。
【原創(chuàng)】淺談電機原理(3)電機設計
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與通電線圈相比，永磁體的能量密度大得多，使用永磁體轉子可以大幅降低電機的體積，實現電機的小型化。但永磁體存在明顯的磁滯效應，BH呈現非線性關系且存在磁滯損耗，高溫情況下易發(fā)生退磁。那么電機中的永磁體該如何選擇和設計呢？本文第一部分介紹永磁體的基本性質和原理，第二部分介紹永磁體性能對于電機的影響，第三部分介紹永磁體的選擇與設計。
一、永磁體的基本性質
從微觀上來講，帶負電的電子圍繞著原子核做圓周運動，會產生電流，電流產生磁矩，另外電子的自旋也會產生磁矩，這是磁性的最小單元——軌道磁矩和自旋磁矩。
軌道磁矩
而不同電子之間會受到一種力促使它們趨于同向或反向排列，這種力叫做交換作用力
磁滯回線
最大磁能積示意圖
二、永磁體性能對電機的影響
2.1 負載線與工作點
上圖中所示的負載線為電機工作的負載線，我們希望負載線與膝點相交，這樣就能讓電機工作時永磁體轉子儲存最多的能量并向外轉化為機械能。那這條負載線是如何得到的呢？回顧之前講解的磁路知識：
【原創(chuàng)】淺談電機原理(4)電機學
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可將永磁同步電機簡化為如下圖所示的磁路模型，于是有：
磁路模型
從表達式可以看出負載線為一條直線，直線與磁滯回線的交點即為工作點，工作點的位置會受線圈電流i的影響
負載線與電流i的關系
當更改磁體的工作點時，磁體的BH關系會不再遵循原先的磁滯回線，而是會產生新的回復曲線關系，如下圖所示，由于新的回復曲線的剩磁低于原先磁滯回線的剩磁，因此不斷更改工作點將導致磁體退磁。但在釹鐵硼磁體中，這種退磁效應并不顯著，常常可以忽略，這也是釹鐵硼磁體的優(yōu)勢。
2.2 磁體性能的影響
在選擇電機中的永磁體時，最重要的指標是最大磁能積。磁能積越大說明在相同體積下，永磁體可以儲存的能量越大，能向外輸出的轉矩轉速也越大。另外，永磁體的剩磁越大，旋轉過程中在定子繞組中產生的反電動勢就越大，定子繞組電流相應降低，銅耗降低，但同時反電動勢的增大會增加鐵芯中的渦流損耗。當電機在低電壓頻率下工作時，渦流損耗較小，提高永磁體的剩磁可以提高電機效率，若電壓頻率升高，效率提高的作用將逐漸消失。而磁體的矯頑力越大，永磁體越難退磁，這可以使永磁同步電機在更強的磁場中保持工作。在實際應用過程中我們可以通過選擇不同的釹鐵硼牌號，來篩選符合電機要求的永磁體。
永磁體牌號示意圖
三、永磁體的設計
晶界相分布
目前制備釹鐵硼磁體的主流工藝是燒結法，燒結法的制備流程如下：
燒結釹鐵硼的制備流程
制備磁體前，需要根據磁體的成分進行配料并熔煉呈鑄錠，將鑄錠吸氫破碎后制成粉末，然后壓制成型。由于永磁體存在易磁化軸和難磁化軸，因此需要在壓制成型工藝中進行磁場取向，從而使磁粉均沿易磁化軸取向。然后進行燒結得到釹鐵硼燒結磁體。目前的工藝優(yōu)化主要集中在制粉和燒結工藝上。通過先進的制粉工藝可以得到粒徑更小的磁粉同時保證磁粉不被氧化，這樣可以在磁場取向工藝中獲得更好的取向度，從而提高磁體性能。另外就是通過優(yōu)化燒結后的熱處理工藝，可以優(yōu)化釹鐵硼磁體的微觀組織形貌，從而提高磁體性能。
以上分析結合了物理原理、電機應用以及材料制備等多個方面討論了永磁同步電機中永磁體的作用和設計，后面還會基于仿真跟大家分享更多關于電機設計的知識和干貨，點個關注不迷路~
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