【原】什么是磁滯電機？其原理是什么？有什么特點和應(yīng)用？

羅羅日記 2023-10-13 發(fā)布于四川

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上次在直流電機那篇我提到了電機的分類，按照工作電流的不同，分為直流電機和交流電機。

其中交流電機又分為同步電機和異步電機（感應(yīng)電機）。

電機按照工作電流分類

同步電機的分類

之前已經(jīng)分享了感應(yīng)電機的工作原理，本來這篇我打算寫寫同步電機的原理。

但是我發(fā)現(xiàn)，其實同步電機還可以繼續(xù)往下分，有三種不同的同步電機，即磁滯同步電機，磁阻同步電機（步進電機就屬于這類電機，下次有機會再聊聊磁阻電機），還有永磁同步電機。

今天我們先來看看磁滯同步電機的工作原理。

什么是磁滯

我們知道，當(dāng)外磁場作用于鐵磁材料時，比如鐵，材料會被磁化，隨著外磁場強度的增加，磁化強度在某一刻（下圖中a點）將達到飽和（Saturation）。

外磁場的變化和磁化強度的關(guān)系是一條曲線，如下圖中的綠色曲線。

磁滯回線

但是，當(dāng)外磁場又慢慢減小時，鐵磁材料磁化強度并不會沿著原來的磁化路徑返回，而是像圖中藍色曲線變化，可以看到，當(dāng)外磁場減為零時，也就是圖中b點，鐵磁材料中還有剩磁（Retentivity），只有當(dāng)外磁場反向，并達到一定的強度時，剩余的磁化強度才會被完全抵消（圖中c點），而此時的外磁場強度被稱為矯頑力（Coercivity）。

如果外磁場強度在反方向繼續(xù)增大，那么鐵磁材料將會在反方向被磁化，直到達到飽和（圖中f點），如圖中橘色曲線。

而當(dāng)反方向外磁場又繼續(xù)減小時，反方向的磁化強度也跟著減小，如圖中紫色曲線。但是當(dāng)外磁場減小為零時，磁化強度還沒有減小到零（圖中e點），只有當(dāng)磁場又改變方向，并達到矯頑力時，如圖中d點，磁化強度才會被完全抵消。

也就是說，鐵磁材料的磁化強度總是比外磁場的變化滯后，這就叫磁滯（Hysteresis）。

圖中4條曲線就構(gòu)成了磁滯回線。

磁滯回線所構(gòu)成的面積，表示磁滯損耗。

鐵磁材料的磁化過程，圖中曲線圍成的灰色部分的面積，表示磁滯損耗。

不同鐵磁材料的矯頑力不同，根據(jù)矯頑力的大小，把鐵磁材料分為軟磁，半硬磁，和硬磁材料。

鐵磁材料的分類，及其在不同電機轉(zhuǎn)子中的應(yīng)用：磁滯電機轉(zhuǎn)子中主要用半硬磁材料，比如鈷鋼，有部分也用硬磁材料。感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子用軟磁材料，永磁電機轉(zhuǎn)子用硬磁材料。

磁滯電機中，轉(zhuǎn)矩與磁滯損耗成正比（T＝pV/2π*∮BdH，p表示定子極對數(shù)，V表示磁滯區(qū)域的體積，∮BdH表示磁滯面積），因此使用硬磁或半硬磁材料，從而提高轉(zhuǎn)矩能力。

磁滯電機的原理

磁滯電機中，定子和感應(yīng)電機的定子差不多，核心結(jié)構(gòu)是堆疊的硅鋼片及纏繞在其上的繞組構(gòu)成，繞組通入交流電，用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁：忽略圖中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因為這是一個感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子，但是其定子和磁滯電機定子相同。

而定子則主要由旋轉(zhuǎn)軸及軸外面包裹的鐵磁材料構(gòu)成，當(dāng)然也包括一些支持軸承，端蓋等常規(guī)結(jié)構(gòu)。

磁滯電機的結(jié)構(gòu)：定子主要是繞組，轉(zhuǎn)子上沒有磁鐵，沒有線圈，也沒有像感應(yīng)電機那樣的鼠籠，而是由內(nèi)層轉(zhuǎn)軸和外層磁滯材料構(gòu)成，比如D2工具鋼（以后聊聊工具鋼）。

磁滯電機的原理：定子的旋轉(zhuǎn)磁場（磁極）通過磁化轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁極，定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極之間相互吸引，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，于是轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場旋轉(zhuǎn)起來。

定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，施加在轉(zhuǎn)子鐵磁材料上，于是轉(zhuǎn)子被磁化并產(chǎn)生磁極，由于磁滯現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子材料中的磁通密度將滯后于旋轉(zhuǎn)磁場。

于是定子磁極吸引轉(zhuǎn)子磁極，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場旋轉(zhuǎn)起來。

這就是磁滯電機的工作原理。

其實，用一張圖表示的話，就是下面這個。

磁滯電機的原理：圖中NS表示定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極，ns表示轉(zhuǎn)子磁化出的磁極，Mh表示扭矩。

磁滯電機的特性

磁滯電機在啟動時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，定子的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中會感應(yīng)出渦流（Eddy Currents），渦流會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩（因為電流在磁場中受力），但是渦流轉(zhuǎn)矩遠小于磁滯轉(zhuǎn)矩，此時磁滯電機表現(xiàn)得像感應(yīng)電機。

磁場相對導(dǎo)體移動時，會在導(dǎo)體中感應(yīng)出渦流。

當(dāng)運動導(dǎo)體穿過磁場時，會在導(dǎo)體中感應(yīng)出渦流，渦流剎車就是用的這個原理，扯遠了，只是記錄一下感應(yīng)渦流。

隨著速度的提高，電機在磁滯轉(zhuǎn)矩和渦流轉(zhuǎn)矩的雙重作用下，慢慢進入同步運行狀態(tài)。

在同步條件下，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的相對運動消失，因此不再有感應(yīng)現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)子中不會產(chǎn)生渦流，渦流轉(zhuǎn)矩也就消失了。此時僅僅由磁滯轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，這時轉(zhuǎn)子就像一個永磁體，磁滯電機又表現(xiàn)得像永磁電機。

正常同步運行期間，加速階段，定子磁場旋轉(zhuǎn)速度比轉(zhuǎn)子快，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的磁極將圍繞轉(zhuǎn)子外圍移動。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度達到定子旋轉(zhuǎn)磁場速度時，轉(zhuǎn)子磁極將占據(jù)固定位置，和轉(zhuǎn)子磁場之間保持固定的夾角，稱為耦合角。

典型的磁滯電機速度扭矩圖，來自www.bodine-electric.com。

磁滯電機中的耦合角不是剛性的，如果負載超出電機的能力，那么轉(zhuǎn)子鐵芯外圍的磁極將發(fā)生偏移，電機打滑，失去同步能力。如果將負載減小到電機容許扭矩內(nèi)，磁極又將占據(jù)固定位置。

磁滯電機的優(yōu)缺點及應(yīng)用

優(yōu)點

磁滯電機的主要優(yōu)點是它是無刷的，并且轉(zhuǎn)子內(nèi)部沒有繞組，所以結(jié)構(gòu)非常簡單。

另外，它運行安靜，操作可靠，可自啟動，同步平穩(wěn)，在啟動和運行過程中幾乎恒定的電流。

缺點

轉(zhuǎn)子材料的成本較高，盡管通常轉(zhuǎn)軸由普通鋼制成，僅在其上固定硬磁材料制成的空心圓柱體。

另外，電機產(chǎn)生的扭矩非常低，如果負載轉(zhuǎn)矩增加到一定極限，則其速度下降，因此不再用作同步電機。

最后，因為是磁化出磁極，所以效率較低，適用于小尺寸。

應(yīng)用

磁滯電機的應(yīng)用少，這方面的研究也很少。