涡流磁动势对先进汽车缓速器影响的研究

在电机学中，电机负载运行时电枢绕组电流产生的电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢磁动势不仅影响气隙磁场的大小和分布，而且影响电机运行性能。本章将运用电机学中的电枢反应理论，分析永磁缓速器的瞬态电磁场，建立永磁缓速器设计理论。

永磁缓速器工作时，旋转的永久磁铁使定子内表面感应涡流。根据洛伦兹力定律，涡流与永磁磁场相互作用会产生制动力矩。定子内的涡流会产生磁动势，该磁动势将对永久磁铁的主磁场产生影响，即涡流磁动势会影响原来气隙磁场的大小和分布。故气隙磁场将由永久磁铁磁动势和涡流磁动势的合成磁动势所影响。涡流磁动势不仅影响气隙磁场的大小和分布，而且影响永磁体的工作状态，使永磁体的工作点相应改变。

下面详细讨论缓速器气隙内磁场的变化过程。

在永久磁铁块数足够多的情况下，通过展开的方法，以永久磁铁中心线和定子内表面的交点为原点，在直角坐标系中对永磁缓速器进行建模分析，其涡流计算模型如图4-10所示。不失一般性，设转子向x轴正向运动，由右手定则可知，N极上定子中的感应电动势为从纸面穿进（用⊗表示），S极下则为穿出纸面（用☉表示）。缓速器定子中，感应电流与感应电动势的方向一致，因此图中的⊗和☉也可以代表定子中的电流方向。从图4-10可以看出：

1）在N极的右半部分，涡流磁场的方向为从定子内表面指向永久磁铁，对永久磁铁起去磁作用；在N极的左半部分，涡流磁场的方向为从永久磁铁指向定子内表面，对永久磁铁起增磁作用，由此引起气隙磁场的畸变。

图4-10 永磁缓速器的涡流计算模型

2）定子未发生磁饱和时，整个磁路系统为线性，气隙磁场B_δ可由涡流磁场B_i和主极磁场B₀应用叠加原理得到。涡流磁场对永磁磁场的去磁作用和增磁作用恰好相同，总体上看，涡流磁场既无增磁作用，也无去磁作用。

3）缓速器中电磁场一般设计成磁饱和状态，考虑到磁饱和时，增磁边将使该部分磁极的磁饱和程度提高、磁导率减小，从而使该处实际的气隙磁场比不计磁饱和时略弱；去磁边实际的气隙磁场则与不计磁饱和时基本一致。因此缓速器工作时比静态时每个磁极下的磁通量有所减少，表现出一定的去磁效应。

在距磁极中心线处的涡流磁动势F_i（x），其大小为

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式中，J是涡流密度，单位为A/m²。涡流磁动势沿定子内表面作三角形波形分布，如图4-11所示。在x=处，涡流磁动势最大。由于铁磁性材料的磁阻远远小于气隙和永磁体的磁阻，所以气隙中涡流磁场的磁通密度为

求出涡流磁场的磁通密度后，利用叠加原理，即可得到气隙的合成磁通密度

在两极之间，由于气隙的磁导率与永磁体的磁导率很接近，因此磁通密度B_i（x）并不会急剧减小，而是仍随x的增大而上升，只是由于气隙磁导率比永磁体磁导率稍低，B_i（x）的增长要稍缓慢一些。

图4-11 涡流磁动势和感应磁场分布

由于涡流去磁效应的存在，随着缓速器转速的升高，涡流磁动势不断增强，气隙磁场将有所减弱，所以制动力矩不随转速的升高而线性增大。涡流磁场要经过磁导率接近空气的永磁体，因此对气隙磁场的去磁效应影响并不大。但是涡流磁动势直接作用在永磁体上，特别是产生去磁效应一侧磁极的极尖处，此处涡流磁动势最大，容易使永磁体产生不可逆退磁。因此，需要进行最大去磁时工作点的校核计算。

而对于电涡流缓速器来说，涡流磁场经过铁磁性材料的铁心闭合，对气隙磁场有很大的影响，引起较大的气隙磁场畸变和去磁效应。这也解释了图4-22中，当永磁缓速器在高速范围内工作时，其制动力矩的速度特性较硬，不会降低，而电涡流缓速器制动力矩的速度特性较软。