压缩机用直线振荡电机防失磁设计研究*

0 引 言

由于烧结钕铁硼永磁材料具有高矫顽力、高磁能积以及线性退磁曲线等优异的磁性能，相对于传统的电励磁电机，采用钕铁硼材料的稀土永磁电机重量尺寸更小，更加高效节能。但是，钕铁硼材料也有热稳定性较差的缺点，磁性能随温度的升高而降低，甚至发生失磁[1]，这成为制约钕铁硼材料在电机中应用的一个主要因素。

幼儿的可塑性很高，多动爱玩，但是动手操作技巧和动作协调能力都比较差，因此，幼师应当立足欲幼儿的身心发展特征，对他们多动爱玩的天性进行疏导和拓展。具体而言，教师当积极地组织幼儿实践活动，注重对幼儿动手操作技巧和动作协调能力的培养。

采用动磁式直线振荡电机驱动的直线压缩机在封闭的机壳内运行，由于压缩气体做功以及电机的铜损、铁损、机械摩擦等各种损耗转化为热量，机体会处于温度较高的环境中。同时，电机的绕组中通以交流电工作，所以研究钕铁硼材料在高温和交变电磁场共同作用下的退磁规律，对于完善直线振荡电机的设计理论、保证压缩机稳定运行，有着重要的意义。目前，对于旋转式永磁电机所用永磁体的结构设计，已经有了一定的经验和计算公式[2-6]。林岩[7]针对永磁旋转电机运行过程中出现的高温失磁现象，对永磁材料的性能状况、合理选择以及磁性能对电机设计的影响等技术问题进行了研究，总结了永磁旋转电机防失磁的合理措施；李桂银[8]利用有限元法求解了动圈式直线压缩机的电磁-机械-热多场耦合模型，分析了压缩机稳定工作时压缩机内部的温度场分布以及压缩机性能与温度的关系。

本文将针对钕铁硼永磁材料在Redlich型直线振荡电机中的退磁规律以及结构设计等问题进行研究，以确保直线压缩机能够安全运行，避免发生失磁。

1 动磁式直线振荡电机结构及工作原理

本文用于驱动压缩机的圆筒形直线振荡电机为Redlich型，电机的轴对称结构如图1所示。

  

图1 直线振荡电机的轴对称结构示意图a—永磁环的轴向长度；b—永磁环的径向充磁厚度；l—内、外磁轭间气隙的轴向长度；c—内、外磁轭间气隙的径向厚度；g1—永磁环与外磁轭的径向间距；g2—永磁环与内磁轭的径向间距；D1，D2，D3—厚度分别为g1、c、g2的环形气隙的中间层直径；D4—永磁环的中间层直径；e—外磁轭线圈槽的开口长度

电机结构分为定子和动子两部分，定子包括绕组线圈和内、外磁轭，动子主要为钕铁硼永磁环。动子与电机外部的谐振弹簧组成一个振动系统。在线圈中产生的交变电磁场的作用下，永磁环产生轴向的电磁力。当电磁场的频率与振动系统的固有频率相近时，振动系统发生共振，使动子沿对称轴方向做直线往复运动。

2 永磁体最佳工作点准则的修正

为充分利用永磁材料，永磁电机设计理论的最佳工作点准则要求：永磁体的负载工作点应位于其退磁曲线上磁能积最大的地方，对钕铁硼材料来说，就是矫顽力曲线的中点。在直线压缩机的设计中，还必须要考虑到钕铁硼材料的高温稳定性问题。黄浩[9]研究了钕铁硼材料表面的磁感应强度在交变的磁场作用下的变化情况，表明在交变频率400 Hz以下的磁场中，如果钕铁硼材料的工作点不超过其退磁曲线的拐点，则材料的磁感应强度在移除磁场后并不会发生退变。本文的直线振荡电机采用50 Hz民用电供电，所以对以往的永磁体设计准则作出以下修正：如果永磁体在工作温度下的退磁曲线上有拐点，则需要校核其最大去磁工作点位置，以确保当电机通以最大电流时，永磁体的最大去磁工作点要高于其拐点位置，即：

Hm≥HcK

(1)

式中：HcK—退磁曲线上拐点的磁场强度；Hm—永磁体最大去磁工作点上的磁场强度。

Brown&Levinson(1987)的礼貌与面子观认为，礼貌的基础是“面子”，面子是个体的自我体现。交际中，为了礼貌起见，人们会尽量避免或减少伤害面子行为的数量和程度，具体表现为以下几种礼貌策略：“直接性策略、积极礼貌策略、消极礼貌策略、间接性策略和放弃实施威胁面子行为。”[5]与Brown&Levinson的礼貌框架相对应，Culpeper(2005)的不礼貌框架也包括五大类策略[6]：

3 永磁体最大去磁工作点的确定

通过采用磁路分析法推导求得永磁体最大去磁工作点的数学表达式，可以定性地说明永磁体的去磁工作点与电机的结构参数、材料性能参数之间的关系。首先本研究忽略漏磁通，将直线振荡电机内的电磁场简化为磁路模型，再利用磁路分析法列出磁路方程[10-11]，对交变磁场环境中永磁体的工作点进行分析。施加在永磁体上半部的磁场强度Hm为：

 

(2)

式中：i—线圈内的电流；N—线圈的匝数；μr—永磁体的相对磁导率；Hc—永磁体的矫顽力。

其他结构参数定义参见图1。

式(2)表示的是永磁体在电机工作过程中磁场强度振荡变化的范围。当电流i为最大时，磁场强度也为最大值，则此数值就是永磁体上半部的最大去磁工作点。通过对式(2)的分析，可知：

(1)式(2)右侧的第一项为永磁体的去磁工作点振荡变化的振幅，由安匝数Ni和内、外轭铁间的气隙宽度c所决定，第二项为永磁体去磁工作点振荡变化的平衡位置，由矫顽力Hc和两个比值b/c、(l-a)/(l-e)所决定；

(2)比值b/c越接近于1，则永磁体的抗去磁能力越强，因此，采取增大永磁体厚度b、减小轭铁间的气隙宽度c的措施，可以显著提高电机的抗去磁能力；

同理，以“功能结果”“社会结果”“心理结果”“成本结果”为自变量，分别以“安全感”“生活品质”“人际交流”“成就感”“自我价值”“娱乐兴趣”“归属感”为因变量进行线性回归分析，以性别、年龄、学历、收入、职业、旅游方式这6个题项为控制变量。使用“逐步法”(Stepwise)，以P≤0.05为自变量选入标准，以P≥0.10为自变量剔除标准建立回归模型。调整R方>0.4，表明回归模型拟合度较高，P<0.05表示变量之间显著性强。标准化回归系数如表所示，可以发现结果层的4个因子与目的层的“娱乐兴趣”“归属感”两个因子的模型拟合度低，且无显著相关性(如表9所示)。因此，剔除这两项因子。

利用电磁场的有限元法，可以更精确地对电机所用永磁材料的抗去磁性能进行计算。永磁环由12片磁瓦拼接而成，因此，取电机结构的1/12建立静态电磁场有限元模型进行分析。当动子位于静止平衡位置时，有限元法计算所得1片磁瓦上的磁场强度分布云图如图2所示。

  

图2 最大去磁情况下永磁体的磁场强度分布

直线压缩机的失磁实验测试系统配置如图4所示。

2) 搅拌头偏置铝侧1 mm时，焊缝断口存在呈周期性排列的“片层饼”状结构，相邻的间隔大约为1 mm。搅拌头偏向镁板1 mm时，焊缝存在大量孔洞和丝状拉拔结构。

由表2可知：在110℃的温度下，40M、40H和40SH的最大去磁工作点均低于其拐点位置，会发生失磁故障。虽然40SH牌号的最高工作温度参数为150 ℃，但在110 ℃下也会失磁。这说明仅根据最高工作温度这一参数，并不能保证永磁材料在温度低于最高工作温度时就一定安全。38EH和40UH具有更大的内禀矫顽力，温度稳定性更好，则不会失磁。因此，本文可以选用40UH或38EH来制造电机。

4 永磁体高温下性能参数的确定

钕铁硼材料的退磁曲线有两条：矫顽力曲线和内禀矫顽力曲线，如图3所示。

  

图3 烧结钕铁硼不同温度下的退磁曲线示意图Br0—20 ℃时的剩磁；Hc0—20 ℃时的矫顽力；HcJ0—20 ℃时的内禀矫顽力；HK0—20 ℃时的临界场强；HcK0—20 ℃时的拐点处场强；Brt—温度t时的剩磁；Hct—温度t时的矫顽力；HcJt—温度t时的内禀矫顽力；HKt—温度t时的临界场强；HcKt—温度t时的拐点处场强；Hct—当退磁曲线有拐点、温度t时的计算矫顽力

（1）优化数据信息的获取方式是充分挖掘与利用数据价值的重要基础，能够逐步实现信息获取方式的智能化，不断提升数据质量、完善数据资源种类。随着科技水平的不断提高，无人机以及遥感等新型技术也日趋成熟。电网规划设计部门可以利用遥感技术直接获取数据，再根据具体的需求来绘制平面地图或3D地图，与直接获取卫星地图相比，这一方法可以提高原始数据的精确度并实现数据的充分利用。

本研究利用以上方法，对40M、40H和40UH等多种牌号的钕铁硼材料进行热稳定性分析，判断其在温度t=110 ℃、电流i=1.43 A的工作环境下是否会失磁。电机的各个结构参数分别为：绕组匝数N=700圈，永磁体长度a=28 mm，永磁体厚度b=1.5 mm，气隙长度l=50 mm，气隙宽度g1=0.6 mm，g2=0 mm，线圈槽的开口宽度e=3 mm。钕铁硼材料的内禀矫顽力温度系数α(HcJ)为-0.6%/K，剩磁温度系数α(Br)为-0.11%/K。

通过IWRAP MKII软件计算出厦门港2016年碰撞事故数并与实际发生的碰撞事故数进行对比，其差值越小，代表越接近实际情况，验证选择的交通流数据的分布函数曲线与实际交通流数据分布的拟合程度越高，使用IWRAP MKII计算船舶碰撞和搁浅的次数与实际更相符，即软件评估风险的准确性越高。

(1)钕铁硼材料的相对磁导率μr几乎不随温度而变化，近似等于20 ℃室温下的相对磁导率；

(2)不同温度下，钕铁硼材料内禀矫顽力曲线的矩形度几乎不变，近似等于20 ℃室温下的矩形度。矩形度用q表示，q=HK0/HcJ0；

(3)不同温度下，钕铁硼材料拐点处的场强HcK均近似等于临界场强HK。

基于以上3个近似，在没有精确的高温退磁曲线的情况下，可以利用钕铁硼常温下的磁性能参数间接推算高温下的临界磁场强度HKt、拐点位置HcKt等性能参数。通过推算，可得工作温度为t时，永磁体剩余磁感应强度为：

Brt=1+α(Br)(t-t0)Br0

(3)

内禀矫顽力：

HcJt=1+α(HcJ)(t-t0)HcJ0

(4)

如果存在拐点，分析时需要用计算矫顽力Hc代替矫顽力Hc：

 

(5)

拐点处的场强HcK约等于临界磁场强度HK：

HcKt≈HKt=q1+α(HcJ)(t-t0)HcJ0

(6)

式中：t—工作温度；t0—室温20 ℃；α(Br)—剩磁温度系数；α(HcJ)—内禀矫顽力温度系数；μ0—空气磁导率；μr—永磁体的相对磁导率。

其他参数见图3。

(4)智慧城市感知价值对智慧城市市民满意度的影响路径(H8)、智慧城市感知质量的影响路径(H10)、智慧城市预期的影响路径(H11)都得以验证，都呈现正相关且是显著的。智慧城市感知价值对智慧城市建设满意度的影响最大，其中，功能性价值、社会性价值与情感性价值对感知价值的影响最大；智慧城市感知价值对智慧城市感知质量的影响路径系数为0.144，对智慧城市预期的影响路径系数为0.156，说明影响感知质量和预期的共同影响因素是感知价值，市民对智慧城市的感知价值越大，越能提高市民对智慧城市的感知质量并且满足市民期望。

式(3～6)可用于高温下钕铁硼材料磁性能的估算，从而能够对材料的热稳定性进行分析。

5 直线振荡电机中钕铁硼失磁的判定

由图1电机结构可知：c=b+g1+g2，将式(2，5，6)代入式(1)，可以推得高温环境下Redlich型直线振荡电机中钕铁硼材料是否失磁的判定公式：

H′ct≥q[1+α(HcJ)(t-t0)]HcJ0

(7)

式(7)表明了安匝数Ni、钕铁硼的充磁方向厚度b以及其他电机结构和性能参数之间的制约关系，对于后续的电机结构优化设计，可以作为一个必要的、避免电机失效的安全约束条件。

6 热稳定性分析和选择算例

对于具有高血压等基础疾病患者控制好血压，对照组患者采取血塞通治疗：250ml 5%葡萄糖溶液（无糖尿病患者）或0.9%氯化钠溶液（糖尿病患者）加入400mg注射用血塞通中，多患者静脉滴注治疗，每日1次。观察组在此基础上加入复方丹参滴丸：10丸/次，3次/d，治疗15d为一个疗程。两组患者均治疗一个疗程，治疗结束后比较临床疗效。

几种不同牌号的材料在20 ℃室温下的矫顽力Hc、内禀矫顽力HcJ、剩磁Br、矩形度q、最大磁能积(BH)max和最高工作温度Tmax等磁性能参数如表1所示。

 

表1 各种牌号钕铁硼材料的磁性能参数

  

牌号Br/THcJ/(kA·m-1)Hc/(kA·m-1)q(BH)max/(kA·m-3)Tmax/(℃)40M1.28-1024-9630.93312≤10040H1.29-1354-9960.95319≤12040SH1.29-1593-9080.95319≤15040UH1.27-2027-9920.96313≤18038EH1.26-2389-9080.96303≤200

利用式(1～7)计算可得以上各种材料在110 ℃温度下的剩磁Brt、拐点处场强HcKt、计算矫顽力Hct、最大去磁能工作点场强Hm等数据，计算结果如表2所示。

 

表2 各种牌号钕铁硼材料的分析计算结果

  

牌号Brt/THct/(kA·m-1)Hm/(kA·m-1)Hckt/(kA·m-1)Hm>Hckt40M1.15-873-822-438否40H1.17-881-828-592否40SH1.17-881-828-696否40UH1.15-868-819-895是38EH1.14-861-814-1055是

在网络教学中，网络教育资源相当丰富，学生在选择资源时往往较为盲目，如何在海量的教育资源中帮助学生进行筛选，使其更符合学生的发展水平及实际的需要，这就需要教师的组织和引导，比如找出哪些信息是学生最需要的，哪些信息对教学科研更有价值可以利用，并对信息资源进行创造性地运用，培养学生通过对网络资源的利用获取自主学习能力，这是在“互联网+”时代下我们所有教育工作者面临的一项重要挑战。

7 实验及结果分析

在同样的计算条件设置下，利用有限元法与磁路分析法计算得到的最大去磁工作点数值相近，有限元法计算值略高于磁路法5%左右，因此，在根据磁路法的计算值来设计永磁体厚度时，需要留有一定的余量。

  

图4 压缩机失磁实验测试系统示意图

失磁实验的目的是检验不同牌号的钕铁硼在压缩机的设计工况条件下，是否会发生失磁。实验利用可调节的变频变压电源为压缩机供电，并通过气阀调节排气压力，使得压缩机在电流有效值为1 A、排气压力(表压)为0.5 MPa的工况下稳定工作。此时，压缩机的输入电压为188 V，功率为120 W。失磁实验过程如下：

(1)分别利用40M和40UH两种牌号的钕铁硼制造电机动子，实验前在室温下里利用HT20型特斯拉计测量每片磁瓦外表面中心的磁感应强度B；

(2)直线压缩机分别安装不同的动子，并置于密闭机壳内，以空气为压缩介质，在设计工况下稳定运行1 h；

鉴于这些传闻，外部股东一致否决了魏银仓个人开发产业园地产的要求。卢春泉甚至直斥魏银仓“就知道搞他那点房地产”。

(3)压缩机停机后完全冷却至室温，拆卸动子，再次测量磁瓦表面的磁感应强度B，并与实验前的初始测量值作对比。

测试结果如下：失磁实验前，12片40M磁瓦的表面磁感应强度的初始测量值在85 mT～90 mT之间，40UH的表面磁感应强度的初始测量值在80 mT～85 mT之间；实验后，40M的表面磁感应强度在40 mT～50 mT之间，下降了50%左右，而40UH的表面磁感应强度则没有明显变化。

实验结果表明：在设计工况条件下，40M发生了严重的失磁，不能满足直线压缩机的设计要求；而40UH没有发生明显的失磁，适于制造电机动子。实验结果与前文算例的计算结果相一致，说明本文的防失磁设计方法是有效的。

由于实验条件所限，实验未能对实验中永磁体的自身温度和周围的环境温度进行精确测量，且仅对2种牌号的钕铁硼进行了验证。根据经验，功率相近的旋转式冰箱压缩机机体温度在100 ℃～110 ℃左右，本文实验和计算以该温度值作为参考依据。今后有待于进一步完善实验条件，以便能够更精确地对理论计算和实验结果进行分析对比。

(3)比值(l-a)/(l-e)越大，则永磁体的抗去磁能力越强，由于永磁体轴向长度a已经由动子行程所决定，可以通过增大气隙轴向长度l、减小绕组槽开口尺寸e的措施来提高电机的抗去磁能力。

8 结束语

本文针对Redlich型直线振荡电机中所用烧结钕铁硼材料的防失磁问题进行了研究：

(1)根据烧结钕铁硼材料在高温下的退磁特性，对传统的永磁体设计准则—最佳工作点准则进行了修正；

(2)利用磁路分析法得出了永磁体在工作温度下的最大去磁工作点的数学表达公式，并定性地分析了电机的各个结构参数对工作点的影响；

(3)利用永磁材料常温下的性能参数推算了永磁体在高温下的性能参数，为正确地选择钕铁硼材料的牌号，防止高温失磁提供了数值依据；

(4)推导了Redlich型直线振荡电机中钕铁硼材料在高温下是否失磁的判定公式，为电机的结构设计和优化提供了一个必要的安全约束条件；

(5)对两种牌号的钕铁硼材料进行了失磁实验，实验结果与理论分析计算结果相一致，说明本文的防失磁设计方法是有效的。

参考文献(References):

说我是“外行”的，是位日本学者.猜度他所要表达的本意应该是“行外”——身居“中医”阵营之外，既不受“行规”的约束，又能接触到一些科学史界的良师益友.这一点的确非常重要，多年来自然科学史研究所的前辈、老师、同仁使我受益良多.这片土地，使我能从中医外看中医，所以也就养育了一个多少有点味道的“另类”.——我就是我，这就是B型血的我.

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磁性能随温度t的升高而降低，当温度t升高到一定程度时，矫顽力曲线上甚至会出现拐点，矫顽力曲线由近似于直线变为折线。永磁材料生产厂家往往不会直接提供出电机工作温度下的磁性能曲线。但是，大量对钕铁硼材料磁性能的实验测试结果表明[12]：

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风影一直离群索居，几乎不与村民们来往，独来独往的他看上去总是一副心事重重的样子。红琴的面孔倒是逐渐丰润起来，那种知足常乐的样子，乍一看根本看不出她过去有什么伤痛的经历与未来有什么美好的梦想。有时候，他会朝山坡上那个迷蒙的地方看，有时候风和日丽，有时候云雾缭绕，他一看就是大半天。红琴见了就开玩笑，和尚，你的灵魂是不是还丢在那间破庙里，如果你还想出家去当和尚，那就尽管去，这回你要是想受戒，就尽管让那老和尚拿香火烫，我绝不拦你。风影有些恼火，但也没有发作，只在心底里骂了一声鬼女子，便悄无声息地走开了。

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解决林业资源管理中存在的问题，提高对林业资源管理的工作效率，还需相关部门根据当地林业资源的实际情况，完善相关管理制度。管理制度的完善对林业资源的管理有着十分重要的作用。通过完善相关管理制度，在一定程度上明确管理方向，综合考察当地林业资源的现状并对其进行评估，确定其未来发展方向，使管理制度与林业发展实际需求相适应。在落实林业资源管理工作的过程中，应充分了解相关工作人员所擅长的领域，将工作高效落实。

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