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1、充磁技术探讨 永磁直流电动机的充磁技术设计探讨 摘 要： 概括叙述了永磁直流电动机充磁的重要性、基本要求和充磁能量的产生；着重从充磁能量的确立、充磁设备的选择、充磁夹具的设计和充磁参数的匹配等四个方面探讨了永磁直流电动机的充磁技术设计。 一 永磁直流电动机的充磁技术设计概述 永磁直流电动机是依靠转子磁体充磁后的剩磁特性而产生气隙磁场来工作的。为了获得所需性能的永磁直流电动机产品，除了合理的电磁设计外，其充磁质量即磁化极区的宽度、磁化极区的磁密分布、磁化方向及磁化强度等，对电机性能有极大影响。换言之，即使采用磁能积较高的磁体，若充磁不当其电机性能也不一定好；反之，若采用磁能积稍差的磁体，而充磁得
2、当也可弥补磁体本身的不足，使电机达到较好的性能指标。因此，永磁直流电动机合理的充磁技术设计是提高与改善其性能的重要设计方法之一。 1永磁直流电动机充磁的基本要求 永磁直流电动机的不同用途要求有不同的性能，不同的性能取决于电机内部的电磁结构参数，在磁参数方面即要求有不同的气隙磁场分布形状，如对纯出力驱动用的永磁直流电动机，则其性能要求有较高的输出功率与效率，故此类电机内部气隙磁场分布应采用等于或稍大于2/3极距的平顶波，从而提供尽量大的磁通，使电机有较大的电磁力矩。又如对用于振动小、噪声低、火花小，而在输出功率与效率要求不高的永磁直流电动机，其内部气隙磁场分布应采用小于1/3极距的平顶波或正弦波
3、，以保证此类电机的适用性。欲获得不同分布形状的气隙磁场波形，不仅与合理设计磁体结构形状和选取磁体的磁性取向有关，而且还与磁体的磁化方式即充磁技术设计有关。故永磁直流电动机对其充磁有以下基本要求： 具有足够的磁化区域强度； 具有合理的极区磁密分布波形； 具有达到预定的极区分度精度； 具有适应所需批量的生产效率； 具有一定的使用寿命； 具有操作安全可靠。 2永磁直流电动机充磁能量的产生 永磁直流电动机磁体充磁是通过外加磁场的磁化作用而实现的。外加磁场是由充磁电源与充磁夹具来产生的，通常充磁电源有直流式与电容放电脉冲式两种。 直流式充磁装置是由电磁铁和直流电源构成。直流电源目前有四种形式即直流发电机
4、、硒整流器、硅整流器和电池组。电磁铁间隙磁场强度一般在2万Oe左右，特殊的可达3万Oe 至5万Oe。但是，对于矫顽力很高的稀土与铁氧体磁体充磁，在工业生产中采用大功率直流式充磁装置既不经济又不方便，因此目前工业上广泛采用电容放电脉冲式充磁电源。 电容放电脉冲式充磁装置主要由整流器、储能电容器、充磁夹具与放电触发开关等构成。高压脉冲电容器电容量的选定及其工作状态（电压、夹具）的确定决定了脉冲磁化电流的主要参数值。如上海微电机研究所制造的高压脉冲充磁机在单匝多极充磁时脉冲磁化电流的参数为：脉冲前沿（0.040.10ms） 峰值电流（2000080000A） 脉宽（0.120.25ms）反峰电流（/
5、 =10%50%）二峰电流（>） 1 在特殊情况下，还可用产生超导磁场来对磁体进行磁化，即用超导材料绕制螺线管，降温至超导临界温度以下，超导导线可通入极大电流，一般产生的磁场强度可达到5万Oe以上，甚至可达到20万Oe左右。 二 永磁直流电动机的充磁技术设计 永磁直流电动机的充磁技术设计包括充磁能量的科学确立、充磁设备的适用选择、充磁夹具的合理设计与充磁参数的恰当匹配等四个方面。 1充磁能量的确立 1.1材料饱和充磁的计算充磁能量 永磁材料磁化达到饱和所需的计算充磁能量E为 E?1 2?0HsV2 式中： o 真空磁导率 Hs 材料饱和磁场强度 V 材料磁体的体积 以SmCo5稀土磁体为
6、例，其饱和磁场强度Hs=4000KA/m,E/V=1.010J/m；另外在脉冲充磁 时还有线路损耗、磁路损耗及磁轭与磁体本身的涡流损耗，因此欲使永磁体充磁到饱和所需外磁场的充磁能量是相当大的。 1.2材料工业充磁的工程充磁能量 在稀土永磁问世之前，对永磁体充磁就是将该磁体磁化到饱和。但实践发现很难使SmCo5磁化到饱和，有人做过这样的实验，将SmCo5放在7万Oe以上的超导磁场中磁化，然后测其磁特性磁滞回线仍是十分不对称的，这说明7万Oe以上的外磁场并未使SmCo5永磁体达到饱和磁化。但实验发现当外磁场超过1.5万Oe以上SmCo5磁化程度急剧增加，实验证明只要外磁场达到1.8万Oe 以上，就
7、能使SmCo5磁体磁化到90%以上。因此，在工业生产中，对永磁体充磁并不追求绝对的饱和磁化，只要充磁装置的充磁能量能将永磁体磁化到它的饱和磁场强度的Hs的90%以上即可。按此原则，不同的永磁体有不同的充磁磁场强度最低值，下表给出了不同永磁材料最低充磁磁场强度的实验数据。 73 以上实验数据与电机行业中通常认为的永磁直流电动机的充磁磁化强度，一般为其永磁体的内禀矫顽力Hcj的三倍以上是基本一致的。如文4认为粘结NdFeB磁体的内禀矫顽力为640KA/m(8000 Oe)1200 KA/m(15000 Oe),欲对其充磁必须建立外磁场强度为2400KA/m(30000 Oe) 4800 KA/m(
8、60000 Oe)的磁化区域。 1.3工程充磁能量的实用确定法 2 在实际工程中一般充磁设备与充磁夹具已具备，此时充磁能量的确定通常采用数学上的逼近法，即进行工程实际充磁、测绘充磁后磁场分布曲线与简单计算相合的方法，具体操作程序见本文4.2节。 2.充磁设备的选择 充磁设备的选择依据是前述的永磁直流电动机充磁基本要求，其中最重要的是要有足够的充磁能量。在工业上通常选用电容放电脉冲式充磁设备，它与充磁夹具相匹配能较好的满足工程充磁要求。对于电容放电脉冲式充磁设备充磁能量选择应满足下列基本关系： Ac=E'+Ar+ A hr +Aw 式中： Ac=1/2Cu2 脉冲磁机能量 E=1/2o（
9、 Hs） V充磁到磁体饱和值90%以上所需能量 Ar 充磁装置线路损耗 A hr 充磁装置磁路损耗（磁滞损耗及后效损耗） Aw 充磁装置回路磁轭与磁体涡流损耗 Hs 磁体饱和磁场强度的90% u 充磁机电压 C 充磁机电容器电容量 目前，在工业上对稀土永磁材料充磁多采用高压电容放电脉冲式充磁机，这种充磁设备在我国最早起源于中国科学院电工所，以后各大专院校、研究所相继进行了研制现已成为商品。 3.充磁夹具的设计 充磁夹具是电机充磁装置中的关键部件，充磁机储存的电能只有通过它才能转化为磁能，从而实现对电机磁体充磁磁化并获得预定的充磁效果。 3.1充磁夹具设计的技术要素 充磁机电源形式，是直流式还是
10、脉冲式； 磁体充磁的极数，是两极还是多极； 磁体充磁装配状态，是装配后充磁还是装配前部件充磁，是内充磁还是外充磁； 充磁夹具极头与被充磁磁体表面间距要小； 充磁夹具极头的形状应满足电机气隙磁密波形分布要求； 充磁夹具导线截面大小应能承受充磁最大脉冲电流值； 充磁夹具导线与被充磁磁体间要有良好的绝缘； 充磁夹具的磁路材料要合理选择，对脉冲充磁最好选择表面带绝缘的片状材料叠压成磁轭，从而减小涡流损耗； 充磁夹具导线线圈应埋入环氧材料中成形固定，从而克服由于线圈受到巨大电磁冲击力而变形； 充磁夹具的电磁参数要与充磁机的电磁参数匹配。 3.2脉冲磁化场内充磁夹具的设计 在采用电容放电脉冲磁化磁场内充磁
11、时，欲取得所需气隙磁场分布形状，应合理设计充磁极头的形状与中心角度，为了叙述方便现以两极铁氧体磁体的充磁夹具极头设计为例。通常实现此充磁的充磁夹具极头的设计有I型充磁极头、H型充磁极头和双半圆型充磁极头几种设计形状。 其中I型充磁极头被充磁的磁体气隙磁密分布形状，根据充磁能量大小将分别出现尖波、窄的平顶波与马鞍形波，这种气隙磁场分布形状不能提供足够的磁通，故很少采用。H型充磁 3 '''2 极头被充磁的磁体气隙磁场分布形状为马鞍形，马鞍形的宽窄与充磁极头的中心角度和充磁能量大小有关，充磁结果若形成窄的马鞍形则磁体没有充分利用，而若形成宽的马鞍形则对电机产生较大的磁拉力、
12、增大静摩擦力矩并引起振动与噪音，而且使换向变得不利，故亦较少采用。 在工程上，大多采用双半圆型充磁极头如图一所示， 一般采取带磁保护环充磁状态。双半圆型充磁极头是经 过特殊设计的，改变充磁极头表面与磁体内表面间的气 隙，可使气隙磁阻在特定的角度内按某中规律变化，从 而实现用同一充磁极头，只要改变充磁能量，就可获得 近似于正弦波或可控平顶波的气隙磁场分布。下面重点 分析形成正弦波与平顶波气隙磁场分布的双半圆型充磁 极头设计： 形成正弦波气隙磁场分布的双半圆型充磁极头设计 A设计思想 假设充磁后气隙磁场分布为图二所示， 阴影部分 高度在-/2+/2变化，其规律为1-cos。 试想， 若磁场为线性时
13、， 改变磁体内表面与极头表面的气隙， 使其气隙磁阻按1-cos规律变化。 倘能找到适合此种 的气隙变化充磁极头，再以适当的充磁能量充磁，就能 获得正弦或近似于正弦的气隙磁场分布。 B设计分析 充磁极头的形状设计的关键是找出磁体内径、气隙 磁阻间距与极头半径关系。如图三所示，该充磁极头的 中心张角=90，求 X=EF 气隙磁阻间距与极头半径 关系，解三角形OAE 可得： r2 = (R-X)2+h2-2 (R-X)hCOS 式中： R 磁体内径 r 极头半径 H 极头圆心A与极头圆心O距离 OA与OEF 夹角 将上式经整理三角形OAE解析得： X 2 ?2?hcos?R? R 2 ?r 2 ?h 2 ?hcos? ?0 解析得 X21.2?(hcos?R)? h(cos?1)?r 2 ? X ? h2 cos 2 1.2 ?R?hcos?2Rh? R 2 上式为一超越函数，当h= R/2时，根号内可以解出，此时得： ?r?R?h 图二 图三 4 图一 X 1.2 ?R?hcos? R2 cos? X1= R X2= R-RCOS 解出的X1= R
