外轉子型永磁同步電機用鐵氧體多極磁環的研制

呂歡劍，郭德森

(1.杭州史賓納科技有限公司，杭州 311307；2.中國電子科技集團第28研究所，南京 210007)

0 引 言

永磁同步電機根據轉子位置設計可分為內轉子型與外轉子型，外轉子型永磁同步電機轉子在外，定子在內，既具有永磁同步電機定子勵磁電流小，力能指標高，易于調速，節能效果好等優點;又具有轉動慣量大，散熱能力好，節省銅線，電機效率與輸出功率高等優點[1],在風機、輪轂電機、曳引機等領域廣泛應用[2]。

對于外轉子結構永磁同步電機，其轉子一般需要設計成Halbach永磁陣列結構，這是由于Halbach永磁陣列具有諸多優勢：良好的單邊聚磁效應，可以提高電機的氣隙磁通密度，在永磁體用量相等情況下，提高電機轉矩密度與功率密度；Halbach永磁陣列內部已形成閉合磁路，轉子軛部磁通密度大幅減小，可以降低轉子軛部厚度，轉子內半徑增大，力能指標提升[3]；Halbach永磁陣列強側磁場的磁通密度分布波形呈良好正弦性，優化電機反電動勢波形，降低齒槽轉矩與轉矩波動。這種Halbach永磁陣列主要分為Halbach永磁陣列磁環和拼裝式Halbach永磁陣列，前者是將各向同性磁環或者輻射取向磁環置于多極磁化線圈，運用電容式脈沖充磁機釋放脈沖大電流飽和磁化得到；后者是將磁化方向不同的永磁體按Halbach陣列規律進行拼裝排列得到。

燒結永磁鐵氧體極異方性多極磁環是永磁鐵氧體材料中的后起之秀，其外圓周或內圓周表面磁場呈N、S極交替同軸排列，內部磁矩呈Halbach陣列結構，工作面磁通密度分布具有良好的正弦性，性能價格比高，被廣泛運用于內轉子型永磁同步電機。相比于鐵氧體各向同性磁環與輻射取向磁環，其具有更高的磁性能；相比于拼裝式Halbach永磁陣列，鐵氧體極異方性多極磁環可以省去繁瑣的拼裝過程，永磁同步電機制造難度與成本降低，且具有更優的正弦性氣隙磁密分布波形與反電動勢波形。目前，這類鐵氧體極異方性多極磁環絕大部分用于內轉子型永磁同步電機。對于外轉子型永磁同步電機，需要轉子磁環尺寸大且壁薄，工作面(磁場強側)在內圓，這對燒結鐵氧體工藝是一個挑戰。對于小功率外轉子型永磁同步電機，考慮到制造成本，永磁鐵氧體相比于稀土永磁材料具有很強的競爭優勢，為此，對外轉子型永磁同步電機用鐵氧體極異方性多極磁環的開發顯得尤為必要。

本文基于鐵氧體干法成型工藝，采用粉料預磁化處理、多脈沖磁場取向等技術，研制外徑72 mm、內徑60 mm、高度50 mm的10極高性能鐵氧體極異方性多極磁環。磁環內圓表面磁通密度分布具有良好正弦性，峰值平均值大于0.195 T，搭載該磁環的外轉子型永磁同步電機滿足小功率風機的驅動要求。

1 燒結鐵氧體內轉子與外轉子極異方性多極磁環

1.1 內轉子極異方性多極磁環

燒結鐵氧體內轉子多極磁環工作面(磁場強側)在磁環的外圓面，成型階段需在環形模腔外側施加徑向多極磁場對磁粉進行取向，使其具備各向異性[4]，被廣泛用于永磁電機，極對數可以由1對極到24對極，甚至更多；外徑尺寸可由10 mm以下到70 mm以上，已形成系列產品。表1列出了部分量產的燒結鐵氧體內轉子多極磁環的規格、型號及產品性能。

表1 部分燒結鐵氧體內轉子多極磁環規格

1.2 外轉子極異方性多極磁環

燒結鐵氧體外轉子用多極磁環的工作面(磁場強側)在磁環的內圓面，最初主要通過等方性(各向同性)磁環或輻射取向磁環配合得當的多極充磁技術獲得。等方性磁環工藝簡單，但性能低，大大限制其應用；輻射取向磁環可以輻射狀充磁，也可以根據需要徑向多極充磁，但其表面磁通密度波形一般呈方波狀，要獲得表面磁通密度分布正弦波的波形則需要在充磁極頭形狀、充磁能量等方面進行復雜的調整、匹配，且其性能不如徑向多極取向的磁環。

外轉子極異方性多極磁環的成型階段需在環形模腔內側施加多極取向磁場，使膜腔內磁粉定向排列。多極取向磁場設計空間有限，且這類磁環一般尺寸較大、壁薄，開發難度高于內轉子極異方性多極磁環。圖1為內、外轉子極異方性多極磁環結構。

(a) 6極內轉子

2 外轉子多極磁環研制過程

2.1 預磁化粉料制備

將牌號為Y35的鍶鐵氧體一次預燒料進行二次球磨，對二次球磨的料漿進行預磁化處理，在預磁化磁場的作用下，料漿內的單畤顆粒沿磁場方向定向，由無序狀態轉為整齊排列，如圖2所示，排水并烘干得到預磁化料塊[5]。對此料塊進行粉碎、過篩，形成粒徑在0.1～0.7 mm的粉料顆粒，這種粉料顆粒具有良好的流動性、成型性，其內部眾多單畤顆粒取向一致。在磁場成型階段只要使這種粉料顆粒沿磁場方向定向排列就能保證所有單畤顆粒取向基本一致，利于提高取向度。為保證后續成型的潤滑性與粘結性，可適量添加硬脂酸鈣、樟腦等添加劑并混合均勻。

(a) 無序狀態

2.2 多脈沖磁場取向干法成型

外轉子多極磁環一般壁薄，軸向高度大，濕壓成型的抽水系統設計困難且效率低下，難以滿足大批量生產需要。干壓成型無需抽水，效率高，但由于沒有水的潤滑作用，取向程度和磁性能不及濕壓成型。為此，成型階段如何在型腔內側設計足夠高的多極取向磁場成為研制關鍵。

多極取向磁場一般通過電勵磁與永磁體勵磁方式產生，外轉子多極磁環的取向磁場需要在型腔內側產生，其空間有限，難度更高。通過將高性能燒結NdFeB永磁體在型腔內側進行排列組合的方式難以獲得理想的多極取向磁場，磁場強度難以快速調節，成型坯件難以退磁；直流電勵磁方式適用于單方向取向場合，在有限空間內難以獲得高的安匝數，建立的多極取向磁場(靜磁場)不夠大且發熱嚴重。

脈沖磁場具有持續時間短、功耗小、場強高的特點，由電容放電脈沖式充磁電源和多極取向線圈產生，其基本原理如圖3所示，C為儲能電容器組，L為多極取向線圈，U為直流電源，R為限流電阻，K為大功率開關。充電時，K接通A點，儲能電容器組C充電至設定電壓；放電時，K接通B點，儲能電容器組放電，高峰值脈沖電流通過低阻抗、高強度的多極取向線圈，產生強大的脈沖多極取向磁場[6-7]，實現對型腔內磁粉顆粒的定向。單個脈沖電流峰值高，維持時間短，一般在毫秒級，在成型過程難以同時滿足使磁粉顆粒轉動取向并維持取向織構的需要。為此，采用多個脈沖電流組合的方式，脈沖電流間隔在毫秒級，使得磁粉顆粒在型腔內由自然松裝到壓緊的過程中始終受到脈沖磁場的取向作用。

圖3 脈沖磁場產生原理

圖4 取向線圈截面示意圖

2.3 燒結

燒結的目的是使成型好的坯件在低于熔點的高溫作用下，發生固相反應與晶粒長大，形成具有一定強度、密度、幾何尺寸、電磁性能的鐵氧體產品。由于外轉子多極磁環坯件尺寸大且薄壁，為保證燒結收縮均勻、防止燒結開裂與粘連，要求匣缽底部平整，或在坯件與匣缽之間均勻放置氧化鋁粉。燒結采用回轉式電窯，加熱元件為硅碳棒，整個過程分為升溫階段、保溫階段及降溫階段，升溫階段速度不宜過快，保溫階段溫度為1 200 ℃～1 230 ℃，時間2～4 h，坯體降溫至100 ℃以下方可出窯。

2.4 磨制

由于六角鐵氧體晶體長大速率的各向異性，磁環坯件在空間不同方向上的收縮不同，各向異性磁體在平行與垂直于擇優取向方向的收縮量分別為22%和13%。磁環內圓面在成型階段受到N、S極交替同軸排列的多極磁場的取向作用，燒結完成的磁環坯體內圓面收縮成不規則的形狀，如圖5所示。此外，由于成型坯件難以做到各處密度完全一致，燒結后磁環會存在輕微的變形、凹凸、傾斜及翹曲等幾何缺陷，所以需要對其進行磨制，使之達到尺寸精度，滿足裝配要求。磨制過程分為外圓磨，端面磨，內圓磨、倒角、清洗及烘干。外圓磨采用無心磨床，外圓面磨至真圓后作為基準在通過式端面磨床磨制磁環端面，再以外圓面為基準將不規則的內圓面磨至真圓，內圓面的設計磨削余量不宜過大，否則會降低磁環使用性能。磨制完成后的磁環應保證外觀完好，滿足設定的尺寸與形位公差。

圖5 燒結坯體端面輪廓

2.5 多極充磁與性能檢測

2.5.1 多極充磁

多極充磁磁場由電容放電脈沖充磁設備與多極充磁夾具產生[9]，其原理與前述多極取向相同，不予贅述。外轉子磁環充磁需將充磁夾具置于磁環內側，充磁夾具極頭數目與磁環極數相等，極頭中心需對準磁環取向時極頭中心位置。極頭與被充磁磁環內圓面間距盡可能小，且充磁夾具與磁環同軸放置，配合過松、位置不同軸會導致充磁磁路氣隙磁阻增大、各極磁化效果不均勻等問題；磁環位于充磁夾具中部，避免充磁夾具上下端邊緣效應導致充磁效果軸向不均勻。

(a) 充磁電壓300 V

永磁鐵氧體電阻率大，渦流損耗小，充磁時脈沖電流寬度td可比稀土永磁合金更短，相比于改變電容量、充磁極頭匝數、導線直徑等，采用變電壓逼近的方法更為高效合理，如表2所示。

表2 不同充磁電壓的充磁效果

2.5.2 性能檢測

目前，極異方性多極磁環性能測試方法主要包括：

1) 標樣法：采用相同的原料在相同的工藝條件制成標準測試樣塊或者樣柱進行測試，以標準樣塊或者樣柱的性能代表多極磁環的性能。但由于成型階段樣塊、樣柱與多極磁環的取向磁路不同，樣塊、樣柱采用平行磁場取向，多極磁環采用徑向多極磁場取向，因此，簡單地用樣塊、樣柱性能代表磁環性能是不合理的。

2) 取樣法：在磁環成型坯件或者磁環成品上取樣，但由于磁環取向磁路結構的特殊性，取樣法測得的性能亦不能準確代表磁環性能，此外該方法還涉及取樣部位的問題。

3) 測試產品性能(裝機性能)：產品性能主要有表面磁通密度、磁通、裝機的反電動勢等，這種測試方式針對最終的磁環產品，相對直觀、方便。

本文采用磁場分布測試儀對所研制的多極磁環工作面磁通密度分布進行測試，圖7為磁環實物圖，圖8為磁環工作面磁通密度分布波形，波形呈良好正弦性，平均峰值大于0.195 T，最大極差小于0.01 T。

圖7 磁環實物圖

3 結 語

基于燒結永磁鐵氧體外轉子極異方性多極磁環開發難度高于內轉子磁環，且其具有良好的使用價值，本文采用預磁化粉料制備、多脈沖磁場取向干法成型技術，選擇變電壓充磁方法,研制了一款外轉子型永磁同步電機用鐵氧體極異方性多極磁環，其工作面磁通密度分布具有正弦性良好，峰值高，極差小的特點，搭載該款磁環的外轉子型永磁同步電機較好地滿足了小功率風機的驅動要求。整體研制工藝對其他系列多極磁環開發具有一定參考價值。