變頻電機(jī)充檢磁工藝探究及仿真分析

肖勝宇 唐小春 邵珠鑫 高明世

1.廣東省珠海市高速節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

永磁電機(jī)，以其效率高、功率密度大、體積小等優(yōu)點(diǎn)成為電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其依靠著轉(zhuǎn)子磁體充磁后剩磁特性所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)來工作[1,2]。為了發(fā)揮電機(jī)的優(yōu)良性能，除了合理的電磁設(shè)計(jì)外，充磁質(zhì)量對(duì)電機(jī)性能的優(yōu)劣也起著重要作用。對(duì)于永磁電機(jī)，目前充磁方式主要有平行充磁和徑向充磁兩種。平行充磁由于工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、充磁易控制且通用程度高等優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)90年代以前被國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用。近些年，由于工藝技術(shù)的發(fā)展，徑向充磁方式也得到了發(fā)展[3]。文獻(xiàn)[4-6]都對(duì)這兩種充磁方式進(jìn)行了理論研究，認(rèn)為永磁直流電機(jī)，徑向充磁方式氣隙磁通高于平行充磁方式，隨著極對(duì)數(shù)的增加，兩者趨于接近。但充磁質(zhì)量并不僅僅取決于磁化方向，還包括磁化強(qiáng)度、磁化區(qū)域內(nèi)磁密分布等。

文章以150 W永磁電機(jī)為例，對(duì)不同充磁方式進(jìn)行Ansoft仿真，探究不同充磁方式對(duì)氣隙磁密的影響，并闡述了充磁設(shè)備充磁原理、能量選擇、參數(shù)配置、溫度補(bǔ)償?shù)龋Y(jié)合電機(jī)充磁工藝，詳細(xì)研究了提高充磁質(zhì)量的方式，為永磁電機(jī)充磁提供一定的參考意義。

2 充磁原理

圖1 脈沖充磁原理圖

當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，電源對(duì)C進(jìn)行充電，至設(shè)定值u0時(shí)斷開S1，此時(shí)再閉合開關(guān)S2，則電容C與放電回路電阻R（包括線路、線圈等整個(gè)回路的總電阻，且R＞0）和線圈電感L組成RLC震蕩回路。

充磁參數(shù)調(diào)試中最理想的情況為情況2，實(shí)際生產(chǎn)中一般都處于情況1、情況3。情況1中不存在振蕩放電過程，但產(chǎn)生的電流不大，適合矯頑力較低的鐵氧體充磁；情況3中有振蕩放電過程，產(chǎn)生的電流較其他兩種情況都大且脈沖前沿時(shí)間短，但由于存在振蕩，產(chǎn)生反向電流，對(duì)于矯頑力較低的鐵氧體存在退磁的危險(xiǎn)，因而此種情況適合矯頑力高的稀土永磁體充磁。

充磁時(shí)，在轉(zhuǎn)子泵體組件定位完成后瞬間電容開始放電充磁，所以實(shí)際充磁時(shí)間較短，如果電容C過大，非但不能增加放電電流，反而由于L不可調(diào)（線圈設(shè)計(jì)決定），可能導(dǎo)致電流未到達(dá)峰值而轉(zhuǎn)子組件已拔出，而且時(shí)間跨度大會(huì)導(dǎo)致磁頭發(fā)熱嚴(yán)重，影響磁頭使用壽命，因此時(shí)間常數(shù)不能太大。對(duì)于鐵氧體充磁，為使振蕩回路處于阻尼非振蕩放電情況，要求即要求C盡可能大，所以對(duì)于鐵氧體充磁，電容C必須取一個(gè)適當(dāng)?shù)闹担拍苓_(dá)到最佳充磁效果。

3 充磁方向的選擇

目前對(duì)于永磁電機(jī)主要有兩種充磁方式：徑向充磁和平行充磁。平行充磁由于工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、充磁易控制且通用程度高被廣泛使用。而徑向充磁恰恰相反，工藝復(fù)雜、成本高、充磁難以控制、通用性差、適用范圍小，但該方式可得到更大氣隙磁密幅值，磁體利用率高。因此，對(duì)于不同的電機(jī)選用合適的充磁方式，可挖掘磁鋼的潛力，提高永磁材料的利用率，改善電機(jī)性能。兩種充磁方式如圖2所示。

圖2 兩種充磁方式磁化方向?qū)Ρ?/p>

由安培環(huán)路定理可知，磁化長(zhǎng)度為l，矯頑力為Hc的磁鋼磁勢(shì)為：

即磁鋼磁勢(shì)與磁化長(zhǎng)度l成正比。如圖3所示，在磁鋼中心線附近，平行充磁的磁化長(zhǎng)度l大于（在中心線時(shí)等于）徑向充磁方式，在兩邊則小于徑向充磁。因此，平行充磁磁密近似均勻，充磁后鐵芯中不易發(fā)生局部飽和現(xiàn)象，而徑向充磁沿半徑由外向內(nèi)逐漸增加，在磁鋼內(nèi)徑處達(dá)到最大，當(dāng)磁鋼厚度達(dá)到一定值時(shí)，靠近磁鋼內(nèi)徑處鐵芯中易發(fā)生局部飽和，限制了氣隙磁通的增加，從而降低了磁鋼利用率。因而，平行充磁具有更高的氣隙磁密峰值潛質(zhì)，但極數(shù)少時(shí)，磁鋼極弧系數(shù)增大，徑向磁化方向更接近平行充磁磁化長(zhǎng)度，此時(shí)平行充磁方式不一定同時(shí)具有高的氣隙磁通。

圖3 磁鋼磁化長(zhǎng)度隨電角度變化曲線

在保證電機(jī)其他尺寸材料不變的條件下，以150 W永磁電機(jī)為例，建立有限元仿真模型，分析不同磁鋼充磁方式對(duì)氣隙磁場(chǎng)、磁密的影響。仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

借助文本指導(dǎo)低年級(jí)學(xué)生寫話的方式方法很多，都必須將說話寫話訓(xùn)練融入教學(xué)的各個(gè)階段，由易到難、由淺入深，以促進(jìn)學(xué)生愛上寫話，學(xué)會(huì)寫話。

圖4 150 W永磁電機(jī)仿真模型

從圖4可知，平行充磁磁密分布均勻，可提供的磁通大，但漏磁較多，磁鋼利用率低；徑向充磁在極數(shù)多時(shí)能提供很大的磁通，漏磁較少，但局部易發(fā)生飽和，徑向充磁磁密較平行充磁大得多，如圖5所示。

圖5 不同充磁方式下的氣隙磁密比較

平行充磁和徑向充磁提供的氣隙磁密與磁化長(zhǎng)度、極對(duì)數(shù)（影響極弧系數(shù)）及電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)極對(duì)數(shù)高時(shí)，徑向充磁能提供更大的氣隙磁通。此外，兩種充磁方式除了影響氣隙磁密幅值外，還影響氣隙磁密諧波含量、磁鋼工作點(diǎn)及退磁性能。

4 充磁能量參數(shù)的選擇

永磁體要想實(shí)現(xiàn)磁性能最優(yōu)，在選擇好充磁方式的情況下，必須進(jìn)行飽和（或過飽和）充磁，即充磁強(qiáng)度超過飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs，一般是內(nèi)稟矯頑力的3～5倍，實(shí)際生產(chǎn)中，永磁體充磁不可能達(dá)到絕對(duì)的飽和磁化，但必須達(dá)到90%以上。

通常要求盡可能多的能量提供給永磁體本身，因此選取效率η≥90%，由于設(shè)備L、R值已知，則可算出C值，從而算出所需總能量E。

5 磁鋼與轉(zhuǎn)子外表面溫度關(guān)系及檢磁補(bǔ)償

檢磁設(shè)備通過測(cè)定轉(zhuǎn)子外表面溫度來對(duì)磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償，而實(shí)際磁鋼溫度與轉(zhuǎn)子外表面的溫度存在一定的偏差，即便同一時(shí)刻、同一轉(zhuǎn)子，不同磁鋼的溫度也存在不一致性，所以溫度補(bǔ)償只能取大量數(shù)據(jù)的平均值。由于鐵氧體溫度系數(shù)較大，所以尋求轉(zhuǎn)子外表面溫度與磁鋼實(shí)際值之間的關(guān)系對(duì)磁鏈補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性顯得尤為重要。

為弄清磁鋼溫度與轉(zhuǎn)子外表面溫度關(guān)系，實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償，對(duì)150 W永磁電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6和表1所示。

圖6 磁鋼平均溫度與轉(zhuǎn)子外表面平均溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表

目前實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)霓k法主要有兩個(gè)：（1）調(diào)節(jié)測(cè)溫探頭紅外線對(duì)轉(zhuǎn)子表面的輻射率，使所測(cè)溫度接近實(shí)際溫度；（2）尋求磁鋼實(shí)際溫度與轉(zhuǎn)子表面溫度的關(guān)系，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使得補(bǔ)償后的溫度更接近磁鋼實(shí)際溫度。

從表1可知，磁鋼平均溫度與轉(zhuǎn)子表面平均溫度相差5.4℃左右，按生產(chǎn)線正常“熱套→充磁”節(jié)拍，轉(zhuǎn)子外表面的溫度一般在55℃～60℃之間，而磁鋼溫度與轉(zhuǎn)子表面溫度大約相差5.4℃左右，因此，可在檢測(cè)溫度的基礎(chǔ)上增加5.4℃以補(bǔ)償?shù)酱配搶?shí)際溫度。

6 充磁定位偏離角度對(duì)氣隙磁密及氣隙磁通的影響

目前生產(chǎn)線變頻電機(jī)的充磁定位大多由定位銷及副平衡塊定位，如圖7所示，此種定位方式可能由于以下原因而產(chǎn)生定位偏差：（1）平衡塊或定位工裝邊緣尺寸加工偏差；（2）定位調(diào)試偏差；（3）長(zhǎng)期充磁導(dǎo)致工裝偏離。

圖7 充磁工裝及平衡塊定位圖

上述原因都會(huì)導(dǎo)致充磁方向偏離磁鋼中心線，進(jìn)而影響氣隙磁密，磁體工作點(diǎn)，退磁電流，進(jìn)而影響電機(jī)性能。為闡釋平行充磁時(shí)，充磁角度偏離對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響，以150 W永磁電機(jī)為例進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖8所示。

圖8 偏離角度對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響

從圖8可以看出，平行充磁時(shí)，磁鋼與中心線保證絕對(duì)平行，此時(shí)充磁的磁密最大，隨偏離角度的增大氣隙磁密、磁鏈值減少，且隨角度的增大，減少程度增加。因此，應(yīng)采取有效的措施，以保證充磁工藝中磁鋼與中心線的偏離角度盡可能的小。首先，應(yīng)提高平衡塊與定位工裝的加工精度，以保證工裝尺寸偏差較小；同時(shí)在定位時(shí)，保證不要產(chǎn)生較大的定位偏差；最后要定期進(jìn)行工裝偏差測(cè)量，避免在使用過程中工裝發(fā)生位移。這樣就可以盡可能地減小工裝偏差導(dǎo)致的充磁質(zhì)量問題。

常用生產(chǎn)辦法是采用轉(zhuǎn)子鐵芯上開制充磁定位孔，進(jìn)入充磁工位時(shí)，工裝會(huì)軸向移動(dòng)，定位銷插入充磁定位孔，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，角度誤差可控制在1度以內(nèi)。

7 充磁時(shí)轉(zhuǎn)子偏心對(duì)充磁的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)子裝配電機(jī)偏心，獨(dú)立后充磁放置偏心是客觀存在的，偏心距離大小與電機(jī)設(shè)計(jì)加工精度、工裝設(shè)備的精度有較大關(guān)系。結(jié)合150 W永磁電機(jī)實(shí)際可能存在的偏心值0～0.2 mm范圍進(jìn)行充磁仿真分析，采集了一極下的氣隙磁密情況，如圖9所示。

定子偏心和轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的情況不同，圖9以定子偏心為例，舉例講解氣隙變化情況。數(shù)據(jù)顯示會(huì)導(dǎo)致局部磁密變大，局部下降，氣隙產(chǎn)生2階不平衡力。生產(chǎn)如果能夠保證在0.1 mm以內(nèi)的偏差，對(duì)噪聲振動(dòng)的影響較小，偏差過大會(huì)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)、壽命等方面的問題。

圖9 偏離距離對(duì)氣隙磁密的影響

8 結(jié)論

文章以150 W永磁電機(jī)為例，結(jié)合Ansoft仿真與測(cè)試，研究了不同的充磁方式、磁鋼與轉(zhuǎn)子外表面溫度關(guān)系以及充磁定位偏離角度對(duì)電機(jī)氣隙磁密及氣隙磁通的影響。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，平行充磁具有磁密分布均勻、磁通大、漏磁多和磁鋼利用率低的特點(diǎn)，而徑向充磁具有極數(shù)多時(shí)磁通大、漏磁少和鐵芯局部易飽和的特點(diǎn)；檢磁補(bǔ)償時(shí)，轉(zhuǎn)子表面溫度與磁鋼溫度有差異，會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償偏差；充磁工裝的偏差會(huì)導(dǎo)致充磁方向偏離磁鋼中心線，進(jìn)而影響氣隙磁密。因此，要提高充磁質(zhì)量，應(yīng)采取以下措施：

（1）根據(jù)不同的電機(jī)，選擇合適的充磁方式，合理利用平行充磁和徑向充磁的特點(diǎn)；

（2）需進(jìn)行飽和或過飽和充磁，以實(shí)現(xiàn)永磁體磁性能最優(yōu)；

（3）在工藝上，需加大冷卻風(fēng)道冷卻量，盡量使轉(zhuǎn)子熱套后的溫度較低，并探究測(cè)溫時(shí)轉(zhuǎn)子磁鋼溫度與外表面溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)補(bǔ)償；

（4）在能達(dá)到加工工藝的情況下，盡可能地增加平衡塊和定位工裝的加工精度，以減小磁阻力矩的沖擊所導(dǎo)致的充磁定位偏差。