直流電機切向式轉子充磁性能及其檢測裝置探究

王慶凱 李佳毅 張 玉 陳東鎖

（珠海凱邦電機制造有限公司 珠海 519110）

引言

由于本文從設計理論分析、工藝制造技術研究，對轉子切向式、徑向式轉子磁路結構，進行從設計建模、充磁工藝的性能優劣勢、及其檢測磁極方法的原理以及實驗生產實施進行研究。目的是在不增加成本情況下，使得整機性能提升，達到能效升級。

1 切向轉子充磁性能研究

根據能效需求升級，家電用直流電機結構由轉子結構徑向式8極結構如圖1所示，升級轉子結構切向式10極磁路結構如圖2。徑向式轉子具有漏磁系數較切向式結構小特點。切向式結構中永磁體磁鋼并聯作用，有兩個永磁體截面對氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，在極數增多時更為突出，適用于性能需求更高的應用整機環境。

圖1 徑向式轉子磁路結構

圖2 切向式轉子磁路結構

1.1 切向轉子結構充磁磁路建模分析

通過對切向轉子結構后充磁建模分析。對應充磁磁力線對轉子磁鋼切面有充磁角度，使得充磁能力到磁鋼表面垂直方向充磁能量有一定下降，以及磁鋼夾角底部局部飽和導致磁鋼底部，磁場角度和底部飽和均會影響永磁體磁性能強弱，如圖3所示。因鐵心磁場局部飽和，永磁體表面充磁能量降低，所以后充磁方案，會導致轉子整體性能下降，進而影響電機整機性能提升，因此展開對轉子先、后充磁對比研究。

圖3 切向轉子后充磁磁場分布

1.2 切向式與徑向式轉子充磁飽和度對比

先充磁方案為將磁鋼在插入轉子鐵心前，就已經將磁鋼充好磁，將帶磁的磁鋼再直接放入鐵心形成轉子磁場。后充磁方案為將不帶磁的永磁體磁鋼放入鐵心后，再利用充磁設備進行整體充磁，實現轉子形成磁場。

對比不同轉子結構采用后充磁對性能影響，以此驗證切向轉子的后充磁方案，對應轉子性能理論分析影響一致。同時排除充磁電壓影響，經測試對比確定對應不同轉子結構最優充磁電壓。

1.3 徑向式轉子結構充磁方式確認

通過對徑向式轉子結構理論建模與實驗研究分析，確立了后充磁會使轉子磁性能下降，因此為滿足直流電機能效提升應用需求，確立了先充磁方案，用以滿足電機性能提升，但先充磁涉及磁極帶磁入鐵心防插反質量問題，因此研究適用于切向轉子先充磁檢測裝置，同步保障生產質量。

表1 切向式轉子結構充磁性能對比

表2 徑向式轉子結構充磁性能對比

2 切向轉子檢測原理研究及應用實施

經上述對比分析研究，直接充磁后在將帶磁的磁鋼插入轉子鐵心，形成的轉子磁場強度高于后充磁性能，先充磁磁鋼插入轉子鐵心按下，如圖示4所示，永磁體依次放入轉子鐵心，形成最大轉子磁動勢磁場，從操作上為避免人為或機器失步造成磁極插反，導致磁場性能抵消降低合成磁場強度，因此本文也重點對帶磁永磁體，入鐵心形成的磁極正確防反檢測裝置及原理進行研究、提出方案，并給予解決實施。

圖4 切向轉子結構

2.1 磁性開關原理分析

磁性接近開關工作原理是根據霍爾效應、傳感器等，利用按磁場極性進行檢測，標配的檢測磁極是N/S(霍爾開關的檢測原理主要是針對帶磁性的物件靠近產生產狀態變化，當霍爾開關上面的元件因為磁性物體靠近就會產生霍爾效應，是開關內部的電路狀態產生變化，達到控制開關通電的狀態，如圖5所示。

圖5 磁性接近開關電路圖

磁性物體接近開關或者是遠離開關，霍爾開關都會顯示成為一種固定的狀態，可以根據實際的情況去使用定開關狀態；磁性大小不同的物體可以決定開關的靈敏度，同時可以通過改變供電的電壓來控制磁性物體的距離和靈敏度曲線。

2.2 磁性接近開關與磁體（磁鐵）的組合分析

通過對磁體磁力線分布的規律與磁性接近開關的組合，如圖6所示，在磁鐵S極形成的動作曲線（例如：3mT的等磁感應線）接近于圓形或橢圓形。如果磁性接近開關進入動作曲線內的ON區域，霍爾元件ON。接近開關的靠近方向沒有限制。當磁鐵增大時，動作曲線也變大。即使是相同的磁鐵，也會在3 mT的動作曲線外周出現2mT的大幅度隆起的動作曲線，1mT則擴展為更大的圓。即使是很小的磁體，也可以輕松獲得合適的檢測距離。此外，適當大小的磁鐵與高靈敏度（1mT）的小型接近開關組合，可以獲得更大的檢測距離。

圖6 磁性接近開關與磁體（磁鐵）的組合

而且無論從哪個方向都可以相對圓形的動作曲線垂直接近，因此，檢測時即使有晃動，也可以高精度穩地進行磁體檢測。

2.3 極性檢測的工作原理

通過切向轉子的結構和磁性接近開關的工作理以及磁性接近開關與磁體的組合圖分析，設計出一種切向轉子極性檢測裝置如圖7所示，此裝置根據轉子本身磁體數量，確定磁性接近開關（N/S極）的數量，并錯位均布，不同極性的磁性接近開關（N/S極）分別串聯后，再接入PLC，磁體的極性與極性接近開關極性一一對應。從切向轉子結構可知其每瓣鐵心上的磁力是兩片磁體所發出的磁感應線，當出漏裝或裝反磁體時，減弱或抵消一部分磁感應線，導致轉子鐵心上的磁感應線不均勻，磁性接近開關就無法識標到磁感應線，通過PLC數據處理，傳輸至蜂鳴器指示燈報警提示，從而有效精準檢測極性不良異常。提升產品質量。

圖7 極性檢測裝置展開圖

3 結論

本文針對家電能效升級節能應用需求，行業能效提升為背景，技術方案上升級切向轉子，同時對先、后充磁進行了理論建模極實驗研究，經對比，提出先充磁方案對轉子性能進行進步提升，性能提升約5 %。

同時研究重點解決了先充磁，帶磁磁體入轉子鐵心，防止磁極插錯、插反、漏插的檢測裝置，研究了磁極檢測原理，解決磁體帶磁裝配生產制造插錯問題，經驗證批量應用無插反質量問題，在提升電機性能的同時，經對比使用磁極檢測裝置與未使用磁極裝置質量數據，不良率下降5 320 ppm。進一步的保障了生產制造質量。