變頻電機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)能電機系統(tǒng)企業(yè)重點實驗室 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，以其效率高、功率密度大、體積小等優(yōu)點成為電機領域研究的熱點，其依靠著轉(zhuǎn)子磁體充磁后剩磁特性所產(chǎn)生的氣隙磁場來工作[1,2]。為了發(fā)揮電機的優(yōu)良性能，除了合理的電磁設計外，充磁質(zhì)量對電機性能的優(yōu)劣也起著重要作用。對于永磁電機，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單、設備成本低、充磁易控制且通用程度高等優(yōu)點，在20世紀90年代以前被國內(nèi)普遍應用。近些年，由于工藝技術的發(fā)展，徑向充磁方式也得到了發(fā)展[3]。文獻[4-6]都對這兩種充磁方式進行了理論研究，認為永磁直流電機，徑向充磁方式氣隙磁通高于平行充磁方式，隨著極對數(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，還包括磁化強度、磁化區(qū)域內(nèi)磁密分布等。

文章以150 W永磁電機為例，對不同充磁方式進行Ansoft仿真，探究不同充磁方式對氣隙磁密的影響，并闡述了充磁設備充磁原理、能量選擇、參數(shù)配置、溫度補償?shù)?，結合電機充磁工藝，詳細研究了提高充磁質(zhì)量的方式，為永磁電機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

當開關S1閉合時，電源對C進行充電，至設定值u0時斷開S1，此時再閉合開關S2，則電容C與放電回路電阻R（包括線路、線圈等整個回路的總電阻，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間短，但由于存在振蕩，產(chǎn)生反向電流，對于矯頑力較低的鐵氧體存在退磁的危險，因而此種情況適合矯頑力高的稀土永磁體充磁。

充磁時，在轉(zhuǎn)子泵體組件定位完成后瞬間電容開始放電充磁，所以實際充磁時間較短，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)（線圈設計決定），可能導致電流未到達峰值而轉(zhuǎn)子組件已拔出，而且時間跨度大會導致磁頭發(fā)熱嚴重，影響磁頭使用壽命，因此時間常數(shù)不能太大。對于鐵氧體充磁，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，所以對于鐵氧體充磁，電容C必須取一個適當?shù)闹担拍苓_到最佳充磁效果。

3 充磁方向的選擇

目前對于永磁電機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單、設備成本低、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，對于不同的電機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，磁化長度為l，矯頑力為Hc的磁鋼磁勢為：

即磁鋼磁勢與磁化長度l成正比。如圖3所示，在磁鋼中心線附近，平行充磁的磁化長度l大于（在中心線時等于）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)徑處達到最大，當磁鋼厚度達到一定值時，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，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度，此時平行充磁方式不一定同時具有高的氣隙磁通。

圖3 磁鋼磁化長度隨電角度變化曲線

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

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圖4 150 W永磁電機仿真模型

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度、極對數(shù)（影響極弧系數(shù)）及電機結構有關，當極對數(shù)高時，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、磁鋼工作點及退磁性能。

4 充磁能量參數(shù)的選擇

永磁體要想實現(xiàn)磁性能最優(yōu)，在選擇好充磁方式的情況下，必須進行飽和（或過飽和）充磁，即充磁強度超過飽和磁場強度Hs，一般是內(nèi)稟矯頑力的3～5倍，實際生產(chǎn)中，永磁體充磁不可能達到絕對的飽和磁化，但必須達到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)子外表面溫度關系及檢磁補償

檢磁設備通過測定轉(zhuǎn)子外表面溫度來對磁鏈進行補償，而實際磁鋼溫度與轉(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際值之間的關系對磁鏈補償?shù)臏蚀_性顯得尤為重要。

為弄清磁鋼溫度與轉(zhuǎn)子外表面溫度關系，實現(xiàn)較準確的溫度補償，對150 W永磁電機進行了測試，其測試數(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試數(shù)據(jù)

表1 測試數(shù)據(jù)表

目前實現(xiàn)準確補償?shù)霓k法主要有兩個：（1）調(diào)節(jié)測溫探頭紅外線對轉(zhuǎn)子表面的輻射率，使所測溫度接近實際溫度；（2）尋求磁鋼實際溫度與轉(zhuǎn)子表面溫度的關系，進行溫度補償，使得補償后的溫度更接近磁鋼實際溫度。

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?！盁崽住浯拧惫?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，可在檢測溫度的基礎上增加5.4℃以補償?shù)酱配搶嶋H溫度。

6 充磁定位偏離角度對氣隙磁密及氣隙磁通的影響

目前生產(chǎn)線變頻電機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）長期充磁導致工裝偏離。

圖7 充磁工裝及平衡塊定位圖

上述原因都會導致充磁方向偏離磁鋼中心線，進而影響氣隙磁密，磁體工作點，退磁電流，進而影響電機性能。為闡釋平行充磁時，充磁角度偏離對氣隙磁場的影響，以150 W永磁電機為例進行了仿真，結果如圖8所示。

圖8 偏離角度對氣隙磁場的影響

從圖8可以看出，平行充磁時，磁鋼與中心線保證絕對平行，此時充磁的磁密最大，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?。煌瑫r在定位時，保證不要產(chǎn)生較大的定位偏差；最后要定期進行工裝偏差測量，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，進入充磁工位時，工裝會軸向移動，定位銷插入充磁定位孔，實現(xiàn)精準定位，角度誤差可控制在1度以內(nèi)。

7 充磁時轉(zhuǎn)子偏心對充磁的影響

在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)子裝配電機偏心，獨立后充磁放置偏心是客觀存在的，偏心距離大小與電機設計加工精度、工裝設備的精度有較大關系。結合150 W永磁電機實際可能存在的偏心值0～0.2 mm范圍進行充磁仿真分析，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)顯示會導致局部磁密變大，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，對噪聲振動的影響較小，偏差過大會產(chǎn)生噪聲、振動、壽命等方面的問題。

圖9 偏離距離對氣隙磁密的影響

8 結論

文章以150 W永磁電機為例，結合Ansoft仿真與測試，研究了不同的充磁方式、磁鋼與轉(zhuǎn)子外表面溫度關系以及充磁定位偏離角度對電機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，而徑向充磁具有極數(shù)多時磁通大、漏磁少和鐵芯局部易飽和的特點；檢磁補償時，轉(zhuǎn)子表面溫度與磁鋼溫度有差異，會導致補償偏差；充磁工裝的偏差會導致充磁方向偏離磁鋼中心線，進而影響氣隙磁密。因此，要提高充磁質(zhì)量，應采取以下措施：

（1）根據(jù)不同的電機，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；

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

（3）在工藝上，需加大冷卻風道冷卻量，盡量使轉(zhuǎn)子熱套后的溫度較低，并探究測溫時轉(zhuǎn)子磁鋼溫度與外表面溫度的對應關系，以實現(xiàn)精準補償；

（4）在能達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致的充磁定位偏差。