稀土永磁多極磁環(huán)的制備及其應(yīng)用

李 俊，孫青海，唐曉東，馮雙久

(1．淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽淮南232038;2．安徽大學(xué)，安徽合肥230039)

0 引 言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，新型永磁電機(jī)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如應(yīng)用于船舶、汽車、航空、航天、艦艇、低溫制冷機(jī)、鉆井設(shè)備、皮帶運(yùn)等領(lǐng)域［1－4］。目前的發(fā)電機(jī)和永磁電機(jī)都采用齒槽結(jié)構(gòu)［5］，目前國內(nèi)外專利中解決齒槽效應(yīng)的方法有:(1)選擇合適的極槽配合;(2)減小槽口寬度;(3)采用斜槽和斜極;(4)選擇合理的極弧系數(shù);(5)齒上加輔助槽等方法［6－8］，但均難以從根源上解決齒槽效應(yīng)。

為了更好地解決以上問題，輻射取向各向異性磁環(huán)和極取向各向異性磁環(huán)成為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)用于交流的伺服電動(dòng)機(jī)和無刷電動(dòng)機(jī)，無論電機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸處于何種角度，都能夠提供穩(wěn)定的力矩輸出，同時(shí)具有盡可能小的齒槽效應(yīng)來減少電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的震動(dòng)和噪聲［9］。

1 稀土永磁多極磁環(huán)簡介

1.1 多極磁環(huán)的分類

多極磁環(huán)按材質(zhì)分類，分為鐵氧體永磁多極磁環(huán)和稀土永磁(主要是釹鐵硼)多極磁環(huán);按照制造方法分類，分為各向同性和各向異性以及燒結(jié)磁體和粘結(jié)磁體之分;各向異性還可分為輻射取向和極取向兩種［10］。目前在所有多極磁環(huán)中，極各向異性燒結(jié)釹鐵硼多極磁環(huán)是性能最高的一種，在磁材和微電機(jī)行業(yè)應(yīng)用廣泛［11］。

1.2 極取向各向異性磁環(huán)

燒結(jié)釹鐵硼多極各向異性磁環(huán)的性能比其他任何多極磁環(huán)的性能都高，其表面磁通密度比各向同性鐵氧體高5 倍左右，比通常用的粘結(jié)釹鐵硼磁環(huán)高2 倍以上。其與多件燒結(jié)釹鐵硼磁瓦粘合成的磁環(huán)相比，不僅裝配方便，省時(shí)省工省材料，可靠性也相應(yīng)的提高，磁通密度也提高了20% 左右［12］。

1.3 輻射取向各向異性磁環(huán)

輻射取向的燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)目前在國內(nèi)也是研究的熱點(diǎn)，其特點(diǎn)在于輻射取向磁環(huán)可以輻射充磁，應(yīng)用于特定場合。也可以多級充磁，而且理論上可以充任意多的偶數(shù)極［13］。

1.4 極取向與輻射取向各向異性磁環(huán)性能對比

在上述兩種磁環(huán)實(shí)際應(yīng)用于電機(jī)的對比中，多磁極各向異性磁環(huán)與輻射各向異性磁環(huán)相比較，其性能更加優(yōu)越。原因在于:(1)前者產(chǎn)生的表面磁通密度為近似正弦波態(tài)，而后者為方波態(tài)。(2)前者的表面磁通密度為后者的1．5 倍左右，產(chǎn)生的能量比后者高得多。多磁極各向異性燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)，廣泛應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)、交流無刷同步電動(dòng)機(jī)中，以其延伸產(chǎn)品中成為不可缺少的關(guān)鍵元件，如:(1)主軸電動(dòng)機(jī)(硬盤、軟盤驅(qū)動(dòng)等);(2)伺服電機(jī)(機(jī)器人、數(shù)控設(shè)備等精密控制系統(tǒng));(3)汽車電機(jī)(電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等);(4)各種執(zhí)行器［14］。

2 多極各向異性極取向燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)的制備

2.1 極取向燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)坯料制備工藝流程

圖1 為多極各向異性極取向燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)的制備流程圖。主要包括以下步驟:

圖1 多極各向異性極取向燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)的制備流程圖

(1)根據(jù)磁環(huán)所需表面磁通的大小，選擇釹鐵硼配方AxByCmDn，其中A 為Nd，B 為Fe，C 為B，D為Ho、Zr、Gd、Pr、Dy、Al、Nb、Tb、Co 中的一種或幾種，各元素重量比x 為15%～20%，m 為0．5%～3%，n 為10%～20%，y 為其余;

(2)配料后，在真空中進(jìn)行熔煉;

(3)將所得鑄錠粗破碎處理;

(4)細(xì)磨制粉處理，使平均粒徑為3～5 μm 之間;

(5)將粉末注入成型模具中采用取向磁場壓制，模具含有4n(n 為正整數(shù))個(gè)充磁極，壓制磁環(huán)外徑為Do，內(nèi)徑為Di，其內(nèi)徑Di、外徑Do、與極數(shù)p之間的滿足如下關(guān)系:

取向磁場采用脈沖電流產(chǎn)生，取向磁場的設(shè)計(jì)是根據(jù)電流I、導(dǎo)線匝數(shù)n、磁環(huán)中心線與多匝漆包線或銅棒中心線之間的距離d、磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系:

(6)在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)和回火處理，工藝設(shè)計(jì)如下:首先于900～1 600℃溫度燒結(jié)1．0～3．0 h，然后于400 ℃～600 ℃回火0．5～3．0 h，隨后降溫速率為0．5 ℃/min～10 ℃/min;

(7)表面電鍍處理;

(8)檢測;

(9)包裝處理［15－17］。

2.2 極取向燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)充磁工藝流程

2．2．1 多極充磁工藝原理簡介

多極充磁是指于同一磁體上充兩對以上磁極的磁鋼磁化過程。多極充磁技術(shù)涉及到以下相關(guān)性能指標(biāo):(1)充磁機(jī)的工作特性;(2)充磁頭(或充磁線圈)的設(shè)計(jì)方案;(3)永磁體磁鋼的性能。楊曉明、劉鳳琴［18］對典型的充磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了報(bào)道，指出目前以脈沖磁場進(jìn)行永磁體磁鋼磁化的主流工藝，其基本原理實(shí)際上是一個(gè)典型的R－L－C 電路:由電容器組、可控硅以及充放電控制電路和充磁頭(或充磁線圈)所組成的脈沖強(qiáng)磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生大電流進(jìn)行瞬間放電，利用產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)磁場對永磁體磁鋼進(jìn)行充磁。

2．2．2 電容脈沖放電充磁機(jī)

所采用的磁性材料性能、充磁機(jī)的工作特性和充磁線圈設(shè)計(jì)方案是影響磁鋼充磁效果的三大因素。趙晨初［19］對低電壓大電容脈沖放電充磁機(jī)的充磁原理與充磁過程進(jìn)行了相關(guān)的報(bào)道，其原理圖如圖2 所示。

圖2 低電壓大電容脈沖放電充磁機(jī)的方框原理圖

該充磁機(jī)的整流充電回路由電源變壓器、橋式整流器、貯能電容器三部分組成。電源變壓器將初始輸入的220 V、50 Hz 交流電輸送至分檔的次級繞組，次級繞組電壓經(jīng)橋式整流成單向脈沖電流貯入電容器作為充磁的能量源。在電源變壓器前加裝自耦調(diào)壓器可獲得連續(xù)可調(diào)的次級電壓;電容器兩端的充電電壓按充磁回路的要求，可由連續(xù)改變輸入電源變壓器的初級電壓來調(diào)節(jié)。

進(jìn)行磁鋼充磁的脈沖充磁回路，其原理為R－L－C 放電回路。其中電容器作為貯能元件產(chǎn)生充磁所需能量。充磁回路的開關(guān)元件由晶閘管(可控硅)控制，使得在盡量短的時(shí)間內(nèi)，通過盡可能大的電流［19］。

2．2．3 充磁磁頭的設(shè)計(jì)原理

充磁磁頭的研制制約著整體充磁機(jī)的發(fā)展，解決充磁磁頭的設(shè)計(jì)難題對磁鋼的多極充磁具有決定性意義。沈稼豐［20］報(bào)道了影響充磁磁頭性能的相關(guān)因素:

(1)充磁線圈的電感，可由更改充磁頭的形式、尺寸及線圈匝數(shù)來調(diào)節(jié);

(2)充磁線圈的阻尼比，要求阻尼比范圍適當(dāng)，以保證必要的衰減時(shí)間;

(3)渦流的影響，要盡量減小渦流對充磁磁場的去磁作用;

(4)漏磁場影響，盡可能減小漏磁場從而增強(qiáng)主磁場;

(5)產(chǎn)生波形的影響，應(yīng)與轉(zhuǎn)子飽和磁場所需波形盡量一致;

(6)安裝與測量的便利，要便于緊固、冷卻、裝卡、定位及磁場測量等［20］。

3 稀土永磁多極磁環(huán)在無刷直流電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)簡介

隨著永磁材料和電子器件相關(guān)技術(shù)研究的發(fā)展，無刷直流電動(dòng)機(jī)越來越成為機(jī)電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。無刷直流電動(dòng)機(jī)因其具有機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，可調(diào)速度范圍大，壽命長，維護(hù)簡便，無齒槽效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等各領(lǐng)域的變速驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)中［21－23］。但在實(shí)際應(yīng)用中無刷電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性參數(shù)與電機(jī)參數(shù)匹配的問題，從而容易使線圈發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)效率下降［24］。因此設(shè)計(jì)高效率的無刷直流電動(dòng)機(jī)，還需在電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁材材質(zhì)選擇方面如釹鐵硼配方、轉(zhuǎn)子磁鋼厚度，電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面如氣隙厚度等進(jìn)行相關(guān)的探索研究。

3.2 稀土永磁多極磁環(huán)應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展

對無刷直流電動(dòng)機(jī)的磁路優(yōu)化分析，目前國內(nèi)主要采用有限元模擬的方法，主要的軟件有ANSYS有限元分析軟件［25－26］。采用此方式可以極大地節(jié)約工藝成本，尤其是在復(fù)雜的電機(jī)結(jié)構(gòu)方面分析，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益［27－28］。目前王瑞、高尚應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件對無刷直流電動(dòng)機(jī)的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，以期在理論支持基礎(chǔ)上獲取最優(yōu)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)從而提高電機(jī)的輸出效率，達(dá)到電機(jī)節(jié)能的目的，是目前較早關(guān)于將稀土永磁多極磁環(huán)應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究報(bào)道［29］。

4 結(jié) 語

稀土永磁多極磁環(huán)尤其是輻射取向各向異性磁環(huán)和極取向各向異性磁環(huán)是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)用于交流的伺服電機(jī)和無刷電機(jī)，無論電機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸處于何種角度，都能夠提供穩(wěn)定的力矩輸出，同時(shí)具有盡可能小的齒槽效應(yīng)來減少電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的震動(dòng)和噪聲。故其優(yōu)異的性能使得其對于開發(fā)新一代的無刷直流電機(jī)有重要的研究意義，研究稀土永磁多極磁環(huán)尤其是極取向各向異性磁環(huán)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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