直流電機切向式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子切向式、徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，進行從設計建模、充磁工藝的性能優(yōu)劣勢、及其檢測磁極方法的原理以及實驗生產(chǎn)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(zhuǎn)子充磁性能研究

根據(jù)能效需求升級，家電用直流電機結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徑向式8極結(jié)構(gòu)如圖1所示，升級轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)切向式10極磁路結(jié)構(gòu)如圖2。徑向式轉(zhuǎn)子具有漏磁系數(shù)較切向式結(jié)構(gòu)小特點。切向式結(jié)構(gòu)中永磁體磁鋼并聯(lián)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(shù)增多時更為突出，適用于性能需求更高的應用整機環(huán)境。

圖1 徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

圖2 切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

1.1 切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)充磁磁路建模分析

通過對切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)后充磁建模分析。對應充磁磁力線對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子先、后充磁對比研究。

圖3 切向轉(zhuǎn)子后充磁磁場分布

1.2 切向式與徑向式轉(zhuǎn)子充磁飽和度對比

先充磁方案為將磁鋼在插入轉(zhuǎn)子鐵心前，就已經(jīng)將磁鋼充好磁，將帶磁的磁鋼再直接放入鐵心形成轉(zhuǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)子形成磁場。

對比不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用后充磁對性能影響，以此驗證切向轉(zhuǎn)子的后充磁方案，對應轉(zhuǎn)子性能理論分析影響一致。同時排除充磁電壓影響，經(jīng)測試對比確定對應不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最優(yōu)充磁電壓。

1.3 徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)充磁方式確認

通過對徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)理論建模與實驗研究分析，確立了后充磁會使轉(zhuǎn)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(zhì)量問題，因此研究適用于切向轉(zhuǎn)子先充磁檢測裝置，同步保障生產(chǎn)質(zhì)量。

表1 切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)充磁性能對比

表2 徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)充磁性能對比

2 切向轉(zhuǎn)子檢測原理研究及應用實施

經(jīng)上述對比分析研究，直接充磁后在將帶磁的磁鋼插入轉(zhuǎn)子鐵心，形成的轉(zhuǎn)子磁場強度高于后充磁性能，先充磁磁鋼插入轉(zhuǎn)子鐵心按下，如圖示4所示，永磁體依次放入轉(zhuǎn)子鐵心，形成最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.1 磁性開關原理分析

磁性接近開關工作原理是根據(jù)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(chǎn)生產(chǎn)狀態(tài)變化，當霍爾開關上面的元件因為磁性物體靠近就會產(chǎn)生霍爾效應，是開關內(nèi)部的電路狀態(tài)產(chǎn)生變化，達到控制開關通電的狀態(tài)，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(tài)，可以根據(jù)實際的情況去使用定開關狀態(tài)；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(guī)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(nèi)的ON區(qū)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(xiàn)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(wěn)地進行磁體檢測。

2.3 極性檢測的工作原理

通過切向轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子極性檢測裝置如圖7所示，此裝置根據(jù)轉(zhuǎn)子本身磁體數(shù)量，確定磁性接近開關（N/S極）的數(shù)量，并錯位均布，不同極性的磁性接近開關（N/S極）分別串聯(lián)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可知其每瓣鐵心上的磁力是兩片磁體所發(fā)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(chǎn)品質(zhì)量。

圖7 極性檢測裝置展開圖

3 結(jié)論

本文針對家電能效升級節(jié)能應用需求，行業(yè)能效提升為背景，技術方案上升級切向轉(zhuǎn)子，同時對先、后充磁進行了理論建模極實驗研究，經(jīng)對比，提出先充磁方案對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)制造插錯問題，經(jīng)驗證批量應用無插反質(zhì)量問題，在提升電機性能的同時，經(jīng)對比使用磁極檢測裝置與未使用磁極裝置質(zhì)量數(shù)據(jù)，不良率下降5 320 ppm。進一步的保障了生產(chǎn)制造質(zhì)量。