稀土永磁多極磁環(huán)的制備及其應用

李 俊，孫青海，唐曉東，馮雙久

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

0 引 言

近年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，新型永磁電機被廣泛應用于各行各業(yè)，如應用于船舶、汽車、航空、航天、艦艇、低溫制冷機、鉆井設備、皮帶運等領域［1－4］。目前的發(fā)電機和永磁電機都采用齒槽結構［5］，目前國內外專利中解決齒槽效應的方法有:(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。

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)成為目前國內外研究的熱點，其優(yōu)點在于應用于交流的伺服電動機和無刷電動機，無論電機旋轉主軸處于何種角度，都能夠提供穩(wěn)定的力矩輸出，同時具有盡可能小的齒槽效應來減少電機運行過程中產(chǎn)生的震動和噪聲［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磁體和粘結磁體之分;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，極各向異性燒結釹鐵硼多極磁環(huán)是性能最高的一種，在磁材和微電機行業(yè)應用廣泛［11］。

1.2 極取向各向異性磁環(huán)

燒結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，比通常用的粘結釹鐵硼磁環(huán)高2 倍以上。其與多件燒結釹鐵硼磁瓦粘合成的磁環(huán)相比，不僅裝配方便，省時省工省材料，可靠性也相應的提高，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)

輻射取向的燒結釹鐵硼磁環(huán)目前在國內也是研究的熱點，其特點在于輻射取向磁環(huán)可以輻射充磁，應用于特定場合。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)實際應用于電機的對比中，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釹鐵硼磁環(huán)，廣泛應用于無刷直流電動機、交流無刷同步電動機中，以其延伸產(chǎn)品中成為不可缺少的關鍵元件，如:(1)主軸電動機(硬盤、軟盤驅動等);(2)伺服電機(機器人、數(shù)控設備等精密控制系統(tǒng));(3)汽車電機(電動助力轉向等);(4)各種執(zhí)行器［14］。

2 多極各向異性極取向燒結釹鐵硼磁環(huán)的制備

2.1 極取向燒結釹鐵硼磁環(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，在真空中進行熔煉;

(3)將所得鑄錠粗破碎處理;

(4)細磨制粉處理，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))個充磁極，壓制磁環(huán)外徑為Do，內徑為Di，其內徑Di、外徑Do、與極數(shù)p之間的滿足如下關系:

取向磁場采用脈沖電流產(chǎn)生，取向磁場的設計是根據(jù)電流I、導線匝數(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、磁場強度之間的關系:

(6)在真空燒結爐中燒結和回火處理，工藝設計如下:首先于900～1 600℃溫度燒結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。多極充磁技術涉及到以下相關性能指標:(1)充磁機的工作特性;(2)充磁頭(或充磁線圈)的設計方案;(3)永磁體磁鋼的性能。楊曉明、劉鳳琴［18］對典型的充磁結構進行了報道，指出目前以脈沖磁場進行永磁體磁鋼磁化的主流工藝，其基本原理實際上是一個典型的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)所組成的脈沖強磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生大電流進行瞬間放電，利用產(chǎn)生的脈沖強磁場對永磁體磁鋼進行充磁。

2．2．2 電容脈沖放電充磁機

所采用的磁性材料性能、充磁機的工作特性和充磁線圈設計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的充磁原理與充磁過程進行了相關的報道，其原理圖如圖2 所示。

圖2 低電壓大電容脈沖放電充磁機的方框原理圖

該充磁機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壓器可獲得連續(xù)可調的次級電壓;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節(jié)。

進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。充磁回路的開關元件由晶閘管(可控硅)控制，使得在盡量短的時間內，通過盡可能大的電流［19］。

2．2．3 充磁磁頭的設計原理

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

(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)來調節(jié);

(2)充磁線圈的阻尼比，要求阻尼比范圍適當，以保證必要的衰減時間;

(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主磁場;

(5)產(chǎn)生波形的影響，應與轉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)在無刷直流電動機領域的應用

3.1 無刷直流電動機簡介

隨著永磁材料和電子器件相關技術研究的發(fā)展，無刷直流電動機越來越成為機電領域研究的熱點之一。無刷直流電動機因其具有機械特性和調節(jié)特性的線性度好，可調速度范圍大，壽命長，維護簡便，無齒槽效應等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天、工業(yè)自動化等各領域的變速驅動、伺服驅動中［21－23］。但在實際應用中無刷電動機存在轉子動態(tài)特性參數(shù)與電機參數(shù)匹配的問題，從而容易使線圈發(fā)熱，導致電機效率下降［24］。因此設計高效率的無刷直流電動機，還需在電機轉子的磁材材質選擇方面如釹鐵硼配方、轉子磁鋼厚度，電機內部結構設計方面如氣隙厚度等進行相關的探索研究。

3.2 稀土永磁多極磁環(huán)應用于無刷直流電動機的研究進展

對無刷直流電動機的磁路優(yōu)化分析，目前國內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，尤其是在復雜的電機結構方面分析，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益［27－28］。目前王瑞、高尚應用ANSYS 有限元分析軟件對無刷直流電動機的本體結構進行仿真計算，以期在理論支持基礎上獲取最優(yōu)的相關結構參數(shù)從而提高電機的輸出效率，達到電機節(jié)能的目的，是目前較早關于將稀土永磁多極磁環(huán)應用于無刷直流電動機的研究報道［29］。

4 結 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)是目前國內外研究的熱點，其優(yōu)點在于應用于交流的伺服電機和無刷電機，無論電機旋轉主軸處于何種角度，都能夠提供穩(wěn)定的力矩輸出，同時具有盡可能小的齒槽效應來減少電機運行過程中產(chǎn)生的震動和噪聲。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)具有廣闊的應用前景。

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