直流電機(jī)切向式轉(zhuǎn)子充磁性能及其檢測(cè)裝置探究

王慶凱 李佳毅 張 玉 陳東鎖

（珠海凱邦電機(jī)制造有限公司 珠海 519110）

引言

由于本文從設(shè)計(jì)理論分析、工藝制造技術(shù)研究，對(duì)轉(zhuǎn)子切向式、徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行從設(shè)計(jì)建模、充磁工藝的性能優(yōu)劣勢(shì)、及其檢測(cè)磁極方法的原理以及實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)實(shí)施進(jìn)行研究。目的是在不增加成本情況下，使得整機(jī)性能提升，達(dá)到能效升級(jí)。

1 切向轉(zhuǎn)子充磁性能研究

根據(jù)能效需求升級(jí)，家電用直流電機(jī)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(jí)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(diǎn)。切向式結(jié)構(gòu)中永磁體磁鋼并聯(lián)作用，有兩個(gè)永磁體截面對(duì)氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，在極數(shù)增多時(shí)更為突出，適用于性能需求更高的應(yīng)用整機(jī)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(guò)對(duì)切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)后充磁建模分析。對(duì)應(yīng)充磁磁力線對(duì)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(dǎo)致磁鋼底部，磁場(chǎng)角度和底部飽和均會(huì)影響永磁體磁性能強(qiáng)弱，如圖3所示。因鐵心磁場(chǎng)局部飽和，永磁體表面充磁能量降低，所以后充磁方案，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子整體性能下降，進(jìn)而影響電機(jī)整機(jī)性能提升，因此展開(kāi)對(duì)轉(zhuǎn)子先、后充磁對(duì)比研究。

圖3 切向轉(zhuǎn)子后充磁磁場(chǎng)分布

1.2 切向式與徑向式轉(zhuǎn)子充磁飽和度對(duì)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(chǎng)。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(shè)備進(jìn)行整體充磁，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子形成磁場(chǎng)。

對(duì)比不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用后充磁對(duì)性能影響，以此驗(yàn)證切向轉(zhuǎn)子的后充磁方案，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子性能理論分析影響一致。同時(shí)排除充磁電壓影響，經(jīng)測(cè)試對(duì)比確定對(duì)應(yīng)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(rèn)

通過(guò)對(duì)徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)理論建模與實(shí)驗(yàn)研究分析，確立了后充磁會(huì)使轉(zhuǎn)子磁性能下降，因此為滿(mǎn)足直流電機(jī)能效提升應(yīng)用需求，確立了先充磁方案，用以滿(mǎn)足電機(jī)性能提升，但先充磁涉及磁極帶磁入鐵心防插反質(zhì)量問(wèn)題，因此研究適用于切向轉(zhuǎn)子先充磁檢測(cè)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(duì)比

表2 徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)充磁性能對(duì)比

2 切向轉(zhuǎn)子檢測(cè)原理研究及應(yīng)用實(shí)施

經(jīng)上述對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(dòng)勢(shì)磁場(chǎng)，從操作上為避免人為或機(jī)器失步造成磁極插反，導(dǎo)致磁場(chǎng)性能抵消降低合成磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此本文也重點(diǎn)對(duì)帶磁永磁體，入鐵心形成的磁極正確防反檢測(cè)裝置及原理進(jìn)行研究、提出方案，并給予解決實(shí)施。

圖4 切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.1 磁性開(kāi)關(guān)原理分析

磁性接近開(kāi)關(guān)工作原理是根據(jù)霍爾效應(yīng)、傳感器等，利用按磁場(chǎng)極性進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)配的檢測(cè)磁極是N/S(霍爾開(kāi)關(guān)的檢測(cè)原理主要是針對(duì)帶磁性的物件靠近產(chǎn)生產(chǎn)狀態(tài)變化，當(dāng)霍爾開(kāi)關(guān)上面的元件因?yàn)榇判晕矬w靠近就會(huì)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，是開(kāi)關(guān)內(nèi)部的電路狀態(tài)產(chǎn)生變化，達(dá)到控制開(kāi)關(guān)通電的狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 磁性接近開(kāi)關(guān)電路圖

磁性物體接近開(kāi)關(guān)或者是遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)，霍爾開(kāi)關(guān)都會(huì)顯示成為一種固定的狀態(tài)，可以根據(jù)實(shí)際的情況去使用定開(kāi)關(guān)狀態(tài)；磁性大小不同的物體可以決定開(kāi)關(guān)的靈敏度，同時(shí)可以通過(guò)改變供電的電壓來(lái)控制磁性物體的距離和靈敏度曲線。

2.2 磁性接近開(kāi)關(guān)與磁體（磁鐵）的組合分析

通過(guò)對(duì)磁體磁力線分布的規(guī)律與磁性接近開(kāi)關(guān)的組合，如圖6所示，在磁鐵S極形成的動(dòng)作曲線（例如：3mT的等磁感應(yīng)線）接近于圓形或橢圓形。如果磁性接近開(kāi)關(guān)進(jìn)入動(dòng)作曲線內(nèi)的ON區(qū)域，霍爾元件ON。接近開(kāi)關(guān)的靠近方向沒(méi)有限制。當(dāng)磁鐵增大時(shí)，動(dòng)作曲線也變大。即使是相同的磁鐵，也會(huì)在3 mT的動(dòng)作曲線外周出現(xiàn)2mT的大幅度隆起的動(dòng)作曲線，1mT則擴(kuò)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(cè)距離。此外，適當(dāng)大小的磁鐵與高靈敏度（1mT）的小型接近開(kāi)關(guān)組合，可以獲得更大的檢測(cè)距離。

圖6 磁性接近開(kāi)關(guān)與磁體（磁鐵）的組合

而且無(wú)論從哪個(gè)方向都可以相對(duì)圓形的動(dòng)作曲線垂直接近，因此，檢測(cè)時(shí)即使有晃動(dòng)，也可以高精度穩(wěn)地進(jìn)行磁體檢測(cè)。

2.3 極性檢測(cè)的工作原理

通過(guò)切向轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和磁性接近開(kāi)關(guān)的工作理以及磁性接近開(kāi)關(guān)與磁體的組合圖分析，設(shè)計(jì)出一種切向轉(zhuǎn)子極性檢測(cè)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(kāi)關(guān)（N/S極）的數(shù)量，并錯(cuò)位均布，不同極性的磁性接近開(kāi)關(guān)（N/S極）分別串聯(lián)后，再接入PLC，磁體的極性與極性接近開(kāi)關(guān)極性一一對(duì)應(yīng)。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(yīng)線，當(dāng)出漏裝或裝反磁體時(shí)，減弱或抵消一部分磁感應(yīng)線，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子鐵心上的磁感應(yīng)線不均勻，磁性接近開(kāi)關(guān)就無(wú)法識(shí)標(biāo)到磁感應(yīng)線，通過(guò)PLC數(shù)據(jù)處理，傳輸至蜂鳴器指示燈報(bào)警提示，從而有效精準(zhǔn)檢測(cè)極性不良異常。提升產(chǎn)品質(zhì)量。

圖7 極性檢測(cè)裝置展開(kāi)圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)家電能效升級(jí)節(jié)能應(yīng)用需求，行業(yè)能效提升為背景，技術(shù)方案上升級(jí)切向轉(zhuǎn)子，同時(shí)對(duì)先、后充磁進(jìn)行了理論建模極實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)對(duì)比，提出先充磁方案對(duì)轉(zhuǎn)子性能進(jìn)行進(jìn)步提升，性能提升約5 %。

同時(shí)研究重點(diǎn)解決了先充磁，帶磁磁體入轉(zhuǎn)子鐵心，防止磁極插錯(cuò)、插反、漏插的檢測(cè)裝置，研究了磁極檢測(cè)原理，解決磁體帶磁裝配生產(chǎn)制造插錯(cuò)問(wèn)題，經(jīng)驗(yàn)證批量應(yīng)用無(wú)插反質(zhì)量問(wèn)題，在提升電機(jī)性能的同時(shí)，經(jīng)對(duì)比使用磁極檢測(cè)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(jìn)一步的保障了生產(chǎn)制造質(zhì)量。