呂歡劍，郭德森

(1.杭州史賓納科技有限公司，杭州 311307；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第28研究所，南京 210007)

0 引 言

永磁同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置設(shè)計(jì)可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子型與外轉(zhuǎn)子型，外轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子在外，定子在內(nèi)，既具有永磁同步電機(jī)定子勵(lì)磁電流小，力能指標(biāo)高，易于調(diào)速，節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn);又具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，散熱能力好，節(jié)省銅線，電機(jī)效率與輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)[1],在風(fēng)機(jī)、輪轂電機(jī)、曳引機(jī)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。

對(duì)于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子一般需要設(shè)計(jì)成Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)，這是由于Halbach永磁陣列具有諸多優(yōu)勢(shì)：良好的單邊聚磁效應(yīng)，可以提高電機(jī)的氣隙磁通密度，在永磁體用量相等情況下，提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度與功率密度；Halbach永磁陣列內(nèi)部已形成閉合磁路，轉(zhuǎn)子軛部磁通密度大幅減小，可以降低轉(zhuǎn)子軛部厚度，轉(zhuǎn)子內(nèi)半徑增大，力能指標(biāo)提升[3]；Halbach永磁陣列強(qiáng)側(cè)磁場(chǎng)的磁通密度分布波形呈良好正弦性，優(yōu)化電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形，降低齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。這種Halbach永磁陣列主要分為Halbach永磁陣列磁環(huán)和拼裝式Halbach永磁陣列，前者是將各向同性磁環(huán)或者輻射取向磁環(huán)置于多極磁化線圈，運(yùn)用電容式脈沖充磁機(jī)釋放脈沖大電流飽和磁化得到；后者是將磁化方向不同的永磁體按Halbach陣列規(guī)律進(jìn)行拼裝排列得到。

燒結(jié)永磁鐵氧體極異方性多極磁環(huán)是永磁鐵氧體材料中的后起之秀，其外圓周或內(nèi)圓周表面磁場(chǎng)呈N、S極交替同軸排列，內(nèi)部磁矩呈Halbach陣列結(jié)構(gòu)，工作面磁通密度分布具有良好的正弦性，性能價(jià)格比高，被廣泛運(yùn)用于內(nèi)轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)。相比于鐵氧體各向同性磁環(huán)與輻射取向磁環(huán)，其具有更高的磁性能；相比于拼裝式Halbach永磁陣列，鐵氧體極異方性多極磁環(huán)可以省去繁瑣的拼裝過(guò)程，永磁同步電機(jī)制造難度與成本降低，且具有更優(yōu)的正弦性氣隙磁密分布波形與反電動(dòng)勢(shì)波形。目前，這類鐵氧體極異方性多極磁環(huán)絕大部分用于內(nèi)轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)。對(duì)于外轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)，需要轉(zhuǎn)子磁環(huán)尺寸大且壁薄，工作面(磁場(chǎng)強(qiáng)側(cè))在內(nèi)圓，這對(duì)燒結(jié)鐵氧體工藝是一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于小功率外轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)，考慮到制造成本，永磁鐵氧體相比于稀土永磁材料具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為此，對(duì)外轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)用鐵氧體極異方性多極磁環(huán)的開發(fā)顯得尤為必要。

本文基于鐵氧體干法成型工藝，采用粉料預(yù)磁化處理、多脈沖磁場(chǎng)取向等技術(shù)，研制外徑72 mm、內(nèi)徑60 mm、高度50 mm的10極高性能鐵氧體極異方性多極磁環(huán)。磁環(huán)內(nèi)圓表面磁通密度分布具有良好正弦性，峰值平均值大于0.195 T，搭載該磁環(huán)的外轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)滿足小功率風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。

1 燒結(jié)鐵氧體內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子極異方性多極磁環(huán)

1.1 內(nèi)轉(zhuǎn)子極異方性多極磁環(huán)

燒結(jié)鐵氧體內(nèi)轉(zhuǎn)子多極磁環(huán)工作面(磁場(chǎng)強(qiáng)側(cè))在磁環(huán)的外圓面，成型階段需在環(huán)形模腔外側(cè)施加徑向多極磁場(chǎng)對(duì)磁粉進(jìn)行取向，使其具備各向異性[4]，被廣泛用于永磁電機(jī)，極對(duì)數(shù)可以由1對(duì)極到24對(duì)極，甚至更多；外徑尺寸可由10 mm以下到70 mm以上，已形成系列產(chǎn)品。表1列出了部分量產(chǎn)的燒結(jié)鐵氧體內(nèi)轉(zhuǎn)子多極磁環(huán)的規(guī)格、型號(hào)及產(chǎn)品性能。

表1 部分燒結(jié)鐵氧體內(nèi)轉(zhuǎn)子多極磁環(huán)規(guī)格

1.2 外轉(zhuǎn)子極異方性多極磁環(huán)

燒結(jié)鐵氧體外轉(zhuǎn)子用多極磁環(huán)的工作面(磁場(chǎng)強(qiáng)側(cè))在磁環(huán)的內(nèi)圓面，最初主要通過(guò)等方性(各向同性)磁環(huán)或輻射取向磁環(huán)配合得當(dāng)?shù)亩鄻O充磁技術(shù)獲得。等方性磁環(huán)工藝簡(jiǎn)單，但性能低，大大限制其應(yīng)用；輻射取向磁環(huán)可以輻射狀充磁，也可以根據(jù)需要徑向多極充磁，但其表面磁通密度波形一般呈方波狀，要獲得表面磁通密度分布正弦波的波形則需要在充磁極頭形狀、充磁能量等方面進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整、匹配，且其性能不如徑向多極取向的磁環(huán)。

外轉(zhuǎn)子極異方性多極磁環(huán)的成型階段需在環(huán)形模腔內(nèi)側(cè)施加多極取向磁場(chǎng)，使膜腔內(nèi)磁粉定向排列。多極取向磁場(chǎng)設(shè)計(jì)空間有限，且這類磁環(huán)一般尺寸較大、壁薄，開發(fā)難度高于內(nèi)轉(zhuǎn)子極異方性多極磁環(huán)。圖1為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子極異方性多極磁環(huán)結(jié)構(gòu)。

(a) 6極內(nèi)轉(zhuǎn)子

2 外轉(zhuǎn)子多極磁環(huán)研制過(guò)程

2.1 預(yù)磁化粉料制備

將牌號(hào)為Y35的鍶鐵氧體一次預(yù)燒料進(jìn)行二次球磨，對(duì)二次球磨的料漿進(jìn)行預(yù)磁化處理，在預(yù)磁化磁場(chǎng)的作用下，料漿內(nèi)的單畤顆粒沿磁場(chǎng)方向定向，由無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)為整齊排列，如圖2所示，排水并烘干得到預(yù)磁化料塊[5]。對(duì)此料塊進(jìn)行粉碎、過(guò)篩，形成粒徑在0.1～0.7 mm的粉料顆粒，這種粉料顆粒具有良好的流動(dòng)性、成型性，其內(nèi)部眾多單畤顆粒取向一致。在磁場(chǎng)成型階段只要使這種粉料顆粒沿磁場(chǎng)方向定向排列就能保證所有單畤顆粒取向基本一致，利于提高取向度。為保證后續(xù)成型的潤(rùn)滑性與粘結(jié)性，可適量添加硬脂酸鈣、樟腦等添加劑并混合均勻。

(a) 無(wú)序狀態(tài)

2.2 多脈沖磁場(chǎng)取向干法成型

外轉(zhuǎn)子多極磁環(huán)一般壁薄，軸向高度大，濕壓成型的抽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難且效率低下，難以滿足大批量生產(chǎn)需要。干壓成型無(wú)需抽水，效率高，但由于沒有水的潤(rùn)滑作用，取向程度和磁性能不及濕壓成型。為此，成型階段如何在型腔內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)足夠高的多極取向磁場(chǎng)成為研制關(guān)鍵。

多極取向磁場(chǎng)一般通過(guò)電勵(lì)磁與永磁體勵(lì)磁方式產(chǎn)生，外轉(zhuǎn)子多極磁環(huán)的取向磁場(chǎng)需要在型腔內(nèi)側(cè)產(chǎn)生，其空間有限，難度更高。通過(guò)將高性能燒結(jié)NdFeB永磁體在型腔內(nèi)側(cè)進(jìn)行排列組合的方式難以獲得理想的多極取向磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度難以快速調(diào)節(jié)，成型坯件難以退磁；直流電勵(lì)磁方式適用于單方向取向場(chǎng)合，在有限空間內(nèi)難以獲得高的安匝數(shù)，建立的多極取向磁場(chǎng)(靜磁場(chǎng))不夠大且發(fā)熱嚴(yán)重。

脈沖磁場(chǎng)具有持續(xù)時(shí)間短、功耗小、場(chǎng)強(qiáng)高的特點(diǎn)，由電容放電脈沖式充磁電源和多極取向線圈產(chǎn)生，其基本原理如圖3所示，C為儲(chǔ)能電容器組，L為多極取向線圈，U為直流電源，R為限流電阻，K為大功率開關(guān)。充電時(shí)，K接通A點(diǎn)，儲(chǔ)能電容器組C充電至設(shè)定電壓；放電時(shí)，K接通B點(diǎn)，儲(chǔ)能電容器組放電，高峰值脈沖電流通過(guò)低阻抗、高強(qiáng)度的多極取向線圈，產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖多極取向磁場(chǎng)[6-7]，實(shí)現(xiàn)對(duì)型腔內(nèi)磁粉顆粒的定向。單個(gè)脈沖電流峰值高，維持時(shí)間短，一般在毫秒級(jí)，在成型過(guò)程難以同時(shí)滿足使磁粉顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)取向并維持取向織構(gòu)的需要。為此，采用多個(gè)脈沖電流組合的方式，脈沖電流間隔在毫秒級(jí)，使得磁粉顆粒在型腔內(nèi)由自然松裝到壓緊的過(guò)程中始終受到脈沖磁場(chǎng)的取向作用。

圖3 脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生原理

圖4 取向線圈截面示意圖

2.3 燒結(jié)

燒結(jié)的目的是使成型好的坯件在低于熔點(diǎn)的高溫作用下，發(fā)生固相反應(yīng)與晶粒長(zhǎng)大，形成具有一定強(qiáng)度、密度、幾何尺寸、電磁性能的鐵氧體產(chǎn)品。由于外轉(zhuǎn)子多極磁環(huán)坯件尺寸大且薄壁，為保證燒結(jié)收縮均勻、防止燒結(jié)開裂與粘連，要求匣缽底部平整，或在坯件與匣缽之間均勻放置氧化鋁粉。燒結(jié)采用回轉(zhuǎn)式電窯，加熱元件為硅碳棒，整個(gè)過(guò)程分為升溫階段、保溫階段及降溫階段，升溫階段速度不宜過(guò)快，保溫階段溫度為1 200 ℃～1 230 ℃，時(shí)間2～4 h，坯體降溫至100 ℃以下方可出窯。

2.4 磨制

由于六角鐵氧體晶體長(zhǎng)大速率的各向異性，磁環(huán)坯件在空間不同方向上的收縮不同，各向異性磁體在平行與垂直于擇優(yōu)取向方向的收縮量分別為22%和13%。磁環(huán)內(nèi)圓面在成型階段受到N、S極交替同軸排列的多極磁場(chǎng)的取向作用，燒結(jié)完成的磁環(huán)坯體內(nèi)圓面收縮成不規(guī)則的形狀，如圖5所示。此外，由于成型坯件難以做到各處密度完全一致，燒結(jié)后磁環(huán)會(huì)存在輕微的變形、凹凸、傾斜及翹曲等幾何缺陷，所以需要對(duì)其進(jìn)行磨制，使之達(dá)到尺寸精度，滿足裝配要求。磨制過(guò)程分為外圓磨，端面磨，內(nèi)圓磨、倒角、清洗及烘干。外圓磨采用無(wú)心磨床，外圓面磨至真圓后作為基準(zhǔn)在通過(guò)式端面磨床磨制磁環(huán)端面，再以外圓面為基準(zhǔn)將不規(guī)則的內(nèi)圓面磨至真圓，內(nèi)圓面的設(shè)計(jì)磨削余量不宜過(guò)大，否則會(huì)降低磁環(huán)使用性能。磨制完成后的磁環(huán)應(yīng)保證外觀完好，滿足設(shè)定的尺寸與形位公差。

圖5 燒結(jié)坯體端面輪廓

2.5 多極充磁與性能檢測(cè)

2.5.1 多極充磁

多極充磁磁場(chǎng)由電容放電脈沖充磁設(shè)備與多極充磁夾具產(chǎn)生[9]，其原理與前述多極取向相同，不予贅述。外轉(zhuǎn)子磁環(huán)充磁需將充磁夾具置于磁環(huán)內(nèi)側(cè)，充磁夾具極頭數(shù)目與磁環(huán)極數(shù)相等，極頭中心需對(duì)準(zhǔn)磁環(huán)取向時(shí)極頭中心位置。極頭與被充磁磁環(huán)內(nèi)圓面間距盡可能小，且充磁夾具與磁環(huán)同軸放置，配合過(guò)松、位置不同軸會(huì)導(dǎo)致充磁磁路氣隙磁阻增大、各極磁化效果不均勻等問(wèn)題；磁環(huán)位于充磁夾具中部，避免充磁夾具上下端邊緣效應(yīng)導(dǎo)致充磁效果軸向不均勻。

(a) 充磁電壓300 V

永磁鐵氧體電阻率大，渦流損耗小，充磁時(shí)脈沖電流寬度td可比稀土永磁合金更短，相比于改變電容量、充磁極頭匝數(shù)、導(dǎo)線直徑等，采用變電壓逼近的方法更為高效合理，如表2所示。

表2 不同充磁電壓的充磁效果

2.5.2 性能檢測(cè)

目前，極異方性多極磁環(huán)性能測(cè)試方法主要包括：

1) 標(biāo)樣法：采用相同的原料在相同的工藝條件制成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣塊或者樣柱進(jìn)行測(cè)試，以標(biāo)準(zhǔn)樣塊或者樣柱的性能代表多極磁環(huán)的性能。但由于成型階段樣塊、樣柱與多極磁環(huán)的取向磁路不同，樣塊、樣柱采用平行磁場(chǎng)取向，多極磁環(huán)采用徑向多極磁場(chǎng)取向，因此，簡(jiǎn)單地用樣塊、樣柱性能代表磁環(huán)性能是不合理的。

2) 取樣法：在磁環(huán)成型坯件或者磁環(huán)成品上取樣，但由于磁環(huán)取向磁路結(jié)構(gòu)的特殊性，取樣法測(cè)得的性能亦不能準(zhǔn)確代表磁環(huán)性能，此外該方法還涉及取樣部位的問(wèn)題。

3) 測(cè)試產(chǎn)品性能(裝機(jī)性能)：產(chǎn)品性能主要有表面磁通密度、磁通、裝機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)等，這種測(cè)試方式針對(duì)最終的磁環(huán)產(chǎn)品，相對(duì)直觀、方便。

本文采用磁場(chǎng)分布測(cè)試儀對(duì)所研制的多極磁環(huán)工作面磁通密度分布進(jìn)行測(cè)試，圖7為磁環(huán)實(shí)物圖，圖8為磁環(huán)工作面磁通密度分布波形，波形呈良好正弦性，平均峰值大于0.195 T，最大極差小于0.01 T。

圖7 磁環(huán)實(shí)物圖

3 結(jié) 語(yǔ)

基于燒結(jié)永磁鐵氧體外轉(zhuǎn)子極異方性多極磁環(huán)開發(fā)難度高于內(nèi)轉(zhuǎn)子磁環(huán)，且其具有良好的使用價(jià)值，本文采用預(yù)磁化粉料制備、多脈沖磁場(chǎng)取向干法成型技術(shù)，選擇變電壓充磁方法,研制了一款外轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)用鐵氧體極異方性多極磁環(huán)，其工作面磁通密度分布具有正弦性良好，峰值高，極差小的特點(diǎn)，搭載該款磁環(huán)的外轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)較好地滿足了小功率風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。整體研制工藝對(duì)其他系列多極磁環(huán)開發(fā)具有一定參考價(jià)值。