李 俊，孙青海，唐晓东，冯双久

(1．淮南联合大学，安徽淮南232038;2．安徽大学，安徽合肥230039)

0 引 言

近年来，随着科学技术的飞速发展和人民生活水平的不断提高，新型永磁电机被广泛应用于各行各业，如应用于船舶、汽车、航空、航天、舰艇、低温制冷机、钻井设备、皮带运等领域［1－4］。目前的发电机和永磁电机都采用齿槽结构［5］，目前国内外专利中解决齿槽效应的方法有:(1)选择合适的极槽配合;(2)减小槽口宽度;(3)采用斜槽和斜极;(4)选择合理的极弧系数;(5)齿上加辅助槽等方法［6－8］，但均难以从根源上解决齿槽效应。

为了更好地解决以上问题，辐射取向各向异性磁环和极取向各向异性磁环成为目前国内外研究的热点，其优点在于应用于交流的伺服电动机和无刷电动机，无论电机旋转主轴处于何种角度，都能够提供稳定的力矩输出，同时具有尽可能小的齿槽效应来减少电机运行过程中产生的震动和噪声［9］。

1 稀土永磁多极磁环简介

1.1 多极磁环的分类

多极磁环按材质分类，分为铁氧体永磁多极磁环和稀土永磁(主要是钕铁硼)多极磁环;按照制造方法分类，分为各向同性和各向异性以及烧结磁体和粘结磁体之分;各向异性还可分为辐射取向和极取向两种［10］。目前在所有多极磁环中，极各向异性烧结钕铁硼多极磁环是性能最高的一种，在磁材和微电机行业应用广泛［11］。

1.2 极取向各向异性磁环

烧结钕铁硼多极各向异性磁环的性能比其他任何多极磁环的性能都高，其表面磁通密度比各向同性铁氧体高5 倍左右，比通常用的粘结钕铁硼磁环高2 倍以上。其与多件烧结钕铁硼磁瓦粘合成的磁环相比，不仅装配方便，省时省工省材料，可靠性也相应的提高，磁通密度也提高了20% 左右［12］。

1.3 辐射取向各向异性磁环

辐射取向的烧结钕铁硼磁环目前在国内也是研究的热点，其特点在于辐射取向磁环可以辐射充磁，应用于特定场合。也可以多级充磁，而且理论上可以充任意多的偶数极［13］。

1.4 极取向与辐射取向各向异性磁环性能对比

在上述两种磁环实际应用于电机的对比中，多磁极各向异性磁环与辐射各向异性磁环相比较，其性能更加优越。原因在于:(1)前者产生的表面磁通密度为近似正弦波态，而后者为方波态。(2)前者的表面磁通密度为后者的1．5 倍左右，产生的能量比后者高得多。多磁极各向异性烧结钕铁硼磁环，广泛应用于无刷直流电动机、交流无刷同步电动机中，以其延伸产品中成为不可缺少的关键元件，如:(1)主轴电动机(硬盘、软盘驱动等);(2)伺服电机(机器人、数控设备等精密控制系统);(3)汽车电机(电动助力转向等);(4)各种执行器［14］。

2 多极各向异性极取向烧结钕铁硼磁环的制备

2.1 极取向烧结钕铁硼磁环坯料制备工艺流程

图1 为多极各向异性极取向烧结钕铁硼磁环的制备流程图。主要包括以下步骤:

图1 多极各向异性极取向烧结钕铁硼磁环的制备流程图

(1)根据磁环所需表面磁通的大小，选择钕铁硼配方AxByCmDn，其中A 为Nd，B 为Fe，C 为B，D为Ho、Zr、Gd、Pr、Dy、Al、Nb、Tb、Co 中的一种或几种，各元素重量比x 为15%～20%，m 为0．5%～3%，n 为10%～20%，y 为其余;

(2)配料后，在真空中进行熔炼;

(3)将所得铸锭粗破碎处理;

(4)细磨制粉处理，使平均粒径为3～5 μm 之间;

(5)将粉末注入成型模具中采用取向磁场压制，模具含有4n(n 为正整数)个充磁极，压制磁环外径为Do，内径为Di，其内径Di、外径Do、与极数p之间的满足如下关系:

取向磁场采用脉冲电流产生，取向磁场的设计是根据电流I、导线匝数n、磁环中心线与多匝漆包线或铜棒中心线之间的距离d、磁场强度之间的关系:

(6)在真空烧结炉中烧结和回火处理，工艺设计如下:首先于900～1 600℃温度烧结1．0～3．0 h，然后于400 ℃～600 ℃回火0．5～3．0 h，随后降温速率为0．5 ℃/min～10 ℃/min;

(7)表面电镀处理;

(8)检测;

(9)包装处理［15－17］。

2.2 极取向烧结钕铁硼磁环充磁工艺流程

2．2．1 多极充磁工艺原理简介

多极充磁是指于同一磁体上充两对以上磁极的磁钢磁化过程。多极充磁技术涉及到以下相关性能指标:(1)充磁机的工作特性;(2)充磁头(或充磁线圈)的设计方案;(3)永磁体磁钢的性能。杨晓明、刘凤琴［18］对典型的充磁结构进行了报道，指出目前以脉冲磁场进行永磁体磁钢磁化的主流工艺，其基本原理实际上是一个典型的R－L－C 电路:由电容器组、可控硅以及充放电控制电路和充磁头(或充磁线圈)所组成的脉冲强磁场发生装置产生大电流进行瞬间放电，利用产生的脉冲强磁场对永磁体磁钢进行充磁。

2．2．2 电容脉冲放电充磁机

所采用的磁性材料性能、充磁机的工作特性和充磁线圈设计方案是影响磁钢充磁效果的三大因素。赵晨初［19］对低电压大电容脉冲放电充磁机的充磁原理与充磁过程进行了相关的报道，其原理图如图2 所示。

图2 低电压大电容脉冲放电充磁机的方框原理图

该充磁机的整流充电回路由电源变压器、桥式整流器、贮能电容器三部分组成。电源变压器将初始输入的220 V、50 Hz 交流电输送至分档的次级绕组，次级绕组电压经桥式整流成单向脉冲电流贮入电容器作为充磁的能量源。在电源变压器前加装自耦调压器可获得连续可调的次级电压;电容器两端的充电电压按充磁回路的要求，可由连续改变输入电源变压器的初级电压来调节。

进行磁钢充磁的脉冲充磁回路，其原理为R－L－C 放电回路。其中电容器作为贮能元件产生充磁所需能量。充磁回路的开关元件由晶闸管(可控硅)控制，使得在尽量短的时间内，通过尽可能大的电流［19］。

2．2．3 充磁磁头的设计原理

充磁磁头的研制制约着整体充磁机的发展，解决充磁磁头的设计难题对磁钢的多极充磁具有决定性意义。沈稼丰［20］报道了影响充磁磁头性能的相关因素:

(1)充磁线圈的电感，可由更改充磁头的形式、尺寸及线圈匝数来调节;

(2)充磁线圈的阻尼比，要求阻尼比范围适当，以保证必要的衰减时间;

(3)涡流的影响，要尽量减小涡流对充磁磁场的去磁作用;

(4)漏磁场影响，尽可能减小漏磁场从而增强主磁场;

(5)产生波形的影响，应与转子饱和磁场所需波形尽量一致;

(6)安装与测量的便利，要便于紧固、冷却、装卡、定位及磁场测量等［20］。

3 稀土永磁多极磁环在无刷直流电动机领域的应用

3.1 无刷直流电动机简介

随着永磁材料和电子器件相关技术研究的发展，无刷直流电动机越来越成为机电领域研究的热点之一。无刷直流电动机因其具有机械特性和调节特性的线性度好，可调速度范围大，寿命长，维护简便，无齿槽效应等优点，被广泛应用于航空航天、工业自动化等各领域的变速驱动、伺服驱动中［21－23］。但在实际应用中无刷电动机存在转子动态特性参数与电机参数匹配的问题，从而容易使线圈发热，导致电机效率下降［24］。因此设计高效率的无刷直流电动机，还需在电机转子的磁材材质选择方面如钕铁硼配方、转子磁钢厚度，电机内部结构设计方面如气隙厚度等进行相关的探索研究。

3.2 稀土永磁多极磁环应用于无刷直流电动机的研究进展

对无刷直流电动机的磁路优化分析，目前国内主要采用有限元模拟的方法，主要的软件有ANSYS有限元分析软件［25－26］。采用此方式可以极大地节约工艺成本，尤其是在复杂的电机结构方面分析，能产生巨大的经济效益［27－28］。目前王瑞、高尚应用ANSYS 有限元分析软件对无刷直流电动机的本体结构进行仿真计算，以期在理论支持基础上获取最优的相关结构参数从而提高电机的输出效率，达到电机节能的目的，是目前较早关于将稀土永磁多极磁环应用于无刷直流电动机的研究报道［29］。

4 结 语

稀土永磁多极磁环尤其是辐射取向各向异性磁环和极取向各向异性磁环是目前国内外研究的热点，其优点在于应用于交流的伺服电机和无刷电机，无论电机旋转主轴处于何种角度，都能够提供稳定的力矩输出，同时具有尽可能小的齿槽效应来减少电机运行过程中产生的震动和噪声。故其优异的性能使得其对于开发新一代的无刷直流电机有重要的研究意义，研究稀土永磁多极磁环尤其是极取向各向异性磁环具有广阔的应用前景。

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