吕欢剑，郭德森

(1.杭州史宾纳科技有限公司，杭州 311307；2.中国电子科技集团第28研究所，南京 210007)

0 引 言

永磁同步电机根据转子位置设计可分为内转子型与外转子型，外转子型永磁同步电机转子在外，定子在内，既具有永磁同步电机定子励磁电流小，力能指标高，易于调速，节能效果好等优点;又具有转动惯量大，散热能力好，节省铜线，电机效率与输出功率高等优点[1],在风机、轮毂电机、曳引机等领域广泛应用[2]。

对于外转子结构永磁同步电机，其转子一般需要设计成Halbach永磁阵列结构，这是由于Halbach永磁阵列具有诸多优势：良好的单边聚磁效应，可以提高电机的气隙磁通密度，在永磁体用量相等情况下，提高电机转矩密度与功率密度；Halbach永磁阵列内部已形成闭合磁路，转子轭部磁通密度大幅减小，可以降低转子轭部厚度，转子内半径增大，力能指标提升[3]；Halbach永磁阵列强侧磁场的磁通密度分布波形呈良好正弦性，优化电机反电动势波形，降低齿槽转矩与转矩波动。这种Halbach永磁阵列主要分为Halbach永磁阵列磁环和拼装式Halbach永磁阵列，前者是将各向同性磁环或者辐射取向磁环置于多极磁化线圈，运用电容式脉冲充磁机释放脉冲大电流饱和磁化得到；后者是将磁化方向不同的永磁体按Halbach阵列规律进行拼装排列得到。

烧结永磁铁氧体极异方性多极磁环是永磁铁氧体材料中的后起之秀，其外圆周或内圆周表面磁场呈N、S极交替同轴排列，内部磁矩呈Halbach阵列结构，工作面磁通密度分布具有良好的正弦性，性能价格比高，被广泛运用于内转子型永磁同步电机。相比于铁氧体各向同性磁环与辐射取向磁环，其具有更高的磁性能；相比于拼装式Halbach永磁阵列，铁氧体极异方性多极磁环可以省去繁琐的拼装过程，永磁同步电机制造难度与成本降低，且具有更优的正弦性气隙磁密分布波形与反电动势波形。目前，这类铁氧体极异方性多极磁环绝大部分用于内转子型永磁同步电机。对于外转子型永磁同步电机，需要转子磁环尺寸大且壁薄，工作面(磁场强侧)在内圆，这对烧结铁氧体工艺是一个挑战。对于小功率外转子型永磁同步电机，考虑到制造成本，永磁铁氧体相比于稀土永磁材料具有很强的竞争优势，为此，对外转子型永磁同步电机用铁氧体极异方性多极磁环的开发显得尤为必要。

本文基于铁氧体干法成型工艺，采用粉料预磁化处理、多脉冲磁场取向等技术，研制外径72 mm、内径60 mm、高度50 mm的10极高性能铁氧体极异方性多极磁环。磁环内圆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，搭载该磁环的外转子型永磁同步电机满足小功率风机的驱动要求。

1 烧结铁氧体内转子与外转子极异方性多极磁环

1.1 内转子极异方性多极磁环

烧结铁氧体内转子多极磁环工作面(磁场强侧)在磁环的外圆面，成型阶段需在环形模腔外侧施加径向多极磁场对磁粉进行取向，使其具备各向异性[4]，被广泛用于永磁电机，极对数可以由1对极到24对极，甚至更多；外径尺寸可由10 mm以下到70 mm以上，已形成系列产品。表1列出了部分量产的烧结铁氧体内转子多极磁环的规格、型号及产品性能。

表1 部分烧结铁氧体内转子多极磁环规格

1.2 外转子极异方性多极磁环

烧结铁氧体外转子用多极磁环的工作面(磁场强侧)在磁环的内圆面，最初主要通过等方性(各向同性)磁环或辐射取向磁环配合得当的多极充磁技术获得。等方性磁环工艺简单，但性能低，大大限制其应用；辐射取向磁环可以辐射状充磁，也可以根据需要径向多极充磁，但其表面磁通密度波形一般呈方波状，要获得表面磁通密度分布正弦波的波形则需要在充磁极头形状、充磁能量等方面进行复杂的调整、匹配，且其性能不如径向多极取向的磁环。

外转子极异方性多极磁环的成型阶段需在环形模腔内侧施加多极取向磁场，使膜腔内磁粉定向排列。多极取向磁场设计空间有限，且这类磁环一般尺寸较大、壁薄，开发难度高于内转子极异方性多极磁环。图1为内、外转子极异方性多极磁环结构。

(a) 6极内转子

2 外转子多极磁环研制过程

2.1 预磁化粉料制备

将牌号为Y35的锶铁氧体一次预烧料进行二次球磨，对二次球磨的料浆进行预磁化处理，在预磁化磁场的作用下，料浆内的单畤颗粒沿磁场方向定向，由无序状态转为整齐排列，如图2所示，排水并烘干得到预磁化料块[5]。对此料块进行粉碎、过筛，形成粒径在0.1～0.7 mm的粉料颗粒，这种粉料颗粒具有良好的流动性、成型性，其内部众多单畤颗粒取向一致。在磁场成型阶段只要使这种粉料颗粒沿磁场方向定向排列就能保证所有单畤颗粒取向基本一致，利于提高取向度。为保证后续成型的润滑性与粘结性，可适量添加硬脂酸钙、樟脑等添加剂并混合均匀。

(a) 无序状态

2.2 多脉冲磁场取向干法成型

外转子多极磁环一般壁薄，轴向高度大，湿压成型的抽水系统设计困难且效率低下，难以满足大批量生产需要。干压成型无需抽水，效率高，但由于没有水的润滑作用，取向程度和磁性能不及湿压成型。为此，成型阶段如何在型腔内侧设计足够高的多极取向磁场成为研制关键。

多极取向磁场一般通过电励磁与永磁体励磁方式产生，外转子多极磁环的取向磁场需要在型腔内侧产生，其空间有限，难度更高。通过将高性能烧结NdFeB永磁体在型腔内侧进行排列组合的方式难以获得理想的多极取向磁场，磁场强度难以快速调节，成型坯件难以退磁；直流电励磁方式适用于单方向取向场合，在有限空间内难以获得高的安匝数，建立的多极取向磁场(静磁场)不够大且发热严重。

脉冲磁场具有持续时间短、功耗小、场强高的特点，由电容放电脉冲式充磁电源和多极取向线圈产生，其基本原理如图3所示，C为储能电容器组，L为多极取向线圈，U为直流电源，R为限流电阻，K为大功率开关。充电时，K接通A点，储能电容器组C充电至设定电压；放电时，K接通B点，储能电容器组放电，高峰值脉冲电流通过低阻抗、高强度的多极取向线圈，产生强大的脉冲多极取向磁场[6-7]，实现对型腔内磁粉颗粒的定向。单个脉冲电流峰值高，维持时间短，一般在毫秒级，在成型过程难以同时满足使磁粉颗粒转动取向并维持取向织构的需要。为此，采用多个脉冲电流组合的方式，脉冲电流间隔在毫秒级，使得磁粉颗粒在型腔内由自然松装到压紧的过程中始终受到脉冲磁场的取向作用。

图3 脉冲磁场产生原理

图4 取向线圈截面示意图

2.3 烧结

烧结的目的是使成型好的坯件在低于熔点的高温作用下，发生固相反应与晶粒长大，形成具有一定强度、密度、几何尺寸、电磁性能的铁氧体产品。由于外转子多极磁环坯件尺寸大且薄壁，为保证烧结收缩均匀、防止烧结开裂与粘连，要求匣钵底部平整，或在坯件与匣钵之间均匀放置氧化铝粉。烧结采用回转式电窑，加热元件为硅碳棒，整个过程分为升温阶段、保温阶段及降温阶段，升温阶段速度不宜过快，保温阶段温度为1 200 ℃～1 230 ℃，时间2～4 h，坯体降温至100 ℃以下方可出窑。

2.4 磨制

由于六角铁氧体晶体长大速率的各向异性，磁环坯件在空间不同方向上的收缩不同，各向异性磁体在平行与垂直于择优取向方向的收缩量分别为22%和13%。磁环内圆面在成型阶段受到N、S极交替同轴排列的多极磁场的取向作用，烧结完成的磁环坯体内圆面收缩成不规则的形状，如图5所示。此外，由于成型坯件难以做到各处密度完全一致，烧结后磁环会存在轻微的变形、凹凸、倾斜及翘曲等几何缺陷，所以需要对其进行磨制，使之达到尺寸精度，满足装配要求。磨制过程分为外圆磨，端面磨，内圆磨、倒角、清洗及烘干。外圆磨采用无心磨床，外圆面磨至真圆后作为基准在通过式端面磨床磨制磁环端面，再以外圆面为基准将不规则的内圆面磨至真圆，内圆面的设计磨削余量不宜过大，否则会降低磁环使用性能。磨制完成后的磁环应保证外观完好，满足设定的尺寸与形位公差。

图5 烧结坯体端面轮廓

2.5 多极充磁与性能检测

2.5.1 多极充磁

多极充磁磁场由电容放电脉冲充磁设备与多极充磁夹具产生[9]，其原理与前述多极取向相同，不予赘述。外转子磁环充磁需将充磁夹具置于磁环内侧，充磁夹具极头数目与磁环极数相等，极头中心需对准磁环取向时极头中心位置。极头与被充磁磁环内圆面间距尽可能小，且充磁夹具与磁环同轴放置，配合过松、位置不同轴会导致充磁磁路气隙磁阻增大、各极磁化效果不均匀等问题；磁环位于充磁夹具中部，避免充磁夹具上下端边缘效应导致充磁效果轴向不均匀。

(a) 充磁电压300 V

永磁铁氧体电阻率大，涡流损耗小，充磁时脉冲电流宽度td可比稀土永磁合金更短，相比于改变电容量、充磁极头匝数、导线直径等，采用变电压逼近的方法更为高效合理，如表2所示。

表2 不同充磁电压的充磁效果

2.5.2 性能检测

目前，极异方性多极磁环性能测试方法主要包括：

1) 标样法：采用相同的原料在相同的工艺条件制成标准测试样块或者样柱进行测试，以标准样块或者样柱的性能代表多极磁环的性能。但由于成型阶段样块、样柱与多极磁环的取向磁路不同，样块、样柱采用平行磁场取向，多极磁环采用径向多极磁场取向，因此，简单地用样块、样柱性能代表磁环性能是不合理的。

2) 取样法：在磁环成型坯件或者磁环成品上取样，但由于磁环取向磁路结构的特殊性，取样法测得的性能亦不能准确代表磁环性能，此外该方法还涉及取样部位的问题。

3) 测试产品性能(装机性能)：产品性能主要有表面磁通密度、磁通、装机的反电动势等，这种测试方式针对最终的磁环产品，相对直观、方便。

本文采用磁场分布测试仪对所研制的多极磁环工作面磁通密度分布进行测试，图7为磁环实物图，图8为磁环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，最大极差小于0.01 T。

图7 磁环实物图

3 结 语

基于烧结永磁铁氧体外转子极异方性多极磁环开发难度高于内转子磁环，且其具有良好的使用价值，本文采用预磁化粉料制备、多脉冲磁场取向干法成型技术，选择变电压充磁方法,研制了一款外转子型永磁同步电机用铁氧体极异方性多极磁环，其工作面磁通密度分布具有正弦性良好，峰值高，极差小的特点，搭载该款磁环的外转子型永磁同步电机较好地满足了小功率风机的驱动要求。整体研制工艺对其他系列多极磁环开发具有一定参考价值。