一种永磁电机充磁方法及充磁组件

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一种永磁电机充磁方法及充磁组件\n技术领域\n[0001] 本发明涉及永磁电机领域，具体涉及一种永磁电机充磁方法及实现该方法的充磁组件\n背景技术\n[0002] 永磁电机与传统的电励磁电机相比，具有结构简单、运行可靠、损耗小、效率高的特点。永磁电机的永磁磁体系统通常包含多对磁极，每个磁极由一个或多个独立的永磁体产生的磁场叠加而成，而永磁体又由单块或多块永磁块组成。同一磁极中不同永磁体的充磁方向可以相同也可以不同，但是组成同一永磁体的永磁块具有相同或接近相同的充磁方向。例如图1中，永磁电机的永磁磁体系统共有四个位于电机转子10上的磁极21、22、23、\n24，按照N极-S极的排列顺序沿转子10环向均布，每个磁极都主要由两块独立的永磁体产生的磁场叠加而成，其中磁极21由永磁体31和32、磁极22由永磁体32和33、磁极23由永磁体33和34以及磁极24由永磁体34和31产生的磁场叠加而成，而每个永磁体又由七块永磁块拼接而成，如永磁体32由永磁块：41、42、43、44、45、46和47拼接而成。本文中将还未被充磁无磁性的永磁体称为未充磁永磁体。\n[0003] 由于永磁体拥有非常强的磁力，所以永磁电机中永磁体的安装成为一个难题。目前永磁电机中永磁体主要有两种安装方式，第一种是先充磁方式，即先将未充磁永磁体磁化为永磁体，再将永磁体安装到永磁电机上。第二种是传统后充磁方式，即首先将未充磁永磁体装配到永磁电机上，然后使用专门的充磁设备将永磁电机中的未充磁永磁体磁化为永磁体。\n[0004] 以上两种永磁体安装方式都存在不足。\n[0005] 对于先充磁方式，由于永磁体有很强的磁力，会造成多方面的问题：一是装配定位困难，装配中永磁体间或相互吸引或相互排斥，或者永磁体吸引永磁电机中导磁部件，因而很难将永磁体装配到预定位置；二是装配中容易磕碰损坏永磁体或让其不可逆退磁，永磁体一旦损坏，很难将永磁碎末从永磁体和永磁电机铁磁部件上清除掉；三是装配时常需要借助特殊工装设备，使装配复杂化、成本增加；四是永磁体易吸附周围铁磁物质，铁磁物质受到永磁体吸引，如出膛的子弹般，对人身安全造成严重威胁。\n[0006] 第二种方式——传统后充磁方式同样存在许多不足。首先大部分永磁电机由于受到结构、体积、重量或永磁体外部高导磁材料的屏蔽等限制，不能使用后充磁方式。即使可以，也常只能将永磁电机中装配有未充磁永磁体的部分送入充磁设备中充磁，因而很难做到永磁电机定转子组装完成后再充磁。例如永磁体位于转子上的永磁电机来说，传统后充磁方式只能将装配有未充磁永磁体的转子送入充磁设备中充磁，不能将装配好的整个电机送入充磁设备中，这是因为电机外壳会屏蔽充磁磁场以及充磁线圈距离永磁体远，使得永磁体无法被充磁。另外因为含有永磁体的部分存在很强的磁力，将永磁电机中含有永磁体部分和未含永磁体部分组装到一起会导致同先充磁方式相同的装配难题。其次由于永磁电机结构和空间的限制，导致充磁设备的充磁线圈离未充磁永磁体很远，因而不容易将未充磁永磁体充磁饱和，而且充磁设备产生的充磁磁场方向很难与未充磁永磁体充磁方向一致，这会导致将未充磁永磁体充磁饱和需要付出很大的代价。例如图2(a)中永磁体51到\n58成V型放置在永磁电机转子60上的永磁电机或如图2(b)中永磁体71到76径向放置在永磁电机转子80上的永磁电机，充磁设备只能在电机转子外面对永磁体充磁，而未充磁永磁体靠近电机转轴的一端距离充磁设备比较远，这部分永磁体不易被充磁饱和，为了将其充磁饱和，就必须大幅度提高充磁电流，因此充磁电源要求高，特别对于大型永磁电机，充磁电源容量和体积将十分庞大、价格也非常高昂。\n[0007] 另外传统的后充磁方式充磁时，需要将充磁机磁极轴线与永磁电机磁极定位对齐，例如图3所示，四极永磁电机四片永磁瓦111、112、113、114嵌在转子90表面，充磁机\n100的磁场的对称轴121、122、123、124应分别与电机永磁磁极轴线131、132、133、134对齐。若定位不准轴线发生偏移，会产生大的不平衡转矩并且永磁体只能部分被充磁或充不上磁。\n[0008] 永磁电机的结构、永磁体放置方式和形状变化繁多，对于传统后充磁方式，不同电机结构、永磁体放置方式和形状的永磁电机需要不同的充磁设备，因而传统后充磁方式适宜性差，不同充磁设备不能通用，造成很大的浪费。这大大增加了永磁电机装配成本。例如对不同半径，或不同极数的永磁电机转子充磁，就必须使用不同的型号的充磁设备，不同型号的充磁设备不能通用。\n[0009] 永磁电机永磁体还有一个比较重要的问题是永磁体在过高温度或冲击电流产生的去磁场作用下，以及在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁或失磁，使永磁电机性能下降，甚至无法使用。退磁后的再次充磁，对于先充磁方式再次充磁很难实现。对于传统后充磁方式，必须首先将设备停运，再次将永磁电机拆开，然后装有永磁体的部分放入充磁设备中充磁，充磁后再组装起来。例如永磁风力发电机永磁体失磁后，首先必须将风机停运，然后将其从电网中断开，拆掉风机叶浆，接着将整个风机从几十米高的风机支架上拆卸下来，再运回工厂，将风机转子从定子中拆下来，送入充磁设备中充磁，充磁完毕后，重新将电机组装起来，送回风力发电场，再次安装到风机的支架上，这是一个十分耗时、费力而成本高昂的过程。因而能够避免永磁体失磁和失磁后便于再次充磁的方法具有重要的现实意义。\n[0010] 永磁电机某些情况需要将永磁退磁，现在的工艺中常将小型永磁电机直接放入加热炉中加热使永磁体退磁，这样退磁容易破坏设备的绝缘，还容易导致永磁体表面氧化，对于大型永磁电机该方法也不实用。\n发明内容\n[0011] 本发明的目的在于提供一种永磁电机充磁方法，解决了永磁电机的永磁体难以装配，永磁电机永磁体失磁后需要将永磁电机完全拆卸后才能再次充磁的问题。\n[0012] 本发明的另一目的是提供上述充磁方法的充磁组件。\n[0013] 一种永磁电机充磁方法，具体为：首先在未充磁永磁体表面上缠绕充磁线圈，然后再将缠绕有充磁线圈的未充磁永磁体安装到电机转子或定子上，接着对永磁电机定子转子进行组装，组装完后对充磁线圈充电，线圈产生的充磁磁场方向与未充磁永磁体的充磁方向相同，未充磁永磁体被磁化为永磁体，实现永磁电机的充磁。\n[0014] 进一步地，充磁完成后，充磁线圈保留在永磁体上并将其短接。\n[0015] 实现所述充磁方法的充磁组件，包括未充磁永磁体和缠绕在未充磁永磁体表面上的充磁线圈，未充磁永磁体由一块或多块未充磁永磁块组成，线圈充电产生的充磁磁场与未充磁永磁体的充磁方向相同。\n[0016] 进一步地，所述充磁圈直接缠绕在未充磁永磁体上或者充磁线圈先预制成组件后再装套到未充磁永磁体上。\n[0017] 本发明的技术效果体现在：\n[0018] 1、本发明中充磁方法能够最大限度解决永磁电机永磁体的装配问题。对于有永磁体位于电机内部运动部件上的永磁电机，主要指永磁体位于内转子上的电机，其安装流程见图4(a)，相比于传统后充磁方式，本发明可以在永磁电机定转子安装完毕后再充磁，这样能够避免永磁电机定转子装配困难；当永磁体只位于电机静止部件上或者位于电机外部运动部件上时，主要包括永磁体位于电机定子或者外转子上的情况，永磁电机装配更加简单，其安装流程见图4(b)，可以在永磁电机完全装配完成后，再给未充磁永磁体充磁。\n[0019] 2、本发明中充磁方法与传统充磁方式相比，充磁电源要求大幅度降低，并且能够灵活配合电源。这是因为充磁线圈缠绕在未充磁永磁体表面，并且充磁线圈产生充磁磁场方向与永磁体充磁方向基本一致，除此之外还可以利用永磁电机中为永磁体设计的低磁阻磁路，使电源要求大幅度降低，实现充磁电源的需求最小化，使对大型永磁电机整体充磁成为可能。另外若永磁电机能够采用分段的充磁方式，可使充磁电源进一步小型化，所需电源容量可降到最低，从而可以实现工作现场为永磁电机充磁，不必在厂房内为其充磁，这样也避免了运输过程振动造成永磁体失磁和强磁力带来的安全隐患。各充磁组件可以根据电源的情况灵活改变串并联方式，例如当电源为角低电压大电流形式时可以采用并联形式，而高电压较小电流时可采用串联形式。\n[0020] (3)本发明具有广泛的适用性。本发明中根据未充磁永磁体形状在其表面缠绕充磁线圈，使充磁线圈产生的磁场方向与永磁体充磁方向一致，这与电机结构尺寸、永磁体放置方式无关，所以能够适应永磁电机结构尺寸、以及永磁体放置方式和形状的变化。\n[0021] (4)本发明永磁体和充磁设备间不需要定位。对于传统的后充磁的方式，永磁体和充磁设备间需要精确定位。若定位不准，则会造成永磁充磁不足或方向偏离，产生的不平衡转矩。本发明不存在定位问题，只要能够保证充磁组件的安装精度，便可以自动保证磁极的位置精度。\n[0022] (5)本发明不增加永磁电机的重量与体积。这是因为充磁线圈所产生的磁场所走磁路与永磁体正常工作时永磁体的工作磁路是一致，永磁电机设计中为充分应用永磁体的磁性，均使永磁体的工作磁路的磁阻尽量小，因而充磁线圈能够充分利用永磁电机提供的最小磁阻磁路，从而减少所需的充磁电源容量。另外该线圈不位于永磁电机工作主磁路上，因而对永磁电机工作磁路影响小。充磁能量的减少使线圈导线用量减少，另外若线圈所占空间原是电工钢片，考虑了线圈填充系数后，线圈的密度小于电工钢片的密度，所以不增加设备重量和体积。\n[0023] (6)本发明对现有永磁电机改动很小。现有的永磁电机经过小的修改就可以采用本发明，永磁电机所需的主要改变是增加线圈所占的空间。这只需要在加工的时候将线圈所占空间一并加工出来即可。\n[0024] (7)本发明对充磁线圈和电机结构强度要求降低。对传统的充磁方式需要非常大的充磁电流，因而有很强的电磁力，易破坏充磁设备和永磁电机机械结构，因而对充磁设备和永磁电机机械强度要求高。本发明中充磁所需充磁电流大大减少，对永磁电机本身的机械结构影响小。另外本发明中充磁线圈被置于设备中，能够利用永磁电机的支持结构，例如利用电机定子或转子的电工钢片作为支持结构，这样限制了线圈应力和变形，从而降低或免去线圈加固结构。\n[0025] (8)本发明中能够削弱由故障电流导致的去磁磁场，避免永磁体失磁。本发明充磁完毕后将充磁线圈保留并且短接，根据楞次定律，闭合线圈具有抵抗磁通变化的能力。当永磁电机发生故障，会产生很大的故障电流，进而产生大的去磁磁场，若不采取措施，永磁体将会失磁。而采用短接线圈的方式能够感应一个相反方向的磁场削弱外磁场对永磁体的去磁作用，有效保护永磁体避免失磁。充磁组件短接可以分别短接或者串并联后在短接。\n[0026] (9)本发明便于失磁后，永磁电机永磁体的再次充磁。对于传统充磁方式失磁后的永磁电机需要再次充磁是一个耗时费力而且成本高昂的过程，本发明中永磁电机可以利用缠绕在永磁体上的组件线圈再次为永磁体充磁。对于永磁体位于内转子上的永磁电机只需拆掉端盖，将充磁电源接到组件线圈上给永磁体再次充磁。这样可以避免了将电机的定子和转子完全拆开，从而节约大量的时间以及人力物力，有效降低成本。对于永磁体位于定子或外转子上的情况，不必拆卸电机，只需将充磁电源接到充磁线圈上给失磁的永磁体再次充磁即可。\n[0027] (10)本发明便于永磁电机永磁铁的退磁。当永磁电机永磁体需要退磁时，本发明只需在充磁线圈中通入交变衰减电流实现永磁体退磁，这样可以不破坏电机绕组绝缘和永磁体表面防氧化层。\n附图说明\n[0028] 图1为永磁电机永磁磁体系统说明图。\n[0029] 图2为部分永磁电机的永磁体放置方式剖面示意图，2(a)为永磁体V型置于电机转子上，2(b)为永磁体径向置于电机转子上\n[0030] 图3为永磁电机磁极方向和充磁设备充磁磁场方向对齐示意图。\n[0031] 图4为本发明永磁电机的装配流程示意图，4(a)是有永磁体位于电机内部运动部件上的永磁电机装配流程图，4(b)是永磁体只位于电机静止部件或者电机外部运动部件上的永磁电机装配流程图。\n[0032] 图5为本发明充磁线圈组件实例示意图，5(a)为安装了充磁组件的永磁电机转子八分之一图，5(b)为充磁组件示意图，6(c)为充磁组件分解示意图。\n[0033] 图6为本发明永磁体位于电机内传子上的永磁电机装配过程的实例示意图。\n[0034] 图7为本发明永磁体位于电机外转子上的永磁电机装配过程的实例示意图。\n[0035] 图8本发明永磁体失磁保护方法示意图。\n具体实施方式\n[0036] 以下为本发明的具体实施方式，这些实施例对本发明的技术特征做进一步的说明，但是本发明并不限于这些实施例。\n[0037] 第一实施例 关于充磁组件的制作与构成。\n[0038] 充磁组件主要包括未充磁永磁体和线圈两部分，其中未充磁永磁体由未充磁永磁块加工成所需形状，图5(a)展示了充磁组件141、142已经安装到永磁电机转子170上的情况；图5(b)展示了一种未充磁永磁体150和充磁线圈160组装成充磁组件的方法，其方法是直接将线圈160套装到未充磁永磁体150上。\n[0039] 图5(c)展示充磁组件142由未充磁永磁体150和线圈160构成，其中长方体形未充磁永磁体150由6块未充磁永磁块151到156粘结成，线圈160是根据未充磁永磁体150的几何尺寸由导线绕制而成的。\n[0040] 第二实施例\n[0041] 图6以永磁体位于内转子上的永磁电机为例，说明了本发明中永磁体位于电机内部运动部件上时，其中一种永磁电机安装和充磁的方法，其安装和充磁方法是首先将充磁组件201到206分别安装到未安装组件的永磁电机转子210相应槽内，组装得到完整的转子220，然后将永磁电机定子230和转子220组装起来，并使用支座250支撑转子220，然后充磁组件201到206的充磁线圈经过串联后接入充磁电源240，电源放电，充磁线圈产生充磁磁场，实现将未充磁永磁体磁化为永磁体。最后将充磁组件201到206的充磁线圈短接并且将端盖260组装起来完成整个电机270的充磁与组装。\n[0042] 第三实施例\n[0043] 图7以永磁体位于外转子上的永磁电机为例，说明了本发明中永磁体位于电机外部运动部件上时，其中一种永磁电机安装和充磁的方法，其安装和充磁方法是首先将各充磁组件300到309安装到未安装组件的永磁电机外转子310相应槽内，组装得到完整的外转子320，然后将端盖340、永磁电机定子330和外转子320组装到一起，从而完成整个电机350的装配，然后将充磁组件300到309的充磁线圈经过串联后接入充磁电源360，电源放电，充磁线圈产生充磁磁场，实现将未充磁永磁体磁化为永磁体。最后将充磁组件300到\n309的充磁线圈短接。\n[0044] 第四实施例\n[0045] 图8以内转子永磁电机为例，说明了充磁组件的防失磁方法，其方法是将充磁完毕的充磁组件401、402、403、404、405和406的充磁线圈使用导线411、412、413、414、415和\n416分别短接，经过短接的线圈可以防止永磁体由于去磁磁场引起的退磁作用。