变频电机充检磁工艺探究及仿真分析

肖胜宇 唐小春 邵珠鑫 高明世

1.广东省珠海市高速节能电机系统企业重点实验室 广东珠海 519070；2.珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 引言

永磁电机，以其效率高、功率密度大、体积小等优点成为电机领域研究的热点，其依靠着转子磁体充磁后剩磁特性所产生的气隙磁场来工作[1,2]。为了发挥电机的优良性能，除了合理的电磁设计外，充磁质量对电机性能的优劣也起着重要作用。对于永磁电机，目前充磁方式主要有平行充磁和径向充磁两种。平行充磁由于工艺简单、设备成本低、充磁易控制且通用程度高等优点，在20世纪90年代以前被国内普遍应用。近些年，由于工艺技术的发展，径向充磁方式也得到了发展[3]。文献[4-6]都对这两种充磁方式进行了理论研究，认为永磁直流电机，径向充磁方式气隙磁通高于平行充磁方式，随着极对数的增加，两者趋于接近。但充磁质量并不仅仅取决于磁化方向，还包括磁化强度、磁化区域内磁密分布等。

文章以150 W永磁电机为例，对不同充磁方式进行Ansoft仿真，探究不同充磁方式对气隙磁密的影响，并阐述了充磁设备充磁原理、能量选择、参数配置、温度补偿等，结合电机充磁工艺，详细研究了提高充磁质量的方式，为永磁电机充磁提供一定的参考意义。

2 充磁原理

图1 脉冲充磁原理图

当开关S1闭合时，电源对C进行充电，至设定值u0时断开S1，此时再闭合开关S2，则电容C与放电回路电阻R（包括线路、线圈等整个回路的总电阻，且R＞0）和线圈电感L组成RLC震荡回路。

充磁参数调试中最理想的情况为情况2，实际生产中一般都处于情况1、情况3。情况1中不存在振荡放电过程，但产生的电流不大，适合矫顽力较低的铁氧体充磁；情况3中有振荡放电过程，产生的电流较其他两种情况都大且脉冲前沿时间短，但由于存在振荡，产生反向电流，对于矫顽力较低的铁氧体存在退磁的危险，因而此种情况适合矫顽力高的稀土永磁体充磁。

充磁时，在转子泵体组件定位完成后瞬间电容开始放电充磁，所以实际充磁时间较短，如果电容C过大，非但不能增加放电电流，反而由于L不可调（线圈设计决定），可能导致电流未到达峰值而转子组件已拔出，而且时间跨度大会导致磁头发热严重，影响磁头使用寿命，因此时间常数不能太大。对于铁氧体充磁，为使振荡回路处于阻尼非振荡放电情况，要求即要求C尽可能大，所以对于铁氧体充磁，电容C必须取一个适当的值，才能达到最佳充磁效果。

3 充磁方向的选择

目前对于永磁电机主要有两种充磁方式：径向充磁和平行充磁。平行充磁由于工艺简单、设备成本低、充磁易控制且通用程度高被广泛使用。而径向充磁恰恰相反，工艺复杂、成本高、充磁难以控制、通用性差、适用范围小，但该方式可得到更大气隙磁密幅值，磁体利用率高。因此，对于不同的电机选用合适的充磁方式，可挖掘磁钢的潜力，提高永磁材料的利用率，改善电机性能。两种充磁方式如图2所示。

图2 两种充磁方式磁化方向对比

由安培环路定理可知，磁化长度为l，矫顽力为Hc的磁钢磁势为：

即磁钢磁势与磁化长度l成正比。如图3所示，在磁钢中心线附近，平行充磁的磁化长度l大于（在中心线时等于）径向充磁方式，在两边则小于径向充磁。因此，平行充磁磁密近似均匀，充磁后铁芯中不易发生局部饱和现象，而径向充磁沿半径由外向内逐渐增加，在磁钢内径处达到最大，当磁钢厚度达到一定值时，靠近磁钢内径处铁芯中易发生局部饱和，限制了气隙磁通的增加，从而降低了磁钢利用率。因而，平行充磁具有更高的气隙磁密峰值潜质，但极数少时，磁钢极弧系数增大，径向磁化方向更接近平行充磁磁化长度，此时平行充磁方式不一定同时具有高的气隙磁通。

图3 磁钢磁化长度随电角度变化曲线

在保证电机其他尺寸材料不变的条件下，以150 W永磁电机为例，建立有限元仿真模型，分析不同磁钢充磁方式对气隙磁场、磁密的影响。仿真结构如图4所示。

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图4 150 W永磁电机仿真模型

从图4可知，平行充磁磁密分布均匀，可提供的磁通大，但漏磁较多，磁钢利用率低；径向充磁在极数多时能提供很大的磁通，漏磁较少，但局部易发生饱和，径向充磁磁密较平行充磁大得多，如图5所示。

图5 不同充磁方式下的气隙磁密比较

平行充磁和径向充磁提供的气隙磁密与磁化长度、极对数（影响极弧系数）及电机结构有关，当极对数高时，径向充磁能提供更大的气隙磁通。此外，两种充磁方式除了影响气隙磁密幅值外，还影响气隙磁密谐波含量、磁钢工作点及退磁性能。

4 充磁能量参数的选择

永磁体要想实现磁性能最优，在选择好充磁方式的情况下，必须进行饱和（或过饱和）充磁，即充磁强度超过饱和磁场强度Hs，一般是内禀矫顽力的3～5倍，实际生产中，永磁体充磁不可能达到绝对的饱和磁化，但必须达到90%以上。

通常要求尽可能多的能量提供给永磁体本身，因此选取效率η≥90%，由于设备L、R值已知，则可算出C值，从而算出所需总能量E。

5 磁钢与转子外表面温度关系及检磁补偿

检磁设备通过测定转子外表面温度来对磁链进行补偿，而实际磁钢温度与转子外表面的温度存在一定的偏差，即便同一时刻、同一转子，不同磁钢的温度也存在不一致性，所以温度补偿只能取大量数据的平均值。由于铁氧体温度系数较大，所以寻求转子外表面温度与磁钢实际值之间的关系对磁链补偿的准确性显得尤为重要。

为弄清磁钢温度与转子外表面温度关系，实现较准确的温度补偿，对150 W永磁电机进行了测试，其测试数据如图6和表1所示。

图6 磁钢平均温度与转子外表面平均温度测试数据

表1 测试数据表

目前实现准确补偿的办法主要有两个：（1）调节测温探头红外线对转子表面的辐射率，使所测温度接近实际温度；（2）寻求磁钢实际温度与转子表面温度的关系，进行温度补偿，使得补偿后的温度更接近磁钢实际温度。

从表1可知，磁钢平均温度与转子表面平均温度相差5.4℃左右，按生产线正常“热套→充磁”节拍，转子外表面的温度一般在55℃～60℃之间，而磁钢温度与转子表面温度大约相差5.4℃左右，因此，可在检测温度的基础上增加5.4℃以补偿到磁钢实际温度。

6 充磁定位偏离角度对气隙磁密及气隙磁通的影响

目前生产线变频电机的充磁定位大多由定位销及副平衡块定位，如图7所示，此种定位方式可能由于以下原因而产生定位偏差：（1）平衡块或定位工装边缘尺寸加工偏差；（2）定位调试偏差；（3）长期充磁导致工装偏离。

图7 充磁工装及平衡块定位图

上述原因都会导致充磁方向偏离磁钢中心线，进而影响气隙磁密，磁体工作点，退磁电流，进而影响电机性能。为阐释平行充磁时，充磁角度偏离对气隙磁场的影响，以150 W永磁电机为例进行了仿真，结果如图8所示。

图8 偏离角度对气隙磁场的影响

从图8可以看出，平行充磁时，磁钢与中心线保证绝对平行，此时充磁的磁密最大，随偏离角度的增大气隙磁密、磁链值减少，且随角度的增大，减少程度增加。因此，应采取有效的措施，以保证充磁工艺中磁钢与中心线的偏离角度尽可能的小。首先，应提高平衡块与定位工装的加工精度，以保证工装尺寸偏差较小；同时在定位时，保证不要产生较大的定位偏差；最后要定期进行工装偏差测量，避免在使用过程中工装发生位移。这样就可以尽可能地减小工装偏差导致的充磁质量问题。

常用生产办法是采用转子铁芯上开制充磁定位孔，进入充磁工位时，工装会轴向移动，定位销插入充磁定位孔，实现精准定位，角度误差可控制在1度以内。

7 充磁时转子偏心对充磁的影响

在实际生产中，转子装配电机偏心，独立后充磁放置偏心是客观存在的，偏心距离大小与电机设计加工精度、工装设备的精度有较大关系。结合150 W永磁电机实际可能存在的偏心值0～0.2 mm范围进行充磁仿真分析，采集了一极下的气隙磁密情况，如图9所示。

定子偏心和转子偏心产生的情况不同，图9以定子偏心为例，举例讲解气隙变化情况。数据显示会导致局部磁密变大，局部下降，气隙产生2阶不平衡力。生产如果能够保证在0.1 mm以内的偏差，对噪声振动的影响较小，偏差过大会产生噪声、振动、寿命等方面的问题。

图9 偏离距离对气隙磁密的影响

8 结论

文章以150 W永磁电机为例，结合Ansoft仿真与测试，研究了不同的充磁方式、磁钢与转子外表面温度关系以及充磁定位偏离角度对电机气隙磁密及气隙磁通的影响。经过研究发现，平行充磁具有磁密分布均匀、磁通大、漏磁多和磁钢利用率低的特点，而径向充磁具有极数多时磁通大、漏磁少和铁芯局部易饱和的特点；检磁补偿时，转子表面温度与磁钢温度有差异，会导致补偿偏差；充磁工装的偏差会导致充磁方向偏离磁钢中心线，进而影响气隙磁密。因此，要提高充磁质量，应采取以下措施：

（1）根据不同的电机，选择合适的充磁方式，合理利用平行充磁和径向充磁的特点；

（2）需进行饱和或过饱和充磁，以实现永磁体磁性能最优；

（3）在工艺上，需加大冷却风道冷却量，尽量使转子热套后的温度较低，并探究测温时转子磁钢温度与外表面温度的对应关系，以实现精准补偿；

（4）在能达到加工工艺的情况下，尽可能地增加平衡块和定位工装的加工精度，以减小磁阻力矩的冲击所导致的充磁定位偏差。