小體積環(huán)形磁鋼徑向多極充磁
趙晨初（浙江東陽儀表電機(jī)廠）
0 引 言
工業(yè)自動(dòng)化中大量采用永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這兩類電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般由徑向多極充磁的環(huán)形永磁體制作。永磁材料要求各向同性，以選用各向同性的永磁鐵氧體居多，也有選用釹鐵硼或釤鈷稀土等新型永磁材料制造的。
永磁同步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與磁轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)有關(guān)
永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與永磁轉(zhuǎn)子的充磁極對(duì)數(shù)有關(guān)
自動(dòng)控制系統(tǒng)中要求永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要盡可能的低，而永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角盡可能的小。因此，這兩類電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)較多，常為5—20對(duì)磁極。而自動(dòng)控制系統(tǒng)中的小機(jī)座號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體的幾體尺寸通常又很小，外徑僅為西8～~20mm．轉(zhuǎn)子表面磁極間距離很小，約2～3mm，要求磁鋼磁化后表面剩磁值500G以上。
為使磁鋼充分磁化，需對(duì)磁鋼施以飽和磁通密度，其安匝數(shù)相當(dāng)于5—10倍矯頑力的磁動(dòng)勢(shì)。
由于礅鋼體積小，充磁線圈鐵心的窗口面積有限，無法安放足夠安匝數(shù)的線圈，即使往外擴(kuò)展鐵心外徑，增大線圈窗口面積，雖然可安放的線圈安匝數(shù)增加了，但隨磁路增長(zhǎng)，漏磁通急劇增大，充磁效果明顯下降，無法獲得理想充磁效果。采用單匝低感線圈，應(yīng)用低電壓大電流峰值的電容脈沖放電的充磁方法可以解決小體積環(huán)形磁鋼徑向多極充磁難的問題。
電容脈沖放電充磁機(jī)
充磁效果好壞取決于磁性材料性能，充磁機(jī)和充磁線圈三大因素。低電壓大電容脈沖放電充磁機(jī)的方框原理圖如圖1所示。
整流充電回路由電源變壓器。橋式整流器和貯能電容器組成。從電源變壓器初級(jí)輸入220V50Hz交流電，分檔的次級(jí)繞組可獲得所需的電壓，該電壓經(jīng)橋式整流成單向脈動(dòng)電流貯入電容器內(nèi)，供作充磁的能量源。為獲得連續(xù)可調(diào)的次級(jí)電壓，可在電源變壓器前加裝一只適當(dāng)容量的自耦調(diào)壓器。連續(xù)改變輸入電源變壓器的初級(jí)電壓，即可任意選擇電容器兩端的充電電壓。充電電容器兩端的電壓按充磁回路的要求選定。
一旦需要檢修線路時(shí)，有必要將電容器上貯存的電荷通過安全放電回路泄放掉，以確保人身安全。
脈沖充磁回路是一個(gè)典型的R-L-C放電回路。電容器是一個(gè)貯能元件，作充磁能量源。晶閘管（可控硅）作充磁回路的開關(guān)元件，要求管子導(dǎo)通的時(shí)間盡可能短，通過的電流盡可能的大，管子的導(dǎo)通和關(guān)斷由可控硅觸發(fā)電路控制。
2單匝低感充磁線圈
圖2為單匝低感充磁線圈斷面圖，線圈由單根漆包線或裸銅線繞制而成。如圖2中，單根導(dǎo)體沿磁環(huán)外表面均布，間隔相反的軸向電流方向造成了磁體徑向圓周均布的空間多極磁場(chǎng)。單根導(dǎo)體周圍填充以環(huán)氧樹脂絕緣材料，如圖中2兼有固化、絕緣雙重作用。圖中3為鐵質(zhì)磁屏蔽套，由于單導(dǎo)體線圈不含鐵心，線圈的電感量很小，保證了充磁過程電流的快速響應(yīng)。
充磁回路總阻抗，電阻部分應(yīng)包括充磁線圈的直流電阻、接線柱的接觸電阻和電容器的內(nèi)電阻；電抗部分應(yīng)包括充磁線圈電感、電容器容抗和充磁回路的分布電抗，這些量的值都十分小，僅在零點(diǎn)幾至幾個(gè)歐姆之間．因此當(dāng)電容器兩端的放電電壓達(dá)到幾百至上千伏后，很易獲得幾千乃至上萬安培的峰值充磁電流，足以形成所需的高磁勢(shì)，使環(huán)形磁體充分磁化。
3****充磁狀態(tài)的合理選擇
充磁回路是一個(gè)典型的R-L-C放電回路，如圖3所示。
由于單根充磁線圈的導(dǎo)線截面積較大（相對(duì)而言），導(dǎo)線長(zhǎng)度較短，因此整個(gè)線圈的直流電阻很小，僅零點(diǎn)兒至幾歐姆。
低電阻低電感量的充磁線圈磬充磁回路中相當(dāng)于短路狀態(tài)，充磁電流為；
V為電容器充電完畢后兩端電壓。
電路的微分方程為
a電路過阻尼時(shí)，充磁初始，電流按指數(shù)規(guī)律急劇上升至峰值，然后逐漸降至零。電流峰值取決于R大小，如圖4所示
b．電路處于臨界阻尼  狀態(tài)，電流峰值達(dá)****值。 c電路處于欠阻尼  狀態(tài)，電路中流過電流將引起衰減振蕩，如圖5所示。
為獲得良好的充磁效果，欠阻尼狀態(tài)的電磁振蕩是所不希望的。因此，總是選擇合適的R-L-C參數(shù)的合理配置，盡可能使得R- 2L／C，或接近相等，以期獲得盡可能大的充磁峰值電流。
d．要指出，接線部位接觸電阻的大小不容忽阮接觸不良不僅影響充磁峰值電流的大小，充磁效果的優(yōu)劣，且有強(qiáng)大沖擊電流在接觸部位引起拉弧打火，損壞充磁線圈，乃至l寸穿充磁機(jī)內(nèi)可控硅之危害。
5結(jié) 語
在20BY永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和43TY永磁同步電動(dòng)機(jī)上采用上述方法作環(huán)形永磁體多極徑向充磁試驗(yàn)，均取得滿意的效果。
a．充磁線圈使用前應(yīng)經(jīng)耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓取充磁電壓的1.5～2倍為宜，以確定充磁過程充磁線圈不被擊穿，否則過電流易損壞充磁機(jī)內(nèi)可控硅元件；
b．充磁線圈內(nèi)徑與磁體外徑以過波配合為宜，配合過松會(huì)引起各向氣隙不勻，影響充磁的整體效果和各極間強(qiáng)度的均勻度。制作時(shí)還應(yīng)事先考慮充磁過程充磁線圈發(fā)熱引起線圈內(nèi)徑膨脹的因素；
c．充磁過程電容器上貯存的電能除少量轉(zhuǎn)化為磁能外，大部分轉(zhuǎn)化為線圈的熱能，充磁線圈長(zhǎng)期反復(fù)充磁工作將引起溫升，過高的溫升降低了充磁線圈的電氣絕緣強(qiáng)度和充磁效果，可用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻或浸入變壓器油內(nèi)工作，也可用多只充磁線圈交替間隔使用；
d．充磁能量選擇應(yīng)適中，只要能滿足磁體的眾多磁疇從雜亂無序的排列轉(zhuǎn)化為整齊規(guī)則取向即可，過高能量只會(huì)引起充磁線圈的過高溫升，充磁能量的大小取決于磁性材料的矯頑力高低和磁體的體積，或者說與材料的單位磁化能成正比，與磁體體積成正比。提高充磁機(jī)充電電壓和增加充磁機(jī)電容量的方法可以提高充磁機(jī)的輸出能量；
e．充磁過程要求電流峰值高，而導(dǎo)通時(shí)間短，即電流波形的前沿陡削。普通可控硅導(dǎo)通時(shí)間常數(shù)大，無法滿足要求，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和遼寧錦州華光電子管廠聯(lián)合研制的KK型快速可控硅能滿足上述要求，該管的特點(diǎn)由原來的中心點(diǎn)導(dǎo)通改為四周同時(shí)面導(dǎo)通，其主要參數(shù)如附表所示。
可控硅系充磁機(jī)關(guān)鍵元件，價(jià)格高，防止管子的浪涌擊穿也是充磁機(jī)使用過程中應(yīng)注意的；
f．充磁線圈的軸向長(zhǎng)度應(yīng)為充磁體軸向長(zhǎng)度的兩倍以上，充磁時(shí)應(yīng)將充磁體置于充磁線圈中部，以免線圈的端部效應(yīng)削弱充磁效果，建議采用雙線圈消除線圈端部效應(yīng)。充磁時(shí)，單導(dǎo)體受電磁力作用，易引起線圈變形。采用與磁鋼外徑同尺寸絕緣棒填充充磁線圈兩端的辦法防止線圈變形，當(dāng)然充磁線圈內(nèi)無磁鋼或填塞物時(shí)應(yīng)禁止通電充磁。
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