Индуктор для намагничивания многополюсных магнитов Российский патент 2022 года по МПК H01F13/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к устройствам для намагничивания многополюсных магнитов, используемых в электрических машинах, радиальных магнитных муфтах и магнитных редукторах.

Многополюсные магниты должны создавать в рабочем зазоре электрической машины максимально возможное, для заданных габаритов и числа полюсов, магнитное поле. Основными характеристиками поля магнитов являются магнитный поток на полюс машины и распределение нормальной компоненты поля в рабочем зазоре. Для обеспечения каждого из этих требований, многополюсные магниты должны быть намагничены в существенно отличающихся по ориентации магнитных полях.

Отклонение нормальной компоненты поля от синусоиды приводит к снижению эффективности работы электрической машины, выражающейся в увеличении потерь на вихревые токи и гистерезис (снижению КПД), увеличению пульсаций вращающего момента двигателя и ЭДС генератора, механических нагрузок на элементы машины, вибраций и шума, создаваемого машиной. В связи с этим многополюсные магниты целесообразно намагничивать таким образом, чтобы создаваемые ими поля имели нормальную компоненту, распределенную по синусоидальному закону в рабочем зазоре машины.

Известно устройство для намагничивания и термомагнитной обработки многополюсных магнитов содержащее токопроводящие стержни, установленные параллельно оси обрабатываемого магнита [Устройство для намагничивания и термомагнитной обработки многополюсных магнитов: а.с. 1027782 А СССР, №3410125/22-02 / Стадник И.П., Клевец Н.И, Баев А.В. и Гриднев А.И.; заявл. 19.03.82; опубл. 07.07.83, Бюл. 25, 3 с.]. Данное устройство предназначено для намагничивания многополюсных магнитов с однонаправленной магнитной текстурой в полюсных зонах. При такой ориентации намагниченности многополюсных магнитов не обеспечивается синусоидальное распределение поля магнита в рабочем зазоре машины.

Известен индуктор для термомагнитной обработки и намагничивания многополюсных роторных магнитов [Индуктор для намагничивания и термомагнитной обработки многополюсных магнитов: а.с. 1690001 А1 СССР, №4671379/07 / Стадник И.П., Горская И.Ю.; заявл. 28.02.89; опубл. 07.11.91, Бюл. 41, 3 с.], содержащий кольцевой (в сечении) магнитопровод, в пазах которого расположена обмотка. Этот индуктор создает в рабочей области поле, отличающееся по направлению от необходимого для намагничивания многополюсных магнитов, создающих синусоидально распределенное поле в рабочем зазоре машины.

Известен индуктор для термомагнитной обработки и намагничивания многополюсных роторных магнитов, состоящий из токопроводящих стержней, установленных параллельно оси индуктора на одинаковом расстоянии от нее [Индуктор для намагничивания и термомагнитной обработки многополюсных магнитов: а.с. 1791858 А1 СССР, №4671380/07 / Стадник И.П., Горская И.Ю.; заявл. 28.02.89; опубл. 30.01.93, Бюл. 4, 4 с.], выбранный за прототип.

Данный индуктор не обеспечивает намагничивания многополюсных магнитов в направлении, при котором магнит создает в рабочем зазоре электрической машины поле с синусоидально распределенной нормальной компонентой.

Цель изобретения - повышение эффективности использования материала многополюсных магнитов, создающих поле, распределенное по синусоидальному закону.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в уменьшении отклонения ориентации намагниченности многополюсных магнитов от направления, обеспечивающего синусоидальное распределение нормальной компоненты поля магнита в рабочем зазоре машины.

Решение поставленной задачи достигается тем, что индуктор имеет токопроводящие шины, форма сечения которых представляет собой дугу окружности. При этом оптимальная длина дуги зависит от числа полюсов индуктора (намагничиваемого магнита).

На фиг. 1 показано радиальное сечение четырехполюсного индуктора, где использованы следующие обозначения: 1 - токопроводящие шины, 2 - корпус индуктора, предназначенный для фиксации положения шин, 3 - намагничиваемый образец (четырехполюсный магнит, N=4). Точками и крестиками показано направление тока в шинах индуктора в рабочем состоянии.

Оптимальный угловой размер радиального сечения шин (в градусах) вычисляется по следующей формуле:

где N - число полюсов индуктора.

Величину углового размера сечения шин можно округлить до целого значения, а также увеличить или уменьшить на один градус без существенного снижения эффективности работы индуктора.

Во всех шинах индуктора в момент его работы должны течь одинаковые по величине токи. Наиболее простой способ обеспечения этого требования - последовательное соединение шин "змейкой". При этом концы двух шин следует использовать для подключения источника питания индуктора.

Шины индуктора должны быть распределены по окружности с равными промежутками для обеспечения симметричного N-полюсного намагничивания магнита.

На фиг. 2 показан общий вид индуктора. Индуктор изготавливают следующим образом.

Из материала с высоким значением электрической проводимости, например, из меди, изготавливают цилиндрическую токопроводящую систему, состоящую из N шин. Шины соединяют "змейкой", причем, начало первой шины и конец последней, присоединяют к источнику питания индуктора. Угловые размеры шин рассчитывают по формуле (1). Шины также можно изготовить из медной трубы подходящих размеров.

Из немагнитного и неэлектропроводящего прочного материала, например, компаунда на основе эпоксидной смолы, изготавливают корпус индуктора, который необходим для фиксации шин в требуемом положении, т.к. при протекании тока по шинам между ними возникают электромагнитные силы, которые стремятся изменить положение шин относительно друг друга. Осевая длина индуктора должна быть больше осевого размера намагничиваемого многополюсного магнита.

Индуктор работает следующим образом. В отверстие вставляют намагничиваемый образец. Между образцом и корпусом индуктора должен быть технологический зазор, необходимый и достаточный для размещения и извлечения образца, который должен плотно входить в рабочую область индуктора. По проводникам индуктора пропускают импульс тока, требуемая величина и длительность которого зависят от материала намагничиваемого образца, числа полюсов и объема образца. Обычно требуется длительность импульса порядка 10 мс [Нестерин В.А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 88 с.].

Намагниченный многополюсный магнит извлекается из индуктора.

В связи с тем, что шины индуктора представляют собой сплошные проводники тока относительно большого размера, в импульсном режиме работы может наблюдаться ярко выраженное неравномерное распределение тока по сечению шины (скин-эффект). Это приведет к тому, что распределение намагничивающего поля в рабочей области индуктора будет отклоняться от требуемого. Для устранения этого эффекта и обеспечения качественного намагничивания многополюсных магнитов, шины изготавливают из параллельно соединенных проводников одинакового размера. Шины также можно изготовить из плетеного провода.

На фиг. 2 показан индуктор с шинами, состоящими из параллельно соединенных проводников.

Такой индуктор работает аналогично описанному выше примеру.

Для снижения пульсаций вращающего момента двигателя и ЭДС генератора полюсы ротора (статора) делают скошенными на одно зубцовое деление статора (ротора). В случае сплошного многополюсного магнита, снижения пульсаций вращающего момента можно добиться путем скоса шин индуктора на угол, соответствующий угловому размеру зубцового деления пакета статора (ротора) машины. На фиг. 2 показаны шины со скосом.

Намагничивание многополюсных постоянных магнитов в предлагаемом индукторе обеспечивает ориентацию вектора намагниченности магнитов близкую к ориентации, задаваемой следующей формулой [Многополюсный магнит: а.с. 662979 СССР, №2302336/24-07 / Рабинович Я.Д.; заявл. 23.12.75; опубл. 15.05.79, Бюл. 18, 2 с.]:

где α - угловая координата точки наблюдения в радиальном сечении многополюсного магнита. Знак "+" в (2) соответствует статорным магнитам, а знак "-" - роторным.

Для количественной оценки отклонения намагничивающего поля индуктора от задаваемого формулой (2), можно использовать относительное среднеквадратичное отклонение (ОСКО) поля индуктора от идеального поля, вычисляемое по формуле:

где S - площадь сечения магнита,

Jxo, Jyo - компоненты вектора намагниченности идеально намагниченного магнита, вычисляемые по формулам [Многополюсный магнит: а. с. 662979 СССР, №2302336/24-07 / Рабинович Я.Д.; заявл. 23.12.75; опубл. 15.05.79, Бюл. 18. 2 с.]:

Jxi, Jyi - компоненты вектора намагниченности магнита, намагниченного в предлагаемом индукторе. Эти компоненты намагниченности вычисляются по следующим формулам:

где - поле индуктора в радиальном сечении рабочей области (магнита),

μ₀ - магнитная постоянная,

S_T - площадь сечения токопроводящих шин,

- вектор плотности тока в шинах индуктора.

В формуле (3) вектор намагниченности в обоих случаях должен быть нормирован на единицу, чтобы разность компонент определялась только ориентацией векторов. Формулы (4), (5) обеспечивают выполнение этого требования. При расчете поля индуктора плотность тока в шинах можно положить равной 1 А/м².

В Таблице приведены результаты расчета относительного среднеквадратичного отклонения поля прототипа и предлагаемого индуктора от идеального (по ориентации) для различных значений полюсов по формулам (3) - (5). Прототипу соответствуют индексы 1, предполагаемому изобретению - 2.

В последней колонке Таблицы приведено оптимальное значение углового размера сечения шин индуктора (в градусах). Оптимальные угловые размеры шин для различных значений числа полюсов (N) найдены путем решения задачи минимизации выражения (2). Аппроксимация зависимости t(N) методом наименьших квадратов позволила получить выражение (1). Относительная среднеквадратичная погрешность аппроксимации оптимального размера шин по формуле (1) не превосходит 2,5%.

Из данных Таблицы следует, что предлагаемый индуктор создает в рабочей области намагничивающее поле, которое отклоняется от требуемого по ориентации, в среднем, на величину приблизительно в 2 раза меньшую, чем поле прототипа (см. Таблицу, Δ₁ и Δ₂). Это приводит к существенно меньшему отклонению нормальной компоненты поля магнита от синусоидального, чем у прототипа (см. Таблицу, ΔB₁ и ΔВ₂). Причем, положительный эффект в случае магнитов с малым числом полюсов (N=4, 6), которые наиболее часто используются на практике, выражен наиболее сильно.

На фиг. 3 показаны нормальные компоненты поля уединенного четырехполюсного роторного магнита, намагниченного в соответствии с формулой (2) (сплошная линия - синусоида), индуктором-прототипом (штрихованная линия) и предлагаемым индуктором (штрихпунктирная линия). Относительные среднеквадратичные отклонения полей магнитов от синусоиды равны 12,0% у намагниченного прототипом, и 3,8% - у намагниченного предлагаемым индуктором.

На фиг. 4 показано поле статорного четырехполюсного магнита в рабочем зазоре электрической машины. Сплошная линия - поле идеального магнита; пунктирная - поле магнита, намагниченного прототипом; штрихпунктирная линия - поле магнита, намагниченного предлагаемым индуктором.

Таким образом, использование индуктора с токопроводящими шинами оптимального размера обеспечивает существенно лучшее, чем прототип, качество намагничивания многополюсных роторных магнитов.

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам для намагничивания многополюсных магнитов в направлении, обеспечивающем создание магнитом поля с синусоидальным распределением нормальной компоненты в рабочем зазоре электрической машины. Предлагаемый индуктор содержит N токопроводящих шин (N - число полюсов магнита), равномерно распределенных вдоль образующей цилиндрического магнита. Сечение шин представляет собой дугу окружности, угловой размер радиальных сечений шин равен 240 / N ± 1 градусов, при этом шины имеют скос вдоль оси индуктора на одно полюсное деление статора или ротора электрической машины, в которой будет работать намагничиваемый магнит. Технический результат заключается в повышении качества намагничивания многополюсных роторных магнитов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Индуктор для намагничивания N-полюсных роторных магнитов, содержащий проводники электрического тока и корпус из немагнитного и неэлектропроводящего материала, отличающийся тем, что проводники тока выполнены в виде шин, форма сечения которых представляет собой дугу окружности и угловой размер радиальных сечений которых равен 240 / N±1 градусов, при этом шины имеют скос вдоль оси индуктора на одно полюсное деление статора или ротора электрической машины, в которой будет работать намагничиваемый магнит.

2. Индуктор по п. 1, отличающийся тем, что шины выполнены из проводников, соединенных параллельно в каждой шине.