Индуктор для намагничивания многополюсных цилиндрических магнитов
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для намагничивания многополюсных цилиндрических магнитов, используемых в электрических машинах. Технический результат заключается в повышении эффективности намагничивания многополюсных цилиндрических магнитов, создающих поле, распределенное по синусоидальному закону. N-полюсный индуктор содержит N токопроводящих шин (N - число полюсов магнита), равномерно распределенных по окружности. Шины в радиальном сечении имеют форму, зависящую от числа полюсов магнита, величины требуемого поля (размеров магнита) и допустимой плотности тока. Шины в радиальном сечении ограничены линиями, одна из которых является дугой окружности, а радиальные координаты второй границы рассчитываются по формуле. Все шины имеют одинаковые размеры и соединены последовательно. Шины распределены равномерно по окружности с небольшим зазором для изоляции. 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для намагничивания многополюсных цилиндрических магнитов, используемых в электрических машинах.
Одним из наиболее важных требований к многополюсным цилиндрическим магнитам является требование создания в рабочем зазоре электрической машины магнитного поля с нормальной компонентой, распределенной по синусоидальному закону. Отклонение нормальной компоненты поля в радиальном сечении рабочего зазора электрической машины от синусоиды приводит к снижению эффективности ее работы, 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 цилиндрические магниты целесообразно намагничивать таким образом, чтобы создаваемые ими поля имели нормальную компоненту, распределенную по синусоидальному закону в рабочем зазоре машины.
Дополнительным требованием к индукторам является ограничение величины плотности тока в токопроводящих шинах, так как при большой плотности тока шины могут нагреться до высокой температуры, при которой размагнитится намагниченный образец. Для устранения этого эффекта сокращают длительность импульса тока в индукторе. Однако длительность импульса должна быть не менее 0,5 мс [ГОСТ Р 58885-020. Магниты постоянные общепромышленного применения. Классификация. Общие технические требования. Контроль магнитных параметров. М.: Стандартинформ, 2020. С. 5].
Кроме того, поле в объеме намагничиваемого образца должно иметь величину не менее пяти коэрцитивных сил по индукции [ГОСТ Р 58885-020. С. 5]. Для выполнения этого требования по шинам индуктора часто необходимо пропускать весьма большие токи, т.к. их поля взаимно компенсируются в рабочей области индуктора. Это также требует сокращения длительности импульса тока, в особенности при намагничивании редкоземельных магнитов.
Таким образом, при намагничивании многополюсных цилиндрических магнитов, кроме обеспечения необходимой ориентации поля в объеме магнита, необходимо обеспечить величину поля достаточную для намагничивания образца до насыщения, длительность импульса тока в индукторе не менее 0,5 мс и плотность тока в проводниках индуктора, при которой он не нагреется до слишком высокой температуры, обычно, не выше 100°С.
Для одновременного удовлетворения всех перечисленных требований индуктор должен иметь токопроводящие шины достаточно большого сечения, а форма сечения шин должна обеспечивать такое распределение тока постоянной плотности, при котором поле в рабочей области имеет требуемые величину и направление.
В некоторой степени этим требованиям удовлетворяет индуктор, описанный в изобретении «Индуктор для импульсного намагничивания многополюсных роторов» [а.с. 1670705 А1 СССР, №4617680/07 /Карелов Д.Л.; заявл. 01.10.88; опубл. 15.08.91, Бюл. 30. 3 с]. Однако, форма его шин не обеспечивает создания намагничивающего поля требуемой ориентации.
Известен индуктор для намагничивания многополюсных роторных магнитов [Multipolar magnetizing device for permanent magnets: p. 4470031 US / Steingroever et al.; filed Sep.28, 1982. 8 p.], состоящее из токопроводящих стержней кругового сечения, установленных параллельно оси индуктора и равномерно распределенных по окружности. Индуктор также содержит цилиндрические стержни из магнитно-мягкого материала, расположенные между токопроводящими стержнями для усиления магнитного потока, создаваемого токами, текущими в проводниках устройства.
Данное устройство не обеспечивает намагничивания многополюсных магнитов в направлении, при котором магнит создает в рабочем зазоре электрической машины поле с синусоидально распределенной нормальной компонентой.
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.
Такой индуктор недостаточно эффективно намагничивает многополюсные магниты в направлении, при котором магнит создает в рабочем зазоре электрической машины поле с синусоидально распределенной нормальной компонентой.
Цель изобретения - повышение эффективности намагничивания многополюсных цилиндрических магнитов, создающих поле, распределенное по синусоидальному закону.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в уменьшении отклонения ориентации намагниченности многополюсных роторных магнитов от направления, обеспечивающего синусоидальное распределение нормальной компоненты поля магнита в рабочем зазоре машины при допустимой плотности тока в шинах и, соответственно, достаточной длительности импульса.
Решение поставленной задачи осуществляется тем, что N-полюсный индуктор содержит N токопроводящих шин, форма радиального сечения которых зависит от размеров рабочей области, требуемой величины поля в рабочей области (марки магнита), допустимой плотности тока и от назначения намагничиваемого образца. Шины распределены равномерно по окружности с небольшим зазором для изоляции.
На фиг.1 показаны радиальные сечения токопроводов двух- и четырехполюсного индукторов, предназначенных для намагничивания статорных магнитов. Цифрой 1 обозначены токопроводящие шины, цифрой 2 - намагничиваемый образец, цифрой 3 - неэлектропроводящий и немагнитный корпус.
Токи в соседних шинах индуктора направлены в противоположные стороны, что показано крестиками и точками.
На фиг.2 показаны радиальные сечения токопроводов двух- и четырехполюсного индукторов, предназначенных для намагничивания роторных магнитов. Позиция 1 - токопровод, позиция 2 - намагничиваемый образец, позиция 3 - технологический зазор, позиция 4 - корпус 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 промежуткам для обеспечения симметричного N-полюсного намагничивания магнита.
Индуктор изготавливают следующим образом. Из материала с высоким значением электрической проводимости, например, из меди, изготавливают токопроводящую систему, состоящую из N шин. Шины соединяют последовательно "змейкой", причем, начало первой шины и конец последней, присоединяют к источнику питания индуктора.
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 в несколько раз больше осевого размера намагничиваемого многополюсного магнита.
Индуктор работает следующим образом. В отверстие вставляют намагничиваемый образец, либо надевают на индуктор, в случае статорных магнитов. 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, требуемые величина и длительность которого зависят от материала намагничиваемого образца, числа полюсов и объема образца. При этом длительность импульса должна быть не менее 0,5 мс [ГОСТ Р 58885-020. С. 5.].
Намагниченный многополюсный магнит извлекается из индуктора.
Многополюсные цилиндрические магниты, создающие в рабочем зазоре электромагнитное поле с синусоидальной нормальной компонентой, должны намагничиваться в индукторе, по шинам которого токи распределены по синусоидальному закону:
где δ0 - амплитуда линейной плотности тока на границе шины, А/м,
R1 - радиус ближайшей к рабочей области границы сечения шины,
р=N/2 - число пар полюсов индуктора,
0≤α≤π/N - полярная координата элементарного участка границы сечения одной шины.
Теоретически токи индуктора должны располагаться на поверхности расточки статора, при намагничивании роторных магнитов, или расточки ротора, при намагничивании статорных магнитов. Учитывая, что для намагничивания многополюсных цилиндрических магнитов необходимы весьма большие токи (δ0~107 А/м), изготовить идеальный индуктор невозможно по техническим причинам.
Предполагаемое изобретение решает эту проблему путем распределения токового настила, описываемого формулой (1), по сечению токопроводящих шин. При этом плотность тока в шинах задается, исходя из допустимой температуры нагрева шины при желаемой длительности импульса тока. Одна из границ сечения шины представляет собой дугу окружности радиуса R1 и угловым размером равным полюсному делению индуктора:
Радиальный размер второй границы сечения шины описывается следующей формулой:
где R1 - заданный радиус известной границы сечения шины, м,
δ0 - заданное амплитудное значение линейной плотности тока, на границе сечения шины радиуса R1, А/м,
δдоп - заданная допустимая плотность тока в шинах, А/м2.
Знак "+" в формуле (3) используется в случае индуктора для намагничивания роторных магнитов, а знак "-" - в случае индуктора для статорных магнитов.
Если в формуле (3) выражение под корнем окажется отрицательным (при расчете границы индуктора для статорного магнита), то нужно либо увеличить плотность тока в шинах (это приведет к уменьшению длительности импульса), либо уменьшить толщину магнита (это приведет к уменьшению δ0 и величины поля намагниченного образца). Оптимальные значения параметров δ0 и δдоп подбираются в процессе расчета индуктора.
Примеры предлагаемых индукторов, показанные на фиг.1 и фиг.2, рассчитаны по приведенному алгоритму. Фигура 3 иллюстрирует процедуру расчета неизвестной границы сечения шины индуктора, предназначенного для намагничивания роторных магнитов.
В Таблице 1 приведены относительные среднеквадратичные отклонения поля магнита (ОСКО), намагниченного в предлагаемом индукторе и прототипе, от синусоиды; плотность тока в шинах прототипа, при которой можно намагнитить магнит с диаметром отверстия 30 мм и внешним диаметром 50 мм, и максимально возможное время импульса тока при указанной его плотности в шинах индукторов. Длительность импульса тока рассчитана при условии, что медные шины нагреются от 30°С до 100°С.
Нечетные строки таблицы содержат данные для прототипа, а четные - для предлагаемого индуктора. Причем, одна часть таблицы содержит данные для индуктора, предназначенного для намагничивания многополюсных статорных магнитов (МПСМ), а вторая - для многополюсных роторных магнитов (МПРМ). Материал магнита - магнитопласт на основе нежебора с остаточной индукцией 0,6 Тл и коэрцитивной силой по индукции 440 кА/м.
Из данных Таблицы 1 следует, что МПСМ можно намагнитить индуктором - прототипом только в случае N=2. При большем числе полюсов длительность импульса становиться слишком короткой при пропускании по стержням индуктора необходимых токов. Предлагаемый индуктор обеспечивает намагничивание магнита и для большего числа полюсов. Это достигается за счет оптимальной формы и размеров шин индуктора.
В случае индуктора для намагничивания МПРМ эффект близости шин проявляется слабее, т.к. шины расположены снаружи цилиндрического магнита. Поэтому намагнитить рассматриваемый образец можно всеми индукторами. Однако во всех случаях ОСКО поля магнита, намагниченного в предлагаемом индукторе, меньше, чем при намагничивании прототипом.
На фигуре 4 показано поле четырехполюсного уединенного роторного магнита, намагниченного прототипом (штрихованная линия) и предлагаемым индуктором (штрихпунктирная линия), а также синусоида (сплошная линия) в пределах полюсной зоны.
Таким образом, использование предлагаемого индуктора обеспечивает существенно лучшее, чем прототип, качество намагничивания многополюсных роторных магнитов при необходимой длительности импульса тока и величине намагничивающего поля.
Индуктор для намагничивания многополюсных цилиндрических магнитов, содержащий N токопроводящих шин, соединенных последовательно, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности намагничивания магнитов, шины в радиальном сечении ограничены линиями, одна из которых является дугой окружности, а радиальные координаты второй границы рассчитываются по формуле
где R1 - заданный радиус известной границы сечения шины, м,
δ0 - заданное амплитудное значение линейной плотности тока на границе сечения шины радиуса R1, А/м,
δдоп - заданная допустимая плотность тока в шинах, А/м2,
α - угловая координата точки границы шины;
знак "+" соответствует индуктору для намагничивания роторных магнитов,
знак "-" - индуктору для намагничивания статорных магнитов.
