Индуктор для намагничивания многополюсных роторных магнитов
INDUCTOR FOR MAGNETIZATION OF MULTI-POLE ROTOR MAGNETS

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для намагничивания многополюсных магнитов, используемых в электрических машинах, радиальных магнитных муфтах и магнитных редукторах.
Многополюсные роторные магниты должны создавать в рабочем зазоре электрической машины максимально возможное магнитное поле. 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 роторные 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 [Индуктор для намагничивания и термомагнитной обработки n-полюсных с четным числом полюсов роторов электрических машин: а.с. 1334193 А СССР, №3871024/24-07 / Стадник И.П., Клевец Н.И., Баев А.В. и Гриднев А.И.; заявл. 21.03.85; опубл. 30.08.87. Бюл. 32. 3 с.].
Данное устройство предназначено для намагничивания многополюсных магнитов в направлении, обеспечивающем максимальный магнитный поток на полюсы статора. При такой ориентации намагниченности многополюсных магнитов не обеспечивается синусоидальное распределение поля магнита в рабочем зазоре машины.
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.], состоящий 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.
Данный индуктор недостаточно эффективно намагничивает многополюсные роторные магниты в направлении, при котором магнит создает в рабочем зазоре электрической машины поле с синусоидально распределенной нормальной компонентой.
Цель изобретения - повышение эффективности намагничивания многополюсных роторных 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.
Решение поставленной задачи достигается тем, что индуктор содержит N токопроводящих шин, форма сечения которых представляет собой полумесяц. При этом, внутренняя граница сечения каждой шины имеет форму дуги окружности длиной πD/N (D - диаметр рабочей области индуктора), центр которой совпадает с центром сечения индуктора; внешние границы сечения шин имеют форму дуги окружности, центр которой совпадает с центром внутренней границы, а радиус равен хорде, соединяющей центр внутренней дуги с ее концом. Шины распределены равномерно по окружности с небольшим зазором для изоляции.
На фиг. 1 показано радиальное сечение четырехполюсного индуктора, где использованы следующие обозначения: 1 - токопроводящие шины, 2 - корпус индуктора, выполненный из немагнитного электроизоляционного материала, например текстолита, предназначенный для фиксации положения шин, 3 - намагничиваемый образец (четырехполюсный магнит, N=4). Точками и крестиками показано направление тока в шинах индуктора в рабочем состоянии.
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 токопроводящую систему, состоящую из N шин. Шины соединяют "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 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, требуемые величина и длительность которого зависят от материала намагничиваемого образца, числа полюсов и объема образца. Обычно требуется длительность импульса порядка нескольких миллисекунд [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.
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. При ориентации намагниченности под углом β, многополюсный магнит создает в рабочей области машины поле, нормальная компонента которого распределена над полюсом по синусоидальному закону.
Для количественной оценки отклонения намагничивающего поля индуктора от задаваемого формулой (1), можно использовать относительное среднеквадратичное отклонение поля индуктора от идеального поля, вычисляемое по формуле:
где S - площадь сечения магнита,
Jxo, Jyo - компоненты вектора намагниченности идеально намагниченного магнита, вычисляемые по формулам:
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),
0
μ - магнитная постоянная,
T
S - площадь сечения токопроводящих шин,
- вектор плотности тока в шинах индуктора.
2
В формуле (2) вектор намагниченности в обоих случаях должен быть нормирован на единицу, чтобы разность компонент определялась только ориентацией векторов. Формулы (3), (4) обеспечивают выполнение этого требования. При расчете поля индуктора плотность тока в шинах можно положить равной 1 А/м.
В таблице 1 приведены результаты расчета относительного среднеквадратичного отклонения поля прототипа и предлагаемого индуктора от идеального (по ориентации) для различных значений полюсов по формулам (2)-(4). Прототипу соответствуют индексы 1, предлагаемому изобретению - 2.
1
2
1
2
Из данных Таблицы 1 следует, что предлагаемый индуктор при числе полюсов N=2, 4, 6 создает в рабочей области намагничивающее поле, которое отклоняется от требуемого по ориентации, существенно меньше, чем поле прототипа (см. Таблицу 1, Δ и Δ). Это приводит к значительно меньшему отклонению нормальной компоненты поля магнита от синусоидального, чем у прототипа (см. Таблицу 1, ΔB и ΔВ). Причем, положительный эффект в случае магнитов с малым числом полюсов, 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 (1) (сплошная линия - синусоида), индуктором-прототипом (штрихпунктирная линия) и предлагаемым индуктором (штрихованная линия). Относительные среднеквадратичные отклонения полей магнитов от синусоиды равны 12,0% у намагниченного прототипом, и 2,8% - у намагниченного предлагаемым индуктором.
Таким образом, использование предлагаемого индуктора обеспечивает существенно лучшее, чем прототип, качество намагничивания многополюсных роторных магнитов.