Устройство для намагничивания многополюсных статорных магнитов
DEVICE FOR MAGNETIZATION OF MULTIPOLE STATOR MAGNETS

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к устройствам для намагничивания многополюсных магнитов, используемых в электрических машинах, радиальных магнитных муфтах и магнитных редукторах.
Наиболее важной характеристикой поля, создаваемого многополюсным магнитом указанного назначения, является распределение нормальной компоненты поля в рабочем зазоре электрической машины. Отклонение нормальной компоненты поля от синусоиды приводит к снижению эффективности работы электрической машины, выражающемуся 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 [Многополюсный магнит: а.с. 662979 СССР, №2302336/24-07 / Рабинович Я.Д.; заявл. 23.12.75; опубл. 15.05.79, Бюл. 18. Фиг. 2], что вектор намагниченности цилиндрического многополюсного магнита, создающего в полости поле с синусоидальным распределением нормальной компоненты, должен быть ориентирован в соответствии с формулой:
где р - число пар полюсов магнита,
α - полярная координата точки наблюдения вектора намагниченности.
Кроме того, устройство должно создавать в рабочей области поле, величина которого достаточна для намагничивания магнита до насыщения во всем объеме.
Известно устройство для намагничивания многополюсных магнитов, состоящее из токопроводящих стержней кругового сечения, установленных параллельно оси индуктора и равномерно распределенных по окружности [Multipolar magnetizing device for permanent magnets: p. 4470031 US / Steingroever et al.; filed Sep. 28, 1982. 8 р.]. Устройство также содержит цилиндрические стержни из магнитно-мягкого материала, установленные 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.
Известно устройство для намагничивания многополюсных цилиндрических кольцевых магнитов, содержащее зигзагообразную обмотку и экранирующие кольца из электропроводящего материала, расположенные в лобовых частях обмотки [Устройство для намагничивания многополюсных цилиндрических кольцевых магнитов: а.с. 1138840 А СССР, №3594212/24-07 / Палий И.М., Соколов А.Н. и Знов A.M.; заявл. 24.05.83; опубл. 07.02.85, Бюл. 5. 2 с.], выбранное за прототип.
Это устройство не обеспечивает намагничивания многополюсных статорных цилиндрических магнитов, в соответствии с формулой (1), вследствие неэффективной конструкции.
Цель изобретения - повышение эффективности намагничивания 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 устройство имеет токопроводящие шины, форма сечения которых представляет собой сегмент окружности.
На фиг. 1 показано радиальное сечение устройства для намагничивания четырехполюсных магнитов, где использованы следующие обозначения: 1 - токопроводящие шины, 2 - намагничиваемый образец. Точками и крестиками показано направление тока в шинах устройства в рабочем состоянии.
Во всех шинах устройства в момент его работы должны течь одинаковые по величине токи. Наиболее простой способ обеспечения этого требования - последовательное соединение шин «змейкой». При этом концы змейки» следует использовать для подключения источника питания устройства.
Шины устройства должны быть распределены по окружности с равными промежутками для обеспечения симметричного намагничивания магнита.
На фиг. 2 показан общий вид устройства.
Устройство изготавливают следующим образом. Из материала с высоким значением электрической проводимости, например, из меди, изготавливают цилиндрическую токопроводящую систему, состоящую из одинаковых шин, имеющих в радиальном сечении форму сегментов окружности. Шины соединяют «змейкой», причем, начало первой шины и конец последней, присоединяют к источнику питания. В радиальном сечении шины должны быть равномерно распределены по окружности с небольшими промежутками для изоляции.
Осевая длина устройства должна быть больше осевого и радиального размеров намагничиваемого многополюсного магнита для того, чтобы поле в рабочей области (объеме магнита) было плоскопараллельным.
Устройство работает следующим образом. В отверстие намагничиваемого образца вставляют устройство. Между образцом и устройством должен быть технологический зазор, необходимый и достаточный для размещения и извлечения устройства из образца. По проводникам устройства пропускают импульс тока, требуемая величина и длительность которого зависят от материала намагничиваемого образца, числа полюсов и размеров образца. Обычно требуется длительность импульса порядка нескольких миллисекунд [Нестерин В.А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 88 с.].
Устройство извлекают из отверстия намагниченного многополюсного магнита.
Намагничивание многополюсных постоянных магнитов предлагаемым устройством обеспечивает ориентацию вектора намагниченности магнитов близкую к ориентации, задаваемой формулой (1).
Для количественной оценки отклонения намагничивающего поля устройства от задаваемого формулой (1), можно использовать относительное среднеквадратичное отклонение поля устройства от идеального поля, вычисляемое по формуле:
где S - площадь сечения магнита,
Jxo, Jyo - компоненты вектора намагниченности идеально намагниченного магнита, вычисляемые с учетом (1) по формулам:
Jxi, Jyi - компоненты вектора намагниченности магнита, намагниченного в предлагаемом устройстве. Эти компоненты намагниченности вычисляются по следующим формулам:
где  - поле устройства в радиальном сечении рабочей области (магнита),
0
μ - магнитная постоянная,
T
S - площадь сечения токопроводящих шин,
- вектор плотности тока в шинах устройства.
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 устройства величину плотности тока в шинах можно положить равной 1 А/м.
В Таблице приведены результаты расчета относительного среднеквадратичного отклонения поля прототипа и предлагаемого устройства от идеального (по ориентации) для различных значений числа полюсов по формулам (2)-(4). Прототипу соответствуют индексы 1, предлагаемому изобретению - 2, N - число полюсов магнита.
1
2
1
2
Из данных Таблицы следует, что предлагаемое устройство создает в рабочей области намагничивающее поле, которое отклоняется от требуемого по ориентации, в среднем, на величину в 2 и более раз меньшую, чем поле прототипа (см. Таблицу, Δ и Δ). Это приводит к существенно меньшему отклонению нормальной компоненты поля магнита от синусоидального, чем у прототипа (см. Таблицу, ΔB и ΔВ).
На фиг. 3 показаны нормальные компоненты поля над полюсом уединенного четырехполюсного статорного магнита, намагниченного в соответствии с формулой (1) (сплошная линия - синусоида), устройством-прототипом (штрихпунктирная линия) и предлагаемым устройством (штрихованная линия). Относительные среднеквадратичные отклонения полей магнитов от синусоиды равны 7,4% у намагниченного прототипом, и 4,2% - у намагниченного предлагаемым устройством.
Таким образом, использование устройства с токопроводящими шинами, имеющими в сечении форму сегмента, обеспечивает существенно лучшее, чем прототип, качество намагничивания многополюсных статорных магнитов.