一种基于模块化线圈的永磁电机充磁装置及充磁方法与流程

1.本发明属于电机充磁技术领域，更具体地，涉及一种基于模块化线圈的永磁电机充磁装置及充磁方法。


背景技术：

2.永磁电机与传统的电励磁电机相比，具有结构简单、运行可靠、损耗小、效率高的特点。永磁电机的永磁磁体系统通常包含多对磁极，每个磁极由一个或多个独立的永磁体产生的磁场叠加而成，而永磁体又由单块或多块永磁块组成。同一磁极中不同永磁体的充磁方向可以相同也可以不同，但是组成同一永磁体的永磁块具有相同或接近相同的充磁方向。由于永磁体拥有非常强的磁力，所以永磁电机中永磁体的安装成为一个难题。目前永磁电机中永磁体主要有两种安装方式，第一种是先充磁方式，即先将未充磁永磁体磁化为永磁体，再将永磁体安装到永磁电机上。第二种是后充磁方式，即首先将未充磁永磁体装配到永磁电机上，然后使用专门的充磁设备如大型的跑道型线圈，将永磁电机中的未充磁永磁体磁化为永磁体。
3.对于先充磁方式，由于永磁体有很强的磁力，会造成多方面的问题：一是装配定位困难，装配中永磁体间或相互吸引或相互排斥，或者永磁体吸引永磁电机中导磁部件，因而很难将永磁体装配到预定位置；二是装配中容易磕碰损坏永磁体或让其不可逆退磁，永磁体一旦损坏，很难将永磁碎末从永磁体和永磁电机铁磁部件上清除掉；三是装配时常需要借助特殊工装设备，使装配复杂化、成本增加；四是永磁体易吸附周围铁磁物质，铁磁物质受到永磁体吸引，如出膛的子弹般，对人身安全造成严重威胁。
4.现有后充磁方式一定程度的解决了上述的问题，因此成了目前的研究热点，但是由于永磁电机的结构、永磁体放置方式和形状变化繁多，对于现有后充磁方式，不同电机结构、永磁体放置方式和形状的永磁电机需要不同的充磁设备，充磁设备通用性差。这大大增加了永磁电机充磁设备成本，还将导致充磁装置通用性差、装配复杂，不利于大范围的推广。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于模块化线圈的永磁电机充磁装置及充磁方法，旨在解决现有充磁装置通用性差、装配复杂的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于模块化线圈的永磁电机充磁装置，包括：
7.线圈组件，包括若干个线圈，所述线圈的规格与待充永磁电机中各磁极的规格相适配，所述线圈的数量和排列方式根据各磁极所需磁场位形确定，所述线圈组件分单次或多次对应完成对待充永磁电机整列或部分列磁极的充磁，每次充磁的磁极组成单元磁极组；
8.固定底座，采用平板或曲面底座，若干个所述线圈根据待充单元磁极组中各磁极
所需磁场位形、以及磁力线分布特点，可拆卸式固定设置在所述固定底座表面的相应位置上；
9.脉冲电源，若干个所述线圈的进出线按照待充单元磁极组中各磁极所需磁场方向、正接或反接在所述脉冲电源的正负极两端。
10.在其中一个实施例中，当待充永磁电机中每层转子之间具有一定间距时，若干个所述线圈采用紧贴的排布方式、固定设置在所述固定底座表面的相应位置上；
11.当待充永磁电机中每层转子之间紧密排列时，若干个所述线圈采用上下间隔的排布方式、固定设置在所述固定底座表面的相应位置上。
12.在其中一个实施例中，所述固定底座表面阵列排布设有若干个通孔，所述固定底座背面设有两个电源接口，所述脉冲电源的正负极对应与两个所述电源接口相连，若干个所述线圈的进出线按照待充单元磁极组中各磁极所需磁场方向、正接或反接在两个所述电源接口上。
13.在其中一个实施例中，若干个所述线圈的进出线按照所述脉冲电源的容量要求、并接或相互串接连接在两个所述电源接口上。
14.在其中一个实施例中，串接时，当待充单元磁极组中各磁极所需磁场方向相同时，若干个所述线圈相互串接连接在两个所述电源接口处；当待充单元磁极组中各磁极所需磁场方向不相同时，若干个所述线圈按照其对应充磁磁极所需磁场方向、分组串接连接在两个所述电源接口上。
15.在其中一个实施例中，所述固定底座采用环氧板制成；若干个所述线圈通过螺杆可拆卸式固定在所述固定底座表面的相应位置上。
16.第二方面，本发明提供了一种基于上述的模块化线圈的永磁电机充磁装置的充磁方法，包括如下步骤：
17.(1)选取若干个与待充永磁电机中各磁极规格相适配的线圈，所述线圈的数量和排列方式根据待充永磁电机中各磁极所需磁场位形确定，所述线圈组件分单次或多次对应完成对待充永磁电机整列或部分列磁极的充磁，每次充磁的磁极组成单元磁极组；
18.(2)根据待充单元磁极组中各磁极所需磁场位形、以及磁力线分布特点，将若干个所述线圈可拆卸式固定设置在所述固定底座表面的相应位置上；
19.(3)按照待充单元磁极组中各磁极所需磁场方向，将若干个所述线圈的进出线正接或反接在所述脉冲电源的正负极两端，开始充磁；
20.(4)当当前待充单元磁极组中各磁极充磁饱和后，移动充磁装置至下一个单元磁极组重复步骤(3)和(4)，直到完成对整个电机的充磁。
21.在其中一个实施例中，步骤(2)，包括如下步骤：
22.根据单元磁极组中各磁极所需磁场位形、以及磁力线分布特点，初步确定若干个所述线圈在所述固定底座表面的排布方式；
23.按照所述排布方式，并结合充磁时若干个所述线圈的中心与待充磁极的中心对齐的前提，再将若干个所述线圈可拆卸式固定在所述固定底座表面的相应位置上。
24.在其中一个实施例中，步骤(3)，包括如下步骤：
25.根据所述脉冲电源的容量要求，将若干个所述线圈的进出线并接或相互串接在所述脉冲电源的正负极两端。
26.在其中一个实施例中，串接时，当所述单元磁极组中各磁极所需磁场方向相同时，若干个所述线圈相互串接连接在脉冲电源的正负极两端处；当所述单元磁极组中各磁极所需磁场方向不相同时，若干个所述线圈按照其对应充磁磁极所需磁场方向、分组串接连接在脉冲电源的正负极两端上。
27.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
28.(1)本发明提供的基于模块化线圈的永磁电机充磁装置，具有如下技术效果：a)简单易装，适用面广。线圈组件部分采用分体结构，并通过固定底座相连接。运输和安装均优于现有装置，能适用于不同规格、不同场景下电机的整体充磁。b)灵活性强。将现有的一种大型的跑道型线圈拆分成不同的小线圈，能构造更为复杂多样的磁场分布。并且相比跑道型线圈，小线圈的绕制及加固更容易，加工时间更短，适合标准化生产，减少设计周期，降低生产成本。c)在相同电流情况下，如图4所示跑道型大线圈中间的磁场部分会偏低，导致需要更大的电流使中间部分的永磁体磁化；而如图6所示尺寸相近的模块化后的四个小线圈产生的磁场相对更均匀，有利于永磁体的磁化，降低对电源容量的要求。d)维护方便。当整个充磁装置出问题时，只需测量各个小线圈的电阻等方式判断损坏的区域后，将新线圈替换固定于底座单元上即可。
29.(2)针对现有充磁装置通用性差、装配复杂的问题，本发明提供的基于模块化线圈的永磁电机充磁方法，通过对多个线圈的灵活配合实现对磁场分布的调控，能够解决现有充磁装置设备庞大、安装及维护复杂的问题，可适用于不同规格、不同场景下电机的整体充磁。
附图说明
30.图1和图2分别是一实施例中基于模块化线圈的永磁电机充磁装置的正反面结构示意图；
31.图3是一实施例中线圈可拆卸式固定设置在固定底座上的剖面结构示意图；
32.图4是现有后充磁方式中跑道型线圈充磁设备的磁场分布矢量图。
33.图5和图6分别是本发明提供的相邻线圈之间产生磁力线的横截面及立体结构磁场分布矢量图；
34.图7是一实施例中基于模块化线圈的永磁电机充磁方法的流程图；
35.图8是一实施例中待充永磁电机中转子的侧视图；
36.图9是一实施例中给图8中永磁电机进行充磁的线圈排布结构示意图；
37.图10是另一实施例中待充永磁电机中转子的侧视图；
38.图11和图12分别是另一实施例中给图10中永磁电机进行充磁的线圈排布结构、及立体结构部分线圈组件通电后的磁场分布矢量图；
39.图13是又一实施例中待充永磁电机中转子的侧视图；
40.图14是又一实施例中给图13中永磁电机进行充磁的线圈排布结构示意图；
41.图15是再一实施例中待充永磁电机中转子及充磁线圈的局部侧视图；
42.图16a是一实施例中线圈电流一定，内径为160mm时磁场分布矢量图；
43.图16b是一实施例中线圈电流一定，内径为240mm时磁场分布矢量图。
具体实施方式
44.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
45.本发明提供了一种基于模块化线圈的永磁电机充磁装置，以解决现有充磁装置通用性差、装配复杂的问题。
46.参见图1和图2，本发明提供的基于模块化线圈的永磁电机充磁装置，包括线圈组件100、固定底座200和脉冲电源，其中，线圈组件100可拆卸式固定设置在固定底座200上。充磁时，将线圈组件100紧贴放置在待充磁磁极上，然后将线圈组件100和脉冲电源接通，脉冲电源放电产生脉冲电流，线圈组件100在脉冲电流下产生电磁场，通过该电磁场给待充永磁电机中的各磁极进行充磁。
47.需要说明的是，本发明提供的基于模块化线圈的永磁电机充磁装置，优选用于表贴式电机转子整体充磁，这种结构下永磁体与充磁装置的距离可以贴的很近，磁场损耗低；对于内嵌式电机转子，由于硅钢叠片导磁的影响，实际施加在永磁体区域的磁场会降低，所需要的能量更大，对电源的容量要求更高。因此，在用于对内嵌式电机转子进行整体充磁时，需选用容量要求更高的脉冲电源。
48.本发明提供的线圈组件100，包括若干个线圈10，线圈10的规格与待充永磁电机中各磁极的规格相适配，线圈10的数量和排列方式根据各磁极所需磁场位形确定，线圈组件可分单次或多次对应完成对待充永磁电机整列或部分列磁极的充磁，每次充磁的磁极组成单元磁极组。具体的线圈的数量和排列方式将在后续的实施例中加以详细阐述。
49.本发明提供的固定底座200，采用平板或曲面底座等形状，若干个线圈根据单元磁极组中各磁极所需磁场位形、以及磁力线分布特点，可拆卸式固定设置在底座表面的相应位置上。
50.在本实施例中，固定底座200的形状主要根据单元磁极组中各磁极在电机转子芯的排布位置进行相应选择，本实施例不作限制，比如当单元磁极组中各磁极位于电机转子芯的同一平面上时，可选用平板底座。进一步地，固定底座200可优选采用环氧板制成，若干个线圈通过螺杆40可拆卸式固定在固定底座200表面的相应位置上，具体可参见图3。
51.图5和图6分别是本发明提供的相邻线圈之间产生磁力线的横截面及立体结构磁场分布矢量图。可以理解的是，磁力线分布越密说明磁场越强。由图5和图6可知，相邻线圈之间产生磁力线的分布特点为：主要分布在线圈的中心区域，相邻线圈之间有一部分区域分布较少，也即是说，线圈中心的磁场最强，相邻线圈之间的部分区域磁场较弱。根据该特点，结合单元磁极组中各磁极所需磁场位形，将选取的若干个线圈可拆卸式固定设置在固定底座200表面的相应位置，具体其设置原理将在后续的实施例中加以详细阐述。
52.进一步地，为节约成本，降低对脉冲电源的容量要求，选取的若干个线圈在对单元磁极组中的各磁极进行充磁时，最好要保证线圈的中心与其对应充磁的磁极的中心相对齐，使得施加在各磁极的磁场最强。避免线圈中心偏移磁极中心，导致磁极所在区域的磁场较低，所需能量更大，对脉冲电源的容量要求更高。也即是说，根据单元磁极组中各磁极所需磁场位形、以及磁力线分布特点，初步确定所选线圈在底座上的排布方式后，还需再根据线圈中心与磁极中心对齐的原则，将初步确定的线圈排布方法稍做调整后，再将所选线圈
可拆卸式安装在底座表面的相应位置上。
53.本发明提供的脉冲电源，若干个线圈的进出线按照待充单元磁极组中各磁极所需磁场方向、正接或反接在脉冲电源的正负极两端。
54.在本实施例中，当待充单元磁极组中仅包含同一磁场方向的磁极时，即全部包含n磁极或s磁极时，假设正接对应线圈产生磁场的方向为磁极的s方向，在对全部包含s磁极的单元磁极组进行充磁时，可将固定底座200上设置的若干个线圈的进出线逐个并联正接在脉冲电源的正负极两端，或者将若干个线圈的进出线相互串接后，正接在脉冲电源的正负极两端。同理可知对全部包含n磁极的单元磁极组进行充磁的接线方式，在此不再赘述。即当待充单元磁极组中仅包含同一磁场方向的磁极时，若干个线圈的进出线并接或全部串接后，正接或反接在脉冲电源的正负极两端。
55.当待充单元磁极组中既包括n磁极也包括s磁极时，可将若干个线圈中对应给s磁极充磁的各线圈进出线并接或相互串接后，正接在脉冲电源的正负极两端；将若干个线圈中对应给n磁极充磁的各线圈进出线并接或相互串接后，反接在脉冲电源的正负极两端。即当待充单元磁极组中既包括n磁极也包括s磁极时，若干个线圈的进出线并接或分组串接后，正接或反接在脉冲电源的正负极两端。
56.具体地，采用并接还是串接的连接方式，主要根据脉冲电源的容量要求决定。在相同磁场大小的目标下，并接所需的放电最大电压等级低一些，主线路电流大一些；串接需要更大的放电电压，但主线路电流会小一些，即当脉冲电源的最大电压输出能力较小时，可采用并接的连接方式，反之，则采用串接的连接方式。
57.为使接线更加直观明了，更易收理，防止接错，还可在本发明提供的底座表面阵列排布设置若干个通孔20，底座背面设置两个电源接口300，脉冲电源的正负极对应与两个电源接口300相连，若干个线圈的进出线按照待充单元磁极组中各磁极所需磁场方向、正接或反接在两个电源接口300上。
58.本实施例将若干个线圈的进出线全部设置在底座的背面，需充磁时将脉冲电源的正负两极对应连接在两个电源接口300处。充磁过程中，当当前单元磁极组充磁完成后，只需要移动充磁装置至下一个单元磁极组，然后根据该单元磁极组中各磁极所需磁场的方向，调整若干个线圈进出线在两个电源接口300上的正接或反接方式即可，可使接线更加方便可靠，提高接线效率，避免接线复杂导致接线出错的可能。
59.总体而言，本发明提供的基于模块化线圈的永磁电机充磁装置，具有如下技术效果：a)简单易装，适用面广。线圈组件部分采用分体结构，并通过固定底座相连接。运输和安装均优于现有装置，能适用于不同规格、不同场景下电机的整体充磁。b)灵活性强。将现有的一种大型的跑道型线圈拆分成不同的小线圈，能构造更为复杂多样的磁场分布。并且相比跑道型线圈，小线圈的绕制及加固更容易，加工时间更短，适合标准化生产，减少设计周期，降低生产成本。c)在相同电流情况下，如图4所示跑道型大线圈中间的磁场部分会偏低，导致需要更大的电流使中间部分的永磁体磁化；而如图6所示尺寸相近的模块化后的四个小线圈产生的磁场相对更均匀，有利于永磁体的磁化，降低对电源容量的要求。d)维护方便。当整个充磁装置出问题时，只需测量各个小线圈的电阻等方式判断损坏的区域后，将新线圈替换固定于底座单元上即可。
60.参见图7，本发明还提供了一种基于上述模块化线圈的永磁电机充磁装置的充磁
方法，包括步骤s10、步骤s20、步骤s30和步骤s40，详述如下：
61.s10，选取若干个与待充永磁电机中各磁极规格相适配的线圈，线圈的数量和排列方式根据各磁极所需磁场位形确定，线圈组件分单次或多次对应完成对待充永磁电机整列或部分列磁极的充磁，每次充磁的磁极组成单元磁极组。
62.s20，根据待充单元磁极组中各磁极所需磁场位形以及磁力线分布特点，将若干个线圈可拆卸式固定设置在底座表面的相应位置上。
63.s30，按照待充单元磁极组中各磁极所需磁场方向，将若干个线圈的进出线正接或反接在脉冲电源的正负极两端，开始充磁。
64.s40，当当前待充单元磁极组中各磁极充磁饱和后，移动充磁装置至下一个单元磁极组重复步骤s30和s40，直到完成对整个电机的充磁。
65.在一个实施例中，步骤s20还包括如下步骤：
66.根据单元磁极组中各磁极所需磁场位形、以及磁力线分布特点，初步确定若干个线圈在固定底座表面的排布方式。
67.按照上述排布方式，结合充磁时若干个线圈的中心与待充磁极的中心对齐的前提，再将若干个线圈可拆卸式固定在固定底座表面的相应位置上。
68.在一个实施例中，步骤s30，具体包括如下步骤：
69.根据脉冲电源的容量要求，将若干个线圈的进出线并接或相互串接在脉冲电源的正负极两端。具体地，串接时，当单元磁极组中各磁极所需磁场方向相同时，若干个线圈相互串接连接在脉冲电源的正负极两端处；当单元磁极组中各磁极所需磁场方向不相同时，若干个线圈按照其对应充磁磁极所需磁场方向、分组串接连接在脉冲电源的正负极两端上。
70.具体地，本发明提供的充磁方法中各步骤的操作原理，可参见前述装置实施例中的详细介绍，在此不再赘述。
71.为更清楚地说明本发明提供的若干个线圈的数量以及其在固定底座表面上的排列方式，以下举例说明：
72.实施例1
73.图8是本发明一实施例提供的待充永磁电机中转子的侧视图，需要说明的是，图8中，待充永磁电机中各磁极所需磁场方向用n极和s极表示。由图8可知，本实施例提供的永磁电机转子层数为4层结构，考虑到每层转子中各磁极所需磁场方向排列顺序相同，故可采用分单次完成对整列磁极的充磁方式来完成对整个电机的充磁。
74.同时又考虑到相邻线圈之间磁力线分布的特点(即相邻两个线圈之间有一部分的磁场较低)，结合本实施例提供的永磁电机中转子结构，即每层磁极之间有一定的间隔距离，由此可以确定单元磁极组(如图8中圆圈标记处)，对应地，可以确定选取的线圈数量为4个；4个线圈在固定底座的排布方式如图9所示，即采用紧贴排布结构线圈完成对该电机转子的整体充磁。
75.具体地，本实施例提供的充磁方法为：
76.(1)将线圈排布如图9所示，线圈中心与磁极的中心对齐后固定于固定底座上。
77.(2)接线，假设正接对应线圈产生磁场的方向为磁极的s方向。线圈相互串联后，与脉冲电源正接。
78.(3)脉冲电源放电。
79.(4)切换位置至磁极的另一部分进行重复步骤(2)(注意切换磁场方向，即正接和反接)和步骤(3)，直至整个永磁电机磁极均充磁完成。
80.实施例2
81.图10是本发明另一实施例中提供的待充永磁电机中转子的侧视图。由图10可知，由于每层转子排列比较紧密，按实施例1方式充磁会有部分区域因磁力线的分布特点难以充磁饱和，对此可以确定采用切换线圈排列方式(即上下间隔)完成对电机转子的整列充磁，同时采取开关元件或改变接线的方式实现线圈组件的部分放电，具体可参见图11和图12。
82.具体地，本实施例提供的充磁方法为：
83.(1)将线圈排布如图11和图12所示，1a、2a线圈中心能与圆圈中磁极的中心对齐；3a、4a线圈中心能与另外两个磁极的中心对齐的前提下，固定于固定底座上。先将1a、2a线圈对齐圆圈中的磁极中心。
84.(2)接线，假设正接对应线圈产生磁场的方向为磁极的s方向。1a、2a线圈，3a、4a线圈分别相互串联后并联，与脉冲电源通过开关元件正接。
85.(3)1a、2a线圈回路开关闭合，3a、4a线圈回路开关断开，脉冲电源放电。
86.(4)移动充磁装置使3a、4a线圈中心与另外两个磁极的中心对齐。，切断1a、2a线圈与脉冲电源的开关，3a、4a线圈回路开关闭合。
87.(5)脉冲电源放电。
88.(6)切换位置至磁极的另一部分进行重复步骤(2)～(5)(注意切换磁场方向，即正接和反接)，直至整个永磁电机磁极均充磁完成。
89.实施例3
90.图13是本发明又一实施例中提供的待充永磁电机中转子的侧视图，由图13可知，本实施例提供的电机转子的永磁体非常规方式排列。如果对圆框处进行整体充磁，由于一极上永磁体充磁方向并不相同，因此单个跑道型线圈实现整极的整体充磁非常困难，而采用模块化线圈结构，在相应的位置放置单个线圈，如图14所示，并通过对线圈的进出线的正负极与脉冲电源正负极正接或反接实现对磁场方向的控制，从而实现电机转子的整体充磁。
91.具体地，本实施例提供的充磁方法为：
92.(1)将线圈排布如图14所示，线圈中心与磁极的中心对齐后固定于固定底座上。
93.(2)接线，假设正接对应线圈产生磁场的方向为磁极的s方向。假设黑线分别为脉冲电源的正负极出线，线圈1b/3b/5b/7b/9b正接，线圈2b/4b/6b/8b/10b反接，分别与脉冲电源连接起来。
94.(3)脉冲电源放电。
95.(4)切换位置至磁极的另一部分进行重复(2)和(3)步骤(注意切换磁场方向，即正接和反接)，直至整个永磁电机磁极均充磁完成。
96.实施例4
97.图15是本发明再一实施例中提供的待充永磁电机中转子及充磁线圈的局部侧视图，磁极列方向为y方向，图中选取整列充磁线圈组件其中一个充磁线圈作为分析模型。由
图15可知，由于硅钢叠片的良好导磁性能，相邻永磁体区域也会存在一定大小的磁场分布，因此在对中间永磁体充磁的过程中，可能会对相邻已充或待充永磁体产生退磁的影响。如图16a和图16b所示，当线圈电流一定，线圈内半径增大时，中间永磁体充磁饱和的区域随之增加，部分区域存在未完全充磁饱和，同时相邻永磁体的磁场也随之增强。因此本案例中需要保证相邻永磁体的磁场大小要小于使永磁体退磁的矫顽力，避免相邻永磁体发生退磁，将整列磁极分区域多次线圈放电进行磁化。
98.具体地，本实施例提供的充磁方法为：
99.(1)将线圈沿磁极y方向依次排布，线圈中心与中间磁极的中心对齐后固定于固定底座上。
100.(2)接线，假设正接对应中间磁极所需充磁方向。将线圈依次正接，分别与脉冲电源连接起来。
101.(3)脉冲电源放电。
102.(4)切换位置至中间磁极的未饱和区域进行重复(2)和(3)步骤，直至整列永磁电机磁极均充磁完成。
103.(5)移动线圈至下一个磁极，重复步骤(2)～(4)(注意切换磁场方向，即正接和反接)，直至整个永磁电机所有磁极均充磁完成。
104.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。