永磁转子静态磁场测量方法、格栅、工装及其应用与流程

1.本技术涉及永磁同步电机设计与加工技术领域，具体涉及永磁转子静态磁场测量方法、格栅、工装及其应用。


背景技术：

2.随着永磁材料的性能不断提高和完善，永磁同步电机的开发成为日渐成熟的技术。永磁同步电机利用设置于转子上的永磁体提供静态磁场，进而在气隙中与转子动态电磁场发生耦合以产生扭矩，具有结构简单、能量密度高、效率高等优点。
3.永磁同步电机在进入批量化生产前需进行原型样机的开发，样机开发阶段一般分为设计阶段、加工制造阶段以及测试阶段，测试阶段用以对原始设计结构进行验证。由于气隙耦合磁场直接决定扭矩特性，因此在样机设计阶段对各部件参数进行全局优化，其目的都是为了对气隙磁场进行优化。但由于气隙耦合磁场是旋转静磁场与其他磁场的复杂耦合态，为时空三维变量，较难观测，因此对原始设计结构的验证通常通过对比第三阶段的测试数据与第一阶段的仿真数据来进行。例如对空载反电势进行测试，以侧面反映永磁同步电机的输出特性，如空载反电势未能达到标准，则必须报废拆解试验样机重新进行调整。


技术实现要素：

4.本发明至少提供了一种永磁转子静态磁场测量方法、格栅、工装及其应用，能够通过对已加工完成的永磁转子的静态磁场进行测量，为提前预测样机测试效果提供条件，从而提高样机开发效率。
5.根据本发明第一方面提供的永磁转子静态磁场测量方法，包括：在永磁转子的轴向一侧沿所述永磁转子的圆周方向选择若干径向切面；在所述径向切面内，沿所述永磁转子的径向选择若干径向分布点位；在所述径向切面内，沿所述永磁转子的轴向选择若干轴向分布点位；在所述径向切面内，以经所述径向分布点位沿所述永磁转子轴向延伸的直线与经所述轴向分布点位沿所述永磁转子径向延伸的直线的交点为测量点位，分别进行静态磁场磁感应强度的测量。
6.通过本发明提供的上述技术方案，能够借助在永磁转子加工完成后对其进行的静态磁场测量，了解和掌握空间静态磁场的实现表现特性，以此判断其加工是否满足了设计要求，从而为预测样机的测试结果提供了条件，保障了在样机整机装配前诊断出永磁转子的加工问题，大大地增加了样机开发的成功率，降低了时间与成本代价。
7.在一些实施例中，所述径向切面沿所述永磁转子的圆周方向等角度分布，所述测量点位在所述径向切面内等距阵列分布。
8.在一些实施例中，所述测量点位在所述永磁转子轴向上的分布从永磁转子的端面起始，沿所述轴向向外至1-3倍气隙高度为止。
9.在一些实施例中，所述测量还包括记录所述测量点位在所述永磁转子圆周方向上的角度数值以及所述测量点位在所述永磁转子径向方向上的半径数值。
10.在一些实施例中，所述永磁转子静态磁场测量方法还包括对所测量的数值进行处理，形成所述静态磁场的可视化三维分布图。
11.根据本发明第二方面提供的永磁转子静态磁场测量格栅，包括测量格栅主体，所述主体具有一定厚度，垂直于所述厚度方向的截面为圆形截面或圆环形截面；所述主体一侧端面上沿所述主体圆周方向分布若干沿所述主体径向延伸的定位槽，所述定位槽沿所述主体径向的两侧壁设置有相对延伸的若干定位凸起；所述主体的圆周面上分布有与所述定位槽对应、沿所述主体厚度方向排布的若干测量孔，所述测量孔与所述定位槽径向贯通。
12.在一些实施例中，所述定位槽沿所述主体圆周方向等角度分布，所述定位凸起与所述测量孔以相同间隔分别沿所述主体径向和所述主体厚度方向等距分布。
13.在一些实施例中，所述主体的另一侧端面形成有外凸部或用于容纳所述永磁转子轴向端部的内凹部。
14.根据本发明第三方面提供的永磁转子静态磁场测量工装，包括本发明第二方面提供的永磁转子静态磁场测量格栅和点位定位板，所述点位定位板可插入所述定位槽并由相对的所述定位凸起限位。
15.在一些实施例中，所述永磁转子静态磁场测量工装还包括转子套筒和转子定位座，所述转子定位座用于测量时所述永磁转子和所述转子套筒的定位，所述转子套筒用于测量时所述测量格栅的定位。
16.本发明第四方面还提供了根据本发明第一方面所提供的方法在旋转电磁设备样机开发中的应用，所述旋转电磁设备包括永磁转子，所述旋转电磁设备样机开发包括样机设计、样机制造和样机测试，所述应用包括在所述永磁转子加工完成后及在样机组装之前，根据所述方法测量的数值预测所述样机的测试效果。
17.在一些实施例中，所述旋转电磁设备包括永磁同步电机、永磁发电机、永磁变速机或磁齿轮。
18.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.图1是根据本发明实施例的永磁转子静态磁场测量工装的爆炸图。
20.图2是根据本发明实施例的永磁转子静态磁场测量格栅的主视图。
21.图3是图2所示测量格栅的立体视图。
22.图4是示例性的永磁转子静态磁场的三维分布可视化测量效果图。
23.图5是一个应用实例中，永磁同步电机中永磁转子的静态磁场测量效果图。
24.图6是一个应用实例中，磁齿轮中永磁转子的静态磁场测量效果图一。
25.图7是图6所示应用实例中，磁齿轮中永磁转子的静态磁场测量效果图二。
26.附图标记：
27.1-点位定位板；2-测量格栅；21-定位槽；211-定位凸起；22-测量孔；23-连接部；3-转子套筒；31-连接部；4-转子定位座；41-连接部；5-永磁转子；51-永磁体。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.在一个具体实施方式中，本发明提供的永磁转子静态磁场测量方法，用于在永磁同步电机的永磁转子加工完成后，对其静态磁场进行测量，包括：
30.在永磁转子的轴向一侧沿该永磁转子的圆周方向选择若干径向切面；
31.在该径向切面内，沿该永磁转子的径向选择若干径向分布点位；
32.在该径向切面内，沿该永磁转子的轴向选择若干轴向分布点位；
33.在该径向切面内，以经径向分布点位沿该永磁转子轴向延伸的直线与经轴向分布点位沿该永磁转子径向延伸的直线的交点为测量点位，分别进行静态磁场磁感应强度的测量。
34.为便于理解，下文将结合本发明提供的永磁转子静态磁场测量工装的一种具体实施方式进一步展开说明上述测量方法。
35.参考图1-3，永磁转子静态磁场测量工装的一个具体实施例包括点位定位板1、测量格栅2、转子套筒3和转子定位座4。
36.测量格栅2具有一定厚度，垂直于厚度方向的截面为圆形截面或圆环形截面，图1-3所示为圆环形截面。测量格栅2厚度方向的一侧端面沿圆周方向分布若干沿径向延伸的定位槽21。相对于测量格栅2的另一侧端面，定位槽21可以是盲槽，也可以是通槽。定位槽21的径向两侧壁设置有相对延伸的若干定位凸起211，点位定位板1可插入定位槽21，并由相对的两个定位凸起211限位。对应定位槽21，测量格栅2的圆周面上分布有沿其厚度方向排布的若干测量孔22，测量孔22与其对应的定位槽21径向贯通。
37.在对如图1所示的永磁转子5(其上设置有若干永磁体51)的静态磁场进行测量时，将测量格栅2的上述另一侧端面靠近永磁转子5的一个端面或与之相抵，例如将永磁转子5沿轴向竖置的方向放置，并将测量格栅2叠置在永磁转子5上。然后将点位定位板1插入测量格栅2的其中一个定位槽21并限位在一对相对的定位凸起211上。接下来可使用手持特斯拉计，将其探头从与该定位槽21对应的测量孔22之一沿径向插入到定位槽21内，直至触碰到点位定位板1，该触碰点即上述方法所谓交点，即一处测量点位。在此处可进行特斯拉计数值(磁感应强度数值)的记录，还可记录该测量点位在圆周方向上的角度数值以及径向方向上的半径数值(以永磁转子为基准)。依此例，可通过改变点位定位板1的插入位置及将探头从不同测量孔22插入，进行各个不同测量点位的测量。定位凸起211的延伸长度还可结合特斯拉计探头的尺寸设计，以形成对探头的限位，限制其在测量过程中的移动。
38.如前所述，本实施例中测量工装还设置有转子套筒3和转子定位座4，其作用在于保持对永磁转子5在测量时的位置稳定，以获得更准确的测量结果。具体来说，转子定位座4可以各种合适的方式实现对永磁转子5的定位，例如采用方形插槽插入方形键的方式对永磁转子5的轴进行定位，也可采用螺纹连接或键槽连接的方式对永磁转子5进行定位，等等。转子套筒3套设在永磁转子5外部，与转子定位座4相互定位，测量格栅2位于转子套筒3的一侧，二者之间相互定位。例如图1所示，三者沿周向均设置有相对应的两个以上的连接部23、31和41，相邻连接部之间通过插孔与插头配合的方式相互定位，或也可通过螺栓连接等方式进行定位。
39.为进一步提高永磁转子5的位置稳定性，可设计成在上述测量工装组装完毕后，使得永磁转子5的端面从转子套筒3朝向测量格栅2向外凸出，相应地，测量格栅2面向永磁转子5的端面可具有内凹部，以容纳永磁转子5向外凸出的部分并与之相抵，或者也可以是测量格栅2面向永磁转子5的端面具有伸入转子套筒3之内的外凸部，以与永磁转子5的端面相抵。
40.从获得更准确测量结果的角度考虑，上述测量方法中，优选测量点位沿永磁转子的圆周方向等角度阵列布设，即径向切面等角度分布，测量点位在径向切面内等距阵列分布。测量点位越多，测量结果越准确。相应地，上述测量工装中，优选定位槽21沿测量格栅2的圆周方向等角度分布，定位凸起211沿径向、测量孔22沿测量格栅2的厚度方向以相同间隔等距分布。所述测量点位在所述永磁转子轴向上的分布从永磁转子的端面起始，沿所述轴向向外至1-3倍气隙高度为止。相应地，定位凸起211的分布以满足该条件为宜。
41.本领域技术人员可以理解，测量工装的材料应选择非磁性材料，例如铜、奥氏体钢、铝、树脂、塑料等，加工工艺可采用数控雕刻技术或3d打印技术。前述实施例中测量工装的各部分使用pla(聚乳酸)材料，由热熔堆积式3d打印技术制成。
42.此外，虽然本发明提供的上述技术方案产生于永磁同步电机的设计与制造过程中，但也可以应用于其他旋转电磁设备中，例如永磁变速机(也称永磁调速器)和磁齿轮等。永磁变速机的转子和磁齿轮中的转子与永磁同步电机的转子相同，均设置有永磁体，上述设备同样是利用永磁体产生静态磁场，在气隙中与调制磁场产生耦合以传递扭矩，因而上述技术方案同样可以应用于这类旋转电磁设备的开发过程中，以通过对已加工完成的永磁转子(本发明中，永磁转子包括永磁同步电机的转子和上述其他旋转电磁设备中设置有永磁体的转子)的静态磁场进行测量，为提前预测样机测试效果提供条件，从而提高样机开发效率。
43.由于永磁体产生的是永久磁场，因此在未满足退磁条件下的静态磁场无论是否发生旋转，其空间表现都可通过静态的测量值进行准确预测，而其测量结果显示出的幅值、正弦性、空间谐波含量、畸变率等都可与设计目标进行对比，以确定永磁转子的加工是否符合要求。因而，在以上各具体实施方式的基础上，还可进一步将所测量到的数值进行处理，以用于对永磁同步电机样机测试结果的预测。例如：
44.将所测量到的数值进行坐标变换，由圆柱坐标系数值转换为笛卡尔坐标系数值，具体为x＝r*cosθ，y＝r*sinθ，z＝z，其中θ角转换为弧度制，具体为角度1
°
＝π/360rad。然后根据所得数据得出不同径向切面的磁场分布三维图，继而将所得坐标值对应特斯拉计测量值，以水平切面位置的方位xy为坐标，以水平切面z轴为特斯拉计测量的磁感应强度数值，在三维平面上画图，投影可用等高线表示，将磁场的三维分布可视化，效果参见图4。
45.根据可视化的三维分布图，可对旋转电磁设备的样机测试效果进行预测。例如，图5展示的是永磁同步电机一个应用实例的测量效果图，可看出该永磁转子发生了局部退磁现象，不符合设计需求。再如，图6与图7为径向磁齿轮内转子一个应用实例的测量效果图，通过二者对比可看出不同充磁方式的优劣。
46.通过本发明提供的上述技术方案，能够借助在永磁转子加工完成后对其进行静态磁场的测量，了解和掌握空间静态磁场的实现表现特性，以此判断其加工是否满足了设计要求，从而为预测样机的测试结果提供了条件，保障了在样机整机装配前诊断出永磁转子
的加工问题，大大地增加了样机开发的成功率，降低了时间与成本代价。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
48.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
49.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
51.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
52.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。