天端新闻NEWS

多极充磁磁环表面磁场分布的研发历程

在永磁电机行业,采用永磁材料设计定子或转子相当普遍,准确测量设计好的永磁定子或转子的表面磁场分布的需求越来越重要,准确测量和相关分析也非常重要,从上世纪90年代末(中国最早产品为孟宪洪老师)开始就有进行了相关产品的设计和制造。

多极充磁磁环(包括径向内外充磁、平面轴向充磁等等),准确的测试磁场的分布波形(具体包含磁极幅值、磁极的宽度、半高宽、占空比等等)是非常有实际意义的,偏差分析、谐拨波分析、3D磁场分布可视磁场分析也越来越显得其重要性。

多极充磁磁环磁场分布的测试,测试原理相当简单,根据测试的过程描叙,大家常常称它为旋转高斯计,在计算机控制不发达的年代,采用将样品固定在带极坐标的转台上旋转测试人工记录可以追溯到更早(早期台湾产品),2000年后,电动旋转控制平台产品相继推出上市,提高了测试效率和测试精度。

非常遗憾的是,生产企业在进行相关产品的生产过程中,忽视了表磁分布测试仪最为关键的技术指标,即旋转同心度,从2001年开始,大量表磁分布测试仪器相继上市,国内制造企业不下10家,我所了解的国外企业(日本、韩国、德国等)也有8家以上。同心度指标的忽视,注定了改产品的价格直线下降,从国内第一台多极充磁磁环磁场分布测试仪(东方晨景RMT-301型)上市,先后有山东孟老师简易装置、先达、中国计量科学院、天宇、联众、平野、兴隆、进达相继推出,满足国内外用户的测试需求。

在此期间,我也有幸进行过对日本同类型产品的维修,在校准测试探头过程中,发现日本设备也存在同心度的不足,设备校对只能依靠他们发放的磁环去接近调整(或许就是他们出厂对应好的同心度)。在后期对表磁分布测量仪器的大量的测试和调试过程中发现,做好磁场分布测量仪并不是简单的旋转高斯计,生产企业应该积极解决的问题就是如何不断提高产品的旋转同心度(包括日本的产品),而不是要求用户采用柔性探头去紧贴被测试的磁环。在以前的日志中,我进行过同心度偏差的分析和计算说明,在此不在重复,实际大家稍微想想是很好理解的,旋转同心度不好,采用柔性探头贴磁环,霍尔片将在法向上有前后移动,直接会影响峰值的数据(减小)、最致命的是引起磁极宽度的测试偏差。

接触同行业不少充磁夹具设计工程师,他们因此被累了仅10年,充磁夹具根据表磁分布测试仪的报告不断调整,要求加工行业不断提高切割精度,要求绕线工艺不断提高,可结果还是不理想,实际上他如果对同心度进行了检验,这些问题会早日对设备供应企业提出。

设备供应商在没有将设备问题解决好前是不会向用户去说自己设备存在的缺陷的,只会迎合用户去做想要的产品,比如说,用户提出要不导磁材料做卡盘,那就将卡盘头改铜的、铝合金的,或请卡盘厂家直接加工铝合金的。并想不同的方法去提高旋转同心度,尽可能的将旋转同心度做好。实际效果确不如人意,主要问题有以下几个方面:

1、卡盘选择低档,300元左右的卡盘本身的旋转同心度指标就不够,人为不管如何调整都会意义不大,要做好产品,至少需要选择与同心度仪一样的卡盘;

2、更困难的是,如何将轴与卡盘连接后保证选择同心度,同心度仪制造企业有很好的办法,但采用同心度仪配置磁场测试软件价格会超出用户的价格接受程度(除非军工行业,我会推荐采用该方法,旋转同心度可以达到0.01mm)。

32011年起,查阅国外同行,当年除德国玛格力产品对同心度打出了优于0.05mm外,其他还真没有相关的指标。但德国玛格力产品提供的是一个旋转平台,上面并没有卡盘,也就是说后期夹具你做得好做不好,是否满足同心度与他们无关。

创办上海天端实业有限公司就是带领一群志同道合的朋友,将自己在从事磁测量设备制造过程中发现的问题去得以解决,提高国内的磁测量技术水平,同时也预计到企业会逐步的提高测试的要求,技术上的领先会尽快的树立企业品牌和形象。2012年初正好博世电工提出了这方面的严格要求,并在国内展开这方面的考核,公司接下了该要求产品的制作与开发。经过近半年的努力,与2012年制造出了旋转同心度满足0.05mm以下的平台,经过震动实验和用户的长期实验运行,满足旋转同心度的要求,成为同行业最早将同心度指标列入表磁分布测试装置的企业,并得到麦格昆磁、大疆科技、龙磁科技等企业的认同。产品自2012年销售以来,接近40套,2014年完成中英文版软件,产品并出口台湾、泰国、伊朗、俄罗斯、新加坡、美国等国家,成为参与国际同行竞争的产品。

用户对测试的要求是不断提高的,测量设备也需要不断的发展和提高,测试软件同样也需要不断的添加功能,才能保证产品的先进性。对于多极磁环的测试,现在的要求也远远不只是停留在初期的检验波形、幅度和磁极宽度上。将测试波形的含义不断对用户进行传递,达到让用户根据波形对电机设计有更全面的了解,才会更有意义。湖南省永逸科技有限公司第一代测试软件,就对磁场分布波形进行了谐波分析,用于对后期使用该充磁波形制造出的电机提供帮助,指导改进,第二代将3D测试提高为可视磁场(自主知识产权),任意角度视觉和方位角旋转,便于用户查找分布缺陷。

下面先对谐波分析进行说明,法国数学家J.-B.-J.傅里叶在研究偏微分方程的边值问题时提出。从而极大地推动了偏微分方程理论的发展。在中国,程民德最早系统研究多元三角级数与多元傅里叶级数。他首先证明多元三角级数球形和的唯一性定理,并揭示了多元傅里叶级数的里斯- 博赫纳球形平均的许多特性。傅里叶级数曾极大地推动了偏微分方程理论的发展。在数学物以及工程中都具有重要的应用。

谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(MFourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。同时根据谐波频率的不同,可以分为:

奇次:额定频率为基波频率奇数倍的谐波,被称为奇次谐波,如357次谐波。

偶次:额定频率为基波频率偶数倍的谐波,被称为偶次谐波,如2468次谐波。

在多极磁环表磁分布测试装置中,我们引入了谐波分析报告,参看的傅里叶变换的数学变换公式为:f(t)=a0+a1sin(ωt+θ1)+ a2sin(2ωt+θ2) +a3sin(3ωt+θ3)+ ...+ansin(nωt+θn)

公式中,a0代表直流分量,对于多极充磁转子而言,表现为NS磁极的不对称总量分析。a1代表基波的幅值,ωt代表基波的频率,θ1代表基波的相位角,an代表基波。

同时可以看出谐波都是正弦波,每个谐波都具有不同的频率(基波的整数倍),同时对应相关的幅度与相角

一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。对旋转的发电机、电动机,由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗,从而降低发输电及用电设备的效率,更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩,电机躁声相应也加大,甚至可能引起机械共振,造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环,导致设备无法正常工作。