强电流脉冲充磁技术研究与设计问题

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StudyandDesignonMagnetizingTechniqueUsingBigCurrentPulseAbstract:

InordertorealizethelowestenergylossandtoprolongusefullifeforpulsemagnetizingapparatusandtoreducemanufacturingcostthechoiceofparametersR、L、Caboutmagnetizingtechniqueusingpulseproducedbycapacitancedischargehasbeendiscussed,andthefunctionofmagnetcoreandtheinfluenceofvortexproducedbypulsemagnetizingprocessinthepermanentmagnethavealsobeenanalysed.Anpracticalpulsemagnetizingcircuitisintroducedbyadoptionof

modelKPthyristorsforthelarge-powerdischargeswitch.Keywords：pulse

discharge

magnetizi

thyristors1

引

言

由于高磁能积、高矫顽力的稀土永磁材料的应用日益广泛，脉冲充磁替代传统电磁铁恒稳磁场充磁方法得到了普及，所见各种脉冲充磁装置其工作原理基本相同，而所用器件、控制线路及放电回路参数的选择却有差异，因而影响充磁效果及设备制造成本与使用寿命。本文主要就电容放电充磁回路的R、L、C等参数及其他因素对脉冲电流峰值（进而对脉冲磁场峰值）的影响作一分析讨论并介绍一种采用KP型普通晶闸管作为大功率放电开关的实用脉冲充磁电路。2

脉冲放电与脉冲充磁原理R、L、C串联组成脉冲放电电路，C为储能电容的电容量，L为磁化用螺线管的电感量，R为螺线管、放电回路连接导线电阻、接触电阻及放电器件内阻的总和（忽略线路分布电容与分布电感）。电容C被充电至设定电压U0时断开充电电源，随即接通LR电路，则电容C所储电荷通过LR迅速地以脉冲形式放电，得到极大的脉冲电流峰值。可列出以uc为未知量的一个常系数二阶线性齐次微分方程，即?

由初始条件t=0+时uc=U0,

i=0,可解得:

?

式中?????三种情况下的脉冲放电电流波形如图1中1、2、3曲线所示,

图1

三种脉冲放电电流波形当脉冲放电电流通过磁化线圈时，在其内部产生脉冲磁场，一般而言，当脉冲磁场峰值达到磁化线圈内被充磁材料内秉矫顽力HCj的3~5倍时可饱和磁化，这种充磁方法即称为脉冲充磁。显然，上述第1、2种情况时产生的脉冲电流的波形均可作为充磁用，第3种情况脉冲电流的波形为减幅的正弦振荡波形，只要采用可控的大功率的单向导电器件（如普通晶闸管）作为放电开关，便可以得到减幅正弦振荡的脉冲电流的第一个半周期波形，同样可用于脉冲充磁。3

磁化线圈

磁化线圈即是与被充磁材料或零件大小尺寸适配的螺线管。半径为r（m）总长为l（m）单层密绕N匝的空心螺线管的电感

当螺线管通以I（A）的电流时，其轴线中心磁场强度?

式中

μ0—真空磁导率,S—螺线管横截面积，实用中常采用多层密绕螺线管，设长为l内外层半径分别为ｒ1和ｒ2，其电感与磁场强度仍可近似用上列二式计算，取ｒ＝(ｒ1＋ｒ2)／２即可。通电空心螺线管内磁场强度大小沿轴线的变化与螺线管的长径比有关，两端口低于轴线中心。可见，脉冲磁场的峰值正比于脉冲电流的峰值与螺线管匝数，且与螺线管的长度和半径有关。而螺线管的匝数、长度和半径直接决定其L大小，进而又影响脉冲电流的峰值，存在相互叠套的关系。有必要作进一步的计算分析，以寻求R、L、C的最佳匹配,获得高电流峰值与高磁场峰值。4

放电回路参数选择与涡流问题4.1

R、L、C及U0对im及Hm的影响为寻求im及Hm随R、L、C变化的规律，用数学软件Mathematica4计算得到各组数据（略）并生成如图2所示曲线。

(a)L、R不变时C对im及Hm的影响

(b）L、C不变时R对im及Hm的影响

?

（c）R、C不变时L对im及Hm的影响

图2

C、R、L对im及Hm的影响由图可见：（1）当C、R、L变化而历经

三种情况时im及Hm随C、R、L的变化而连续变化。（2）储能电容C大小对im及Hm影响很大，但更大的C对im及Hm贡献不大；（3）im及Hm随放电回路电阻总和R的增大而减小；（4〕im随螺线管电感L的增大而减小,而Hm却随L的增大而增大，但更大的L对Hm贡献不大。实际上L增大的同时R必然增大，因此L增大到一定程度Hm会停止增长甚至下降。

im及Hm与电容放电电压U0成简单正比关系。

4.2

脉冲磁化中的涡流问题脉冲磁化电流的脉宽很小，脉冲前沿的时间就更短，仅为数毫秒甚至数十微秒，在这极短的瞬间里螺线管中磁场强度与磁通密度剧增，此时在被磁化的永磁零件内部会产生很大的感应电势ｅ＝－ｄψ／ｄt和涡流ie，而这涡流又将产生与螺线管内磁化场反向的磁场阻碍充磁。这个反磁场沿着被充磁永磁体径向由表及里增强，所以对大截面、高电导率永磁体进行脉冲磁化时就有可能产生不均匀磁化情况，其表层被饱和磁化了而中心部分未被饱和磁化，这种情况当然是不允许的。此时需增大脉冲磁场峰值、增长脉冲前沿时间来改善。计算还证明，随着放电回路R的减小（常处于

情况）与im增大，tm增长，而脉宽的变化不大，而且tm长短与U0无关，如图3所示。图中R1<R2<R3。

图3

im、tm随R的变化情况

实践证明，在螺线管内被充磁的永磁体两端贴加软磁铁心也能改善这种情况，这种铁心应采用薄片叠成且片间绝缘，使得在脉冲磁化过程中软磁铁心中产生的涡流很小，因它而产生的反磁场也很小且均匀分布。加铁心使L增大而R不变，可用较小的im得到较大的Hm。4

参数设计原则与步骤

由以上分析可知，设计脉冲充磁装置时C不宜取得过大（否则成本太高），R应尽量小，L也不宜取得过大。所以绕制充磁螺线管时匝数应少一些，绕组线径应大一些，在满足充磁零件大小的前提下螺线管的内径也应尽量小一些，放电回路各器件连接的接触电阻也应尽量小。在器件耐压允许的前提下，提高电容放电电压U0从而增大电容储能是提高im与Hm的最直接最有效的手段。

设计步骤为：（1）根据被充磁永磁体的材料与尺寸大小确定脉冲充磁所需要的磁场峰值Hm及充磁螺线管的尺寸大小。确定Hm时应留有裕量，螺线管尺寸应尽量紧凑以控制R与L值。初定螺线管线径及匝数后初算出R及L值。（2）根据安全性及电容器与放电开关器件耐压、成本等因素选定U0，也应留有裕量。（3）计算绘制im＝f（C）、Hm＝f（C）曲线，根据所需要的Hm值可确定C，应使（C，Hm）点处于曲线膝部比较经济合理（可调整L、R、U0实现）。（4）计算绘制im＝f（L）、Hm＝f（L）曲线，校核（L，Hm）点，大致处于曲线膝部比较合理。（5）可求得im值并确定电路中有关元器件的相应参数并核算螺线管的线径。（6）综合考虑安全、性能、价格、工艺等诸方面因素而调整并最后确定各参数。

显然，设计制造时追求放电能得到大的im与Hm，使用时却应在Hm满足饱和充磁的前提下采用尽可能小的U0、im与Hm，以实现充磁的最低能耗、提高电容器、放电开关器件（晶闸管）及至整个充磁设备的使用寿命。5

实验线路与结果一种简单实用的脉冲充磁电路如图4所示。

图4

脉冲充磁电路原理

SCR为大功率普通晶闸管，用作强电流放电开关，SSR1、SSR2为固态继电器，分别控制储能电容器C1的充电与触发电容器C2的放电，R4为设定放电电压U0的可变电阻器，L为磁化线圈。充电控制与触发控制电路包含电压比较器、D触发器、开关晶体管等。

工作过程为：闭合开关S1接通电源，变压器T副边低压输出经整流后向C2充电，充电控制电路保证SSR1导通SSR2断开，闭合开关S2后T副边高压输出经整流后向C1充电，当uC达到设定值U0时SSR1断开，触发电路控制SSR2导通，C2经R5、C3放电（触发导通SCR），此时C1经SCR放电，在磁化线圈L内产生强脉冲磁场对永磁零件充磁。此后每按动按钮开关S3一次即重复上述充电－停充电－触发－放电（充磁）过程一次，可连续工作。

晶闸管以其无可比拟的优越性淘汰了早期的引燃管、钢球点火开关等脉冲放电控制器件。KP型普通晶闸管具有单向导电性，门极触发前又具有正向阻断能力，所以很适合用于电容储能脉冲放电电路。充磁用电容放电的脉冲电流峰值一般为数千～1万安培，但脉冲电流持续时间（脉宽）仅为数十微秒～数毫秒，所以在选用晶闸管时不能以通态平均电流IT(AV)的额定值与脉冲电流峰值简单相比，而应参照浪涌电流值ITSM的额定值。国产大功率管IT(AV)可达1000～4000A，其ITSM要远远高于它，如IT(AV)＝1000A时ITSM约为18.6KA。标准规定，晶闸管在规定的冷却条件下通过3倍IT(AV)时，可经受的时间为60ms，通过6倍IT(AV)时，可经受的时间为20ms，经理论计算与实践证明选择工作脉冲电流峰值为IT(AV)的8～10倍或为ITSM的1/2.5～1/2倍是十分安全的，工作脉冲电流脉宽一般不超过10ms，有较大脉宽时应取较小倍数。标准还规定大功率管通态峰值电压UTM≤2.6V，而生产厂家常给出通态平均电压UT的实测值，一般为1V左右，它与器件内阻有关，为减小损耗和器件发热，应选择有较小UT值的晶闸管。续流二极管VD9的作用是为放电过程中uC1降到零后螺线管L两端的感应电势维持的电流提供回路，使其不会对电容C1反向充电。采取上述分析计算结果设计制造的强磁场脉冲充磁机（C＝15000μF，U0max＝900V）及充磁螺线管（3×2mm2纱包扁铜线缠绕4层共80匝，l=70mm、dAY=46mm）控制了较低的制造成本与使用能耗，R＝0.05Ω，L＝170μH，求得U0＝600V时放电脉冲电流峰值im=4084A，则螺线管中心磁场强度峰值Hm=3.90×106A/m(49KOe)。对置于该螺线管中的特高矫顽力（HCJ≥1353kA/m）钕铁硼（NTP35SH）永磁零件充磁效果令人满意。设备在工厂正常使用一年，放电数千次未发生故障。参考文献：[1]赵凯华.电磁学.高等教育出版社.1999[2]邱关源.电路.高等教育出版社.1999[3]黄

俊.电力电子变流技术.机械工业出版社.1996作者简介：

谢祖荣

男，副教授，主要从事电气技术、磁应用技术方面的教学与科研工作。\o"评分0"电机的振动及噪音一般评估电动机的品质除了运转时之各特性外，以人之五感判断振动及噪音的情形较多。而电动机产生的振动噪音，主要有：

1、机械振动噪音，为转子的不平衡重量，产生相当转数的振动。

2、电动机轴承的转动，正常的情形产生自然音，精密小型电动机或高速电动机情形以外，几乎不会有问题。但轴承自然的振动与电动机构成部材料的共振，轴承的轴方向弹簧常数使转子的轴方向振动，润滑不良产生摩擦音等问题产生。

3、电刷滑动，具有电刷的DC电动机或整流子电动机，会产生电刷的噪音。

4、流体噪音，风扇或转子引起通风噪音对电动机很难避免，很多情形左右电动机整体的噪音，除风扇的叶片或铁心的齿引起气笛音外，也有必要注意通风上的共鸣。

5、电磁的噪音，为磁路的不平衡或不平衡磁力及气隙的电磁力波产生之噪音，又磁通密度饱和或气隙偏心引起磁的噪音。

一、机械性振动的产生原因与对策

1、转子的不平衡振动

A、原因：

．制造时的残留不平衡。

．长期间运转产生尘埃的多量附着。

．运转时热应力引起轴弯曲。

．转子配件的热位移引起不平衡载重。

．转子配件的离心力引起变形或偏心。

．外力（皮带、齿轮、直结不良等）引起轴弯曲。

．轴承的装置不良（轴的精度或锁紧）引起轴弯曲或轴承的内部变形。

B、对策：

．抑制转子不平衡量。

．维护到容许不平衡量以内。

．轴与铁心过度紧配的改善。

．对热膨胀的异方性，设计改善。

．强度设计或装配的改善。

．轴强度设计的修正，轴联结器的种类变更以及直结对中心的修正。

．轴承端面与轴附段部或锁紧螺帽的防止偏靠。

2、轴承之异常振动与噪音

A、原因：

．轴承内部的伤。

．轴承的轴方向异常振动，轴方向弹簧常数与转子质量组成振动系统的激振。

．摩擦音：圆柱滚动轴承或大径高速滚珠轴承产生润滑不良与轴承间隙起因。

B、对策：

．轴承的替换。

．适当轴方向弹簧预压给轴承间隙的变动。

．选择软的滑脂或低温性优秀的滑脂，残留间隙使小(须注意温升问题)。

3、电刷滑动音

A、原因：

．整流子与电刷的滑动时的振动电刷保持器激振产生

B、对策：

．握刷的弹性支持、选择电刷材质与形状、抑制侧压引起的电刷振动及提高整流子的精度等。

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\o"评分0"二、流体噪音的产生与对策

电动机的流体噪音中，主要为冷却用的风扇引起的噪音。此外，转子铁心的槽开口部接近静止侧的部份，变成显著气笛音，再则通风路等如存在共鸣空间，产生显著的共鸣者。

1、风扇噪音的大小：

电动机一般求两方向转动，风扇的叶片为径向直线叶片，效率不良，而且噪音大。噪音值约由下式来求。但测定电动机的轴中心高度，距离有１m的情形。

噪音dB(A)=70logD+50logN+

D：叶片的外径（m），

N:每秒的转数，：常数３２～３６，

由上式，降低噪音位准，以减少风扇的外径较重要。但吐出风量与风压低下，与这些的配合变成重要。风扇在外框的内部时有减音或遮音效果。

2、风扇噪音的频率依不同类型而有差异。

．压力噪音，为风扇的叶片空气受压力冲击产生。

．扰流噪声，为叶片周边空气流动的扰乱起因者，径向直线叶片的风扇，电动机的用途上可说不可避免。

．风扇与其它部份的干涉引起的气笛音，为接近转动叶片存在其它部份空气如流通，产生激烈的气笛音。

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\o"评分5"三、电磁噪音（感应电动机）

有关电磁噪音，其电磁噪音由耳朵的听感感度良好频率１００HZ以上的频率带域，单一或复数的特定频率音组成，特别与定子共振时变成显著的噪音。感应电动机较DC电动机常有电磁噪音问题，因此以感应电动机为中心说明。电磁噪音感应电动机通称“磁音”，对此种的研究，首先要了解正弦波电流的电磁噪音。

1、正弦波电流的电磁噪音：

因正弦波电流，感应电动机的气隙产生的磁通，加转矩产生的基本（主）磁通，存在高谐波磁通。这些的磁通使定子与转子铁心互相吸引的电磁力波作用，定子铁心变形为多角形，转轴弯曲移位产生振动。主要产生电磁噪声之气隙高谐波磁通原因者，有

A、绕线分布引起的磁动势高谐波。

B、定子或转子铁槽产生的槽高谐波。

C、铁心饱和产生的饱和高谐波。

D、偏心引起的偏心高谐波

E、电压、线圈、磁路等不平衡引起的高谐波。

F、槽磁导高谐波等。

G、相带高谐波，气隙存在为数很多的空间高谐波磁与电源波形畸变等引起时间高谐波磁通。

2.电磁噪音防止对策：

A.由电机设计上

．适当槽数组合

．采用特殊槽

．斜槽化

．选择线圈节距

．正弦波绕线

．采用分数槽绕线

．气隙、齿、轭铁部之磁通密度的适当化

．转子槽部极与厚度的均等化

．采用磁性楔

．气隙的扩大

B.由机械设计上

．消除静的偏心，提高加工．装配精度。

．对外力提高轴的弯曲刚性，装配精密。

．全闭槽消除齿尖厚度不同，提高制造技术。

．磁路使不造成不平衡的构造以及制造，特别转子导体的电阻，绝缘或轴的断面形状。

．定子、转子避免与电动机构成部材料的共振。

．避免与电动机装置机构产生共振。

．定子铁心或轴承支持部的弹性、防振支持。

．由电动机外部的遮音或防音的构造。

C.在使用上，消除电源电压的不平衡。

．电磁噪音的原因变成电磁加振力，这些的高谐波磁通因互相干涉产生电磁力波引起。

但并非所有电动机的噪音问题，皆由电磁力波所引起的。有些是因与定子或转子的自然振动数一致或接近的情形形成共振状态。所以电磁噪音产生的因素，不单单只因为电磁力波的频率，我们还需要了解电动机各部份的振动体自然振动频率。

怎佯鉴别机械噪声源?

为了控制机械噪声和振动，首先必须判明产生振动或噪声的部位，常用的鉴别方法主要有：

(1)主观鉴别法，即用耳朵来判断机械噪声源及其主次，因为人的耳脑系统本身就是相当灵敏的感觉系统，因此它能够正确地区分各种声音．这种判断的结果，可做噪声源定位的一般了解。

(2)分步运转法，即对于复杂的机械，可以分步断开某些部件，以区别各部分噪声对整机噪声的影响。

(3)选择隔离法，将机器罩上各部分可分离的密封外壳，然后露出不同的部位，分别测量机器各部位所辐射的噪声及其特性。

(4)近场测量法，即把传声器*近机械噪声源进行测量，由此得到机器上各噪声源的位置和判明主要噪声源的部位。

(5)表面振速法，即用速度传感器阅出机器表面各处的振动速度，通过振动的频谱分折，并与噪声的频谱分析和比较，鉴别出主要噪声源的部位。

(6)相关函数法，即用自相关函数法检测随机信号中的确定性周期信号，用相关函数法建立时间滞后，来确定信号通过系统的时间和传递通道，再用相关函数法来确定噪声的来源。为了控制机械噪声和振动，首先必须判明产生振动或噪声的部位，

使用仪器测绘电机噪音频谱曲线时,长用倍频程或1/3倍频程

电机噪音频谱分析一般用1%窄带频谱这样便于找出电机的主要噪音声源

如仅做分析不计量可以用掌上电脑的噪音测试软件测试对应峰值

常见的几点

1轴承1轴承滚珠2000-5000Hz

2轴向振动1000-1600Hz有明显峰值,

3轴向串动声50-400有明显峰值(对应f=n/10,n/30,n/60*Re/Rc或E*n/30)

2端盖共振1000-1500有峰值

3机壳共振

500-1000有明显峰值

4换向器噪音m*n/60

5转子动不平衡噪音n/60

6单边电磁拉力