2021年第49卷第2期
D
设计分析esign and analysis
吕欢剑等 外转子型永磁同步电机用铁氧体多极磁环的研制 25
收稿日期:2020-02-19
外转子型永磁同步电机用铁氧体多极磁环的研制
吕欢剑1，郭德森2
(1.杭州史宾纳科技有限公司，杭州311307;2.中国电子科技集团第28研究所，南京210007)
摘 要：采用预磁化粉料制备㊁多脉冲磁场取向干法成型技术，研制高性能烧结铁氧体外转子极异方性多极磁环，对粉料制备㊁磁场取向成型㊁烧结㊁磨制㊁多极充磁及检测过程进行论述㊂结果表明，所制得的外径72mm，内径 60mm，高度50mm 的10极外转子多极磁环工作面磁通密度分布波形呈良好正弦性，峰值平均值大于0.195T㊂
关键词：外转子；永磁电机;Halbach 阵列；铁氧体；多极磁环
中图分类号:TM351 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2021)02-0025-04
Development of Ferrite Multipole Magnetic Ring for External
Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor
LÜHuan -jian 1,GUO De -sen 2
(1.Hangzhou Spanner Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 311307,China;
2.28th Research Institute of CETC,Nanjing 210007,China)
Abstract :The high performance sintered ferrite external rotor multipole magnetic ring was developed by the preparation
of pre-magnetized powder and the dry forming technology with multi-pulse magnetic field orientation.
The preparation of
powder,forming with magnetic field orientation,sintering,grinding,multipole magnetization and testing process were dis⁃
cussed.One kind of 10-pole external rotor multipole magnetic ring with an outer diameter of 72mm,an inner diameter of
60mm and a height of 50mm was developed.The result showed that the magnetic flux density distribution waveform of the
multipole magnetic ring presented good sinusoidal characteristics,and the average peak value of magnetic flux density was
greater than 0.195T.
Key words :outer rotor,permanent magnet motor,Halbach array,ferrite,multi-polar magnetic ring
0 引 言
永磁同步电机根据转子位置设计可分为内转子
型与外转子型，外转子型永磁同步电机转子在外，定子在内，既具有永磁同步电机定子励磁电流小，力能指标高，易于调速，节能效果好等优点；又具有转动惯量大，散热能力好，节省铜线，电机效率与输出功
率高等优点[1]，在风机㊁轮毂电机㊁曳引机等领域广泛应用
[2]
㊂
对于外转子结构永磁同步电机，其转子一般需要设计成Halbach 永磁阵列结构，这是由于Halbach 永磁阵列具有诸多优势：良好的单边聚磁效应，可以提高电机的气隙磁通密度，在永磁体用量相等情况下，提高电机转矩密度与功率密度;Halbach 永磁阵列内部已形成闭合磁路，转子轭部磁通密度大幅减小，可以降低转子轭部厚度，转子内半径增大，力能
指标提升[3];Halbach 永磁阵列强侧磁场的磁通密度分布波形呈良好正弦性，优化电机反电动势波形,
降低齿槽转矩与转矩波动㊂这种Halbach 永磁阵列主要分为Halbach 永磁阵列磁环和拼装式Halbach
永磁阵列，前者是将各向同性磁环或者辐射取向磁环置于多极磁化线圈，运用电容式脉冲充磁机释放
脉冲大电流饱和磁化得到；后者是将磁化方向不同的永磁体按Halbach 阵列规律进行拼装排列得到㊂
烧结永磁铁氧体极异方性多极磁环是永磁铁氧体材料中的后起之秀，其外圆周或内圆周表面磁场呈N㊁S 极交替同轴排列，内部磁矩呈Halbach 阵列结构，工作面磁通密度分布具有良好的正弦性，性能
价格比高，被广泛运用于内转子型永磁同步电机㊂相比于铁氧体各向同性磁环与辐射取向磁环，其具有更高的磁性能；相比于拼装式Halbach 永磁阵列，铁氧体极异方性多极磁环可以省去繁琐的拼装过程，永磁同步电机制造难度与成本降低，且具有更优的正弦性气隙磁密分布波形与反电动势波形㊂目
前，这类铁氧体极异方性多极磁环绝大部分用于内转子型永磁同步电机㊂对于外转子型永磁同步电机，需要转子磁环尺寸大且壁薄，工作面(磁场强
侧)在内圆，这对烧结铁氧体工艺是一个挑战㊂对
于小功率外转子型永磁同步电机，考虑到制造成本,
永磁铁氧体相比于稀土永磁材料具有很强的竞争优
D设计分析
esign and analysis 2021年第49卷第2期
吕
欢
剑
等 外转子型永磁同步电机用铁氧体多极磁环的研制 26 势，为此，对外转子型永磁同步电机用铁氧体极异方性多极磁环的开发显得尤为必要㊂
本文基于铁氧体干法成型工艺，采用粉料预磁化处理㊁多脉冲磁场取向等技术，研制外径72mm㊁内径60mm㊁高度50mm的10极高性能铁氧体极异方性多极磁环㊂磁环内圆表面磁通密度分布具有良好正弦性，峰值平均值大于0.195T，搭载该磁环的外转子型永磁同步电机满足小功率风机的驱动要求㊂
1 烧结铁氧体内转子与外转子极异方性多极磁环
1.1 内转子极异方性多极磁环
烧结铁氧体内转子多极磁环工作面(磁场强侧)在磁环的外圆面，成型阶段需在环形模腔外侧施加径向多极磁场对磁粉进行取向，使其具备各向异性[4]，被广泛用于永磁电机，极对数可以由1对极到24对极，甚至更多；外径尺寸可由10mm以下到70mm以上，已形成系列产品㊂表1列出了部分量
产的烧结铁氧体内转子多极磁环的规格㊁型号及产品性能㊂
表1 部分烧结铁氧体内转子多极磁环规格
序号外径D×内径d×高度h/mm极数表磁峰值B/T成型方式118×11×1124≥0.125干法221.59×15.24×13.3424≥0.150干法328.4×13×(11~25)6≥0.195干法430×21×2524≥0.160干法534.2×19.2×(12~40)6≥0.185干法635×14×(25~35)6≥0.195干法736.2×18×254≥0.180干法，湿法837.2×16×(14~35)6,8≥0.195干法，湿法938.5×14.75×254≥0.180干法1039×18×(15~40)6≥0.190干法1150.3×30.5×(25~50)6,8≥0.200湿法1251.1×30.5×61.88≥0.190干法1354×35×(20~52)6,8≥0.190干法，湿法1464×44×(35~45)8≥0.195湿法1568×57×(25~50)8,10≥0.195湿法1671.2×53.1×(35~50)8≥0.190湿法1774×55×(35~50)8≥0.190湿法1.2 外转子极异方性多极磁环
烧结铁氧体外转子用多极磁环的工作面(磁场强侧)在磁环的内圆面，最初主要通过等方性(各向同性)磁环或辐射取向磁环配合得当的多极充磁技术获得㊂等方性磁环工艺简单，但性能低，大大限制其应用；辐射取向磁环可以辐射状充磁，也可以根据需要径向多极充磁，但其表面磁通密度波形一般呈方波状，要获得表面磁通密度分布正弦波的波形则需要在充磁极头形状㊁充磁能量等方面进行复杂的调整㊁匹配，且其性能不如径向多极取向的磁环㊂
外转子极异方性多极磁环的成型阶段需在环形模腔内侧施加多极取向磁场，使膜腔内磁粉定向排列㊂
多极取向磁场设计空间有限，且这类磁环一般尺寸较大㊁壁薄，开发难度高于内转子极异方性多极磁环㊂图1为内㊁外转子极异方性多极磁环结构
㊂
(a)6
极内转子(b)6极外转子
图1 内㊁外转子极异方性多极磁环结构
2 外转子多极磁环研制过程
2.1 预磁化粉料制备
将牌号为Y35的锶铁氧体一次预烧料进行二次球磨，对二次球磨的料浆进行预磁化处理，在预磁化磁场的作用下，料浆内的单畤颗粒沿磁场方向定向，由无序状态转为整齐排列，如图2所示，排水并烘干得到预磁化料块[5]㊂对此料块进行粉碎㊁过筛，形成粒径在0.1~0.7mm的粉料颗粒，这种粉料颗粒具有良好的流动性㊁成型性，其内部众多单畤颗粒取向一致㊂在磁场成型阶段只要使这种粉料颗粒沿磁场方向定向排列就能保证所有单畤颗粒取向基本一致，利于提高取向度㊂为保证后续成型的润滑性与粘结性，可适量添加硬脂酸钙㊁樟脑等添加剂并混合均匀
㊂
(a)
无序状态(b)
整齐排列(c)单个粉料颗粒
图2 预磁化过程粉料状态
2.2 多脉冲磁场取向干法成型
外转子多极磁环一般壁薄，轴向高度大，湿压成型的抽水系统设计困难且效率低下，难以满足大批量生产需要㊂干压成型无需抽水，效率高，但由于没有水的润滑作用，取向程度和磁性能不及湿压成型㊂为此，成型阶段如何在型腔内侧设计足够高的多极取向磁场成为研制关键㊂
多极取向磁场一般通过电励磁与永磁体励磁方式产生，外转子多极磁环的取向磁场需要在型腔内侧产生，其空间有限，难度更高㊂通过将高性能烧结NdFeB永磁体在型腔内侧进行排列组合的方式难以获得理想的多极取向磁场，磁场强度难以快速调节，成型坯件难以退磁；直流电励磁方式适用于单方向取向场合，在有限空间内难以获得高的安匝数，建立
2021年第49卷第2期
D
设计分析esign and analysis
吕欢剑等 外转子型永磁同步电机用铁氧体多极磁环的研制
27
的多极取向磁场(静磁场)不够大且发热严重㊂
脉冲磁场具有持续时间短㊁功耗小㊁场强高的特点，由电容放电脉冲式充磁电源和多极取向线圈产生，其基本原理如图3所示,C 为储能电容器组,L 为多极取向线圈,U 为直流电源,R 为限流电阻,K 为大功率开关㊂充电时,K 接通A 点，储能电容器组
C 充电至设定电压；放电时,K 接通B 点，储能电容器组放电，高峰值脉冲电流通过低阻抗㊁高强度的多极取向线圈，产生强大的脉冲多极取向磁场[6-7]，实
现对型腔内磁粉颗粒的定向㊂单个脉冲电流峰值高，维持时间短，一般在毫秒级，在成型过程难以同时满足使磁粉颗粒转动取向并维持取向织构的需要㊂为此，采用多个脉冲电流组合的方式，脉冲电流间隔在毫秒级，使得磁粉颗粒在型腔内由自然松装到压紧的过程中始终受到脉冲磁场的取向作用
㊂图3 脉冲磁场产生原理
外转子多极磁环多脉冲取向成型时，将如图4所示的多极取向线圈置于型腔内侧，由于本文研制的外转子多极磁环为10极，极距相对较大，多极取向线圈采用多极铁心外绕制多匝导线的方式，其主要由极头㊁磁轭㊁水冷通路㊁线圈组成，极头及磁轭采用电工纯铁(钴铁合金更优)材料，导线优选低电阻率的紫铜，多匝导线周围填充耐高温的高强度绝缘胶，起固化与绝缘作用，线圈引线与充磁电源相连，导线直径与匝数应与充磁电源容量相匹配，使之满足R =2L /C ，此时放电回路中电流呈现临界阻尼状态，脉冲前沿时间短，电流峰值大，产生的脉冲磁场大，取向效果好[8]㊂为保证连续工作，防止线圈温升，水冷通路内需由冷水机提供冷水冷却
㊂
图4 取向线圈截面示意图
2.3 烧结
烧结的目的是使成型好的坯件在低于熔点的高温作用下，发生固相反应与晶粒长大，形成具有一定强度㊁密度㊁几何尺寸㊁电磁性能的铁氧体产品㊂由于外转子多极磁环坯件尺寸大且薄壁，为保证烧结收缩均匀㊁防止烧结开裂与粘连，要求匣钵底部平
整，或在坯件与匣钵之间均匀放置氧化铝粉㊂烧结
采用回转式电窑，加热元件为硅碳棒，整个过程分为升温阶段㊁保温阶段及降温阶段，升温阶段速度不宜过快，保温阶段温度为1200℃~1230℃，时间2~
4h，坯体降温至100℃以下方可出窑㊂
2.4 磨制
由于六角铁氧体晶体长大速率的各向异性，磁环坯件在空间不同方向上的收缩不同，各向异性磁体在平行与垂直于择优取向方向的收缩量分别为
22%和13%㊂磁环内圆面在成型阶段受到N㊁S 极交替同轴排列的多极磁场的取向作用，烧结完成的磁环坯体内圆面收缩成不规则的形状，如图5所示㊂此外，由于成型坯件难以做到各处密度完全一致，烧结后磁环会存在轻微的变形㊁凹凸㊁倾斜及翘曲等几何缺陷，所以需要对其进行磨制，使之达到尺寸精
度，满足装配要求㊂磨制过程分为外圆磨，端面磨,
内圆磨㊁倒角㊁清洗及烘干㊂外圆磨采用无心磨床,
外圆面磨至真圆后作为基准在通过式端面磨床磨制磁环端面，再以外圆面为基准将不规则的内圆面磨至真圆，内圆面的设计磨削余量不宜过大，否则会降
低磁环使用性能㊂磨制完成后的磁环应保证外观完好，满足设定的尺寸与形位公差
㊂
图5 烧结坯体端面轮廓
2.5 多极充磁与性能检测2.5.1 多极充磁
多极充磁磁场由电容放电脉冲充磁设备与多极
充磁夹具产生[9]，其原理与前述多极取向相同，不
予赘述㊂外转子磁环充磁需将充磁夹具置于磁环内侧，充磁夹具极头数目与磁环极数相等，极头中心需对准磁环取向时极头中心位置㊂极头与被充磁磁环
内圆面间距尽可能小，且充磁夹具与磁环同轴放置，配合过松㊁位置不同轴会导致充磁磁路气隙磁阻增大㊁各极磁化效果不均匀等问题；磁环位于充磁夹具中部，避免充磁夹具上下端边缘效应导致充磁效果
轴向不均匀㊂
充磁线圈空载时，由电路理论可知，脉冲电流峰
值i m =U C /L ，宽度t d =πLC ，为此，在工程应用
中，选定电容式脉冲充磁机与多极充磁夹具后，可采用调整充磁机电容量与电压参数的逼近法确定合适
的充磁参数来满足磁环所需充磁能量，避免不必要
的损耗㊂提高充磁电压V 可使脉冲电流峰值增大,
D设计分析
esign and analysis 2021年第49卷第2期
吕
欢
剑
等 外转子型永磁同步电机用铁氧体多极磁环的研制 28 脉冲磁场强度增加；提高电容量C也可使脉冲电流峰值增大，但没有提高电压效果显著；另外，电容量提高会造成脉冲电流脉宽增加，加剧充磁夹具发热㊂为此，本文采用变电压逼近方法，所用充磁机为哈尔滨先达电子有限公司DCD-1100/2-24电容式充磁电源，电容量2400μF，所用充磁夹具为自行绕制㊂充磁过程保持电容量不变，改变电压值，分别设置为
300V,500V,700V,900V,1100V,1300V，对磁环工作面磁密分布曲线进行测绘，如图6所示㊂充磁电压为300V时，磁环工作面磁密分布呈马鞍状，峰值低，为不饱和磁化所致；充磁电压为500V时，工作面磁密分布波形由马鞍状转变为单峰形状，各磁极峰值一致性较差；逐渐提高充磁电压至700V㊁900V时，工作面磁密分布峰值逐渐提高，且各磁极峰值一致性得到改善；继续提高充磁电压至1100V，工作面磁密呈正弦波分布，峰值平均值达到预定的0.195T，且各磁极峰值一致性良好，最大极差小于0.01T；当充磁电压达到1300V，磁密分布峰值不再增加，可见在1100V充磁电压下磁环已经饱和磁化㊂
(a)充磁电压300V(b)充磁电压500V
(c)充磁电压700V(d)充磁电压900V
(e)充磁电压1100V(f)充磁电压1300V
图6 不同充磁电压下磁密分布曲线
永磁铁氧体电阻率大，涡流损耗小，充磁时脉冲电流宽度t d可比稀土永磁合金更短，相比于改变电容量㊁充磁极头匝数㊁导线直径等，采用变电压逼近的方法更为高效合理，如表2所示㊂
表2 不同充磁电压的充磁效果
充磁电压u/V表面磁密峰值平均值B/T磁化状态
3000.13375未饱和磁化
5000.161435未饱和磁化
7000.1735未饱和磁化
9000.181655未饱和磁化
11000.197225饱和磁化
13000.19755饱和磁化2.5.2 性能检测
目前，极异方性多极磁环性能测试方法主要包括:
1)标样法：采用相同的原料在相同的工艺条件制成标准测试样块或者样柱进行测试，以标准样块或者样柱的性能代表多极磁环的性能㊂但由于成型阶段样块㊁样柱与多极磁环的取向磁路不同，样块㊁样柱采用平行磁场取向，多极磁环采用径向多极磁场取向，因此，简单地用样块㊁样柱性能代表磁环性能是不合理的㊂
2)取样法：在磁环成型坯件或者磁环成品上取样，但由于磁环取向磁路结构的特殊性，取样法测得的性能亦不能准确代表磁环性能，此外该方法还涉及取样部位的问题㊂
3)测试产品性能(装机性能)：产品性能主要有表面磁通密度㊁磁通㊁装机的反电动势等，这种测试方式针对最终的磁环产品，相对直观㊁方便㊂本文采用磁场分布测试仪对所研制的多极磁环工作面磁通密度分布进行测试，图7为磁环实物图，图8为磁环工作面磁通密度分布波形，波形呈良好正弦性，平均峰值大于0.195T，最大极差小于0.01
T㊂
图7
磁环实物图
图8 磁环工作面磁密分布
3 结 语
基于烧结永磁铁氧体外转子极异方性多极磁环开发难度高于内转子磁环，且其具有良好的使用价值，本文采用预磁化粉料制备㊁多脉冲磁场取向干法成型技术，选择变电压充磁方法，研制了一款外转子型永磁同步电机用铁氧体极异方性多极磁环，其工作面磁通密度分布具有正弦性良好，峰值高，极差小的特点，搭载该款磁环的外转子型永磁同步电机较好地满足了小功率风机的驱动要求㊂整体研制工艺对其他系列多极磁环开发具有一定参考价值㊂
参考文献
[1] 黄光建，吴帮超，方超.外转子永磁同步电动机的分析与设计[J].防爆电机,2017,52(1):6-9,13.(下转第33页)
2021年第49卷第2期
D
设计分析esign and analysis
陶 涛等 基于小生境粒子算法的永磁同步电机参数辨识
33
每次迭代全局最优粒子的适应度函数及对应的
电阻㊁电感和磁链值的变化情况分别如图5~图8所示㊂由图5~图8可知,PSO 辨识在22代左右才收敛稳定，而NPSO 在12代附近已经收敛到稳定值，相比之下,NPSO 有更快的收敛速度，且NPSO 的适应度函数稳定值小于PSO，说明NPSO 到的解优于
PSO㊂
图5
适应度函数变化图6
电阻值变化
图7
电感值变化图8 磁链值变化
表2为3个待辨识参数的真实值和通过两种算
法辨识得到的值的比较㊂由表2可知,NPSO 的辨识误差普遍较小，说明了算法有跳出局部最优的能力，有更高的辨识精度㊂
表2 辨识结果比较
参数真实值
PSO NPSO 辨识值误差辨识值误差
电阻R /Ω0.95850.9431 1.6%0.95120.7%电感L /H 0.005250.00541
3.1%0.005290.8%磁链ψ/Wb
0.1827
0.1749
4.3%
0.1857
1.7%
4 结 语
本文在分析PMSM 的离散电流方程后，采用一
种基于PSO 的电机参数辨识方法，可以同时对电机电阻㊁电感和磁链进行辨识㊂又引入粒子改进策略和小生境技术，获得了更快的辨识速度和更高的辨识精度㊂仿真结果验证了该策略的可行性和准确性㊂参考文献
[1] 董召强，徐秋霞，高瑾.基于最小二乘法和硬件在环平台的永
磁同步电机参数辨识[J].电机与控制应用,2017,44(6):57-62.
[2] 向纯靖，李长兵.基于最小二乘法的永磁同步电动机参数辨识[J].微特电机,2012,40(2):30-33.
[3] WANG L,LI J,HUANG K.Improved RLS algorithm in use of
MIMO-OFDM system [C]//Proceedings of 2012International Conference on Measurement,Informatio
n and Control.Harbin,
China,2012:879-882.
[4] 杨照坤.基于MRAS 的永磁同步电机参数在线辨识的研究
[D].深圳：深圳大学,2017.
[5] 黄苏融，何栋林，王爽，等.基于扩展Kalman 滤波器的永磁同
步电机转动惯量辨识研究[J].电机与控制应用,2015,42
(12):7-11.
[6] 张猛，肖曦，李永东.基于扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机
转速和磁链观测器[J].中国电机工程学报,2007(36):36-
40.
[7] 肖曦，许青松，王雅婷，等.基于遗传算法的内埋式永磁同步电
机参数辨识方法[J].电工技术学报,2014,29(3):21-26.[8] MAKARA K,JEREMI R,JEAN F.Detection of turn short-cir⁃
cuit faults in stator of PMSM by on -line parameter estimation [C]//International Symposium on Power Electronics,Electrical
Drives,Automation and Motion,Ischia,Italy,2008:161-166.
[9] 冷蕊.多目标粒子算法研究[D].江门：五邑大学,2019.
[10] 顾明亮，李旻.基于动态调整惯性权重的混合粒子算法[J].计算机与现代化,2018(6):25-29.
[11] 贾勇.交流伺服系统PI 控制器参数自整定方法研究[D].大
连：大连交通大学,2018.
作者简介：陶涛(1996 )，男，硕士研究生，研究方向为新型电机理论与控制㊂
(上接第28页)
[2] 徐长缨.风机用外转子永磁无刷直流电机及其驱动系统的设
计[D].济南：山东大学,2007.
[3] 高鹏.电动汽车用永磁轮毂电机的设计研究[D].天津：天津
大学,2015.
[4] 柴晓峰，吕欢剑，郭强，等.一种低成本各向异性烧结永磁铁氧
体径向取向多极磁环近净成型模具及方法:CN110265215A
[P].2019-09-20.
[5] 周文运.烧结永磁铁氧体[M].绵阳：中国电子科技集团公司
九所信息中心.
[6] 鲁富强，赵明静，刘国征.钕铁硼脉冲充磁过程的原理及参数
变化分析[J].金属功能材料,2017,24(1):32-34.
[7] 张祖信.脉冲磁场充磁的若干问题探讨[J].磁性材料及器件,2000(5):45-47,39.
[8] 吴良宏.多极磁化技术及其应用研究[J].上海钢研,1995(1):19-24.
[9] 何澄源，郁维铭.永磁直流电动机的充磁技术设计探讨
[C]//第六届中国小电机技术研讨会论文集.上海:2001.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议