有限元模拟NdFeB永磁环脉冲充磁的研究

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本文采用计算机模拟与实验相结合的方法,利用有限元分析软件ANSYS对NdFeB稀土永磁磁环脉冲充磁(包括辐射充磁和六对十二极充磁)过程中的初始电压、磁场分布、铁芯材料选择、线圈匝数及绕法、外层磁轭、磁场的轴向分布等影响因素展开了系统的研究,并结合实验结果进行证实。减小初始电压可降低磁化电流的峰值,增加电容可延长磁化电流的持续时间,因此,减小初始电压和增加电容可以从很大程度上消除涡流的影响,提高电流的有效值。在满足磁体磁化场均匀度的前提下,电压应选择满足饱和磁化场的最小值。对于辐射充磁,最低电压可选在1550V;对于十二极充磁,最低电压在1000V。铁芯工作点应处于饱和区,以保证磁环磁化均匀,同时,为降低能量损耗,外加电压和电流应处于最低点。就所选用的材料来说,硅钢由于电阻率高,受感应电流影响小,内部磁力线扩散速度快,能在较小电压下进入饱和工作区,所以选择硅钢作为铁芯;纯铁由于磁导率较高,导磁性能好,所以选择纯铁作为磁轭,有利于导磁。在辐射充磁过程中,线圈总匝数相同的情况下,应选择层数较多、每层匝数较少的线圈;但应用中从减小所用电压和电流考虑,每层匝数要跟铁芯磁化饱和电压相适应。选择与磁环外径相同尺寸的线圈,这时,产生的电感较小,涡流也较小,磁场能够较容易渗透至铁芯中心,将铁芯磁化饱和。在六对十二极充磁过程中,较粗铜线的峰值电流大,能较早进入饱和区,磁力线分布均匀,电压和发热量减小。但粗铜线也增加了实际绕线操作的难度,在实践中,对实验所用的六对十二极线圈,φ1mm铜线为最佳铜线尺寸。磁轭的增加减小了所充磁体磁性能(如表磁)峰值大小,但可以增加峰值宽度,更好的满足电机矩形波的要求。实验中,采用纯铁磁轭,在同样的表磁下,波形宽度是未采用磁轭的1.67倍。磁环应放于夹具的轴向中间部分,有利于发挥铁芯轴向中间部分磁场强度强且均匀的优点。由计算得到,轴向长度为磁环高度的1.2-1.5倍为最佳。本论文采用理论分析方法研究充磁实践过程中的规律,对生产实践磁环的充磁设计具有一定的指导意义。
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