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關于多極充磁磁環表面磁場分布的研發歷程FE-2100R表磁分布測量儀

2019/07/18 09:59
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【摘要】:
在永磁電機行業,采用永磁材料設計定子或轉子相當普遍,準確測量設計好的永磁定子或轉子的表面磁場分布的需求越來越重要,準確測量和相關分析也非常重要。
  在永磁電機行業,采用永磁材料設計定子或轉子相當普遍,準確測量設計好的永磁定子或轉子的表面磁場分布的需求越來越重要,準確測量和相關分析也非常重要,從上世紀90年代末(中國最早產品為孟憲洪老師)開始就有進行了相關產品的設計和制造。
  多極充磁磁環(包括徑向內外充磁、平面軸向充磁等等),準確的測試磁場的分布波形(具體包含磁極幅值、磁極的寬度、半高寬、占空比等等)是非常有實際意義的,偏差分析、諧撥波分析、3D磁場分布可視磁場分析也越來越顯得其重要性。
  多極充磁磁環磁場分布的測試,測試原理相當簡單,根據測試的過程描敘,大家常常稱它為旋轉高斯計,在計算機控制不發達的年代,采用將樣品固定在帶極坐標的轉臺上旋轉測試人工記錄可以追溯到更早(早期臺灣產品),2000年后,電動旋轉控制平臺產品相繼推出上市,提高了測試效率和測試精度。
  非常遺憾的是,生產企業在進行相關產品的生產過程中,忽視了表磁分布測試最為關鍵的技術指標,即旋轉同心度,從2001年開始,大量表磁分布測試儀器相繼上市,國內制造企業不下10家,我所了解的國外企業(日本、韓國、德國等)也有8家以上。同心度指標的忽視,注定了改產品的價格直線下降,從國內第一臺多極充磁磁環磁場分布測試儀(東方晨景RMT-301型)上市,先后有山東孟老師簡易裝置、先達、中國計量科學院、天宇、聯眾、平野、興隆、進達相繼推出,滿足國內外用戶的測試需求。
  在此期間,我也有幸進行過對日本同類型產品的維修,在校準測試探頭過程中,發現日本設備也存在同心度的不足,設備校對只能依靠他們發放的磁環去接近調整(或許就是他們出廠對應好的同心度)。在后期對表磁分布測量儀器的大量的測試和調試過程中發現,做好磁場分布測量儀并不是簡單的旋轉高斯計,生產企業應該積極解決的問題就是如何不斷提高產品的旋轉同心度(包括日本的產品),而不是要求用戶采用柔性探頭去緊貼被測試的磁環。在以前的日志中,我進行過同心度偏差的分析和計算說明,在此不在重復,實際大家稍微想想是很好理解的,旋轉同心度不好,采用柔性探頭貼磁環,霍爾片將在法向上有前后移動,直接會影響峰值的數據(減?。?、最致命的是引起磁極寬度的測試偏差。
  接觸同行業不少充磁夾具設計工程師,他們因此被累了僅10年,充磁夾具根據表磁分布測試儀的報告不斷調整,要求加工行業不斷提高切割精度,要求繞線工藝不斷提高,可結果還是不理想,實際上他如果對同心度進行了檢驗,這些問題會早日對設備供應企業提出。
  設備供應商在沒有將設備問題解決好前是不會向用戶去說自己設備存在的缺陷的,只會迎合用戶去做想要的產品,比如說,用戶提出要不導磁材料做卡盤,那就將卡盤頭改銅的、鋁合金的,或請卡盤廠家直接加工鋁合金的。并想不同的方法去提高旋轉同心度,盡可能的將旋轉同心度做好。實際效果確不如人意,主要問題有以下幾個方面:
1、卡盤選擇低檔,300元左右的卡盤本身的旋轉同心度指標就不夠,人為不管如何調整都會意義不大,要做好產品,至少需要選擇與同心度儀一樣的卡盤;
2、更困難的是,如何將軸與卡盤連接后保證選擇同心度,同心度儀制造企業有很好的辦法,但采用同心度儀配置磁場測試軟件價格會超出用戶的價格接受程度(除非軍工行業,我會推薦采用該方法,旋轉同心度可以達到0.01mm)。
3、2011年起,查閱國外同行,當年除德國瑪格力產品對同心度打出了優于0.05mm外,其他還真沒有相關的指標。但德國瑪格力產品提供的是一個旋轉平臺,上面并沒有卡盤,也就是說后期夾具你做得好做不好,是否滿足同心度與他們無關。
  創辦湖南省永逸科技有限公司就是帶領一群志同道合的朋友,將自己在從事磁測量設備制造過程中發現的問題去得以解決,提高國內的磁測量技術水平,同時也預計到企業會逐步的提高測試的要求,技術上的領先會盡快的樹立企業品牌和形象。2012年初正好博世電工提出了這方面的嚴格要求,并在國內展開這方面的考核,公司接下了該要求產品的制作與開發。經過近半年的努力,與2012年制造出了旋轉同心度滿足0.05mm以下的平臺,經過震動實驗和用戶的長期實驗運行,滿足旋轉同心度的要求,成為同行業最早將同心度指標列入表磁分布測試裝置的企業,并得到麥格昆磁、大疆科技、龍磁科技等企業的認同。產品自2012年銷售以來,2014年完成中英文版軟件,產品并出口臺灣、泰國、伊朗、俄羅斯、新加坡、美國等國家,成為參與國際同行競爭的產品。
  用戶對測試的要求是不斷提高的,測量設備也需要不斷的發展和提高,測試軟件同樣也需要不斷的添加功能,才能保證產品的先進性。對于多極磁環的測試,現在的要求也遠遠不只是停留在初期的檢驗波形、幅度和磁極寬度上。將測試波形的含義不斷對用戶進行傳遞,達到讓用戶根據波形對電機設計有更全面的了解,才會更有意義。湖南省永逸科技有限公司第一代測試軟件,就對磁場分布波形進行了諧波分析,用于對后期使用該充磁波形制造出的電機提供幫助,指導改進,第二代將3D測試提高為可視磁場(自主知識產權),任意角度視覺和方位角旋轉,便于用戶查找分布缺陷。FE-2100R系列表面磁場分布測量儀涵蓋了多極圓環表磁分布測量、直線表磁分布測量、平面表磁分布測量空間磁場分布測量,是實現對表面磁場分布進行準確測量的優秀產品,已經成為多極磁環、磁體等表面磁場分布測試設備中的精品,為電機設計提供準確的磁場分布數據,完全能對磁體充磁精度進行正確的評估,已經被多所知名公司采用。
  下面先對諧波分析進行說明,法國數學家J.-B.-J.傅里葉在研究偏微分方程的邊值問題時提出。從而極大地推動了偏微分方程理論的發展。在中國,程民德最早系統研究多元三角級數與多元傅里葉級數。他首先證明多元三角級數球形和的唯一性定理,并揭示了多元傅里葉級數的里斯- 博赫納球形平均的許多特性。傅里葉級數曾極大地推動了偏微分方程理論的發展。在數學物理以及工程中都具有重要的應用。
  諧波頻率是基波頻率的整倍數,根據法國數學家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。同時根據諧波頻率的不同,可以分為:
奇次:額定頻率為基波頻率奇數倍的諧波,被稱為“奇次諧波”,如3、5、7次諧波。
偶次:額定頻率為基波頻率偶數倍的諧波,被稱為“偶次諧波”,如2、4、6、8次諧波。
  在多極磁環表磁分布測試裝置中,我們引入了諧波分析報告,參看的傅里葉變換的數學變換公式為: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,對于多極充磁轉子而言,表現為NS磁極的不對稱總量分析。a1代表基波的幅值,ωt代表基波的頻率,θ1代表基波的相位角,an代表基波。
  同時可以看出諧波都是正弦波,每個諧波都具有不同的頻率(基波的整數倍),同時對應相關的幅度與相角。
  一般地講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。對旋轉的發電機、電動機,由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉子回路及鐵芯中產生附加損耗,從而降低發輸電及用電設備的效率,更為嚴重的是諧波振蕩容易使汽輪發電機產生震蕩力矩,電機躁聲相應也加大,甚至可能引起機械共振,造成汽輪機葉片扭曲及產生疲勞循環,導致設備無法正常工作。
  注:蘭色波形為實際測試波形;紅色波形為理想的正弦波形;綠色雙線峰值上限、下限范圍,判斷合格與否。
二、湖南永逸科技完整板XY坐標測試報告樣張
 三、完整板極坐標測試報告
 四、完整版諧波測試報告
 五、單一3D報告樣張(視角40o,方位角18o)
 附1:觀察磁極是否傾斜(視角90o,方位角0o,相當于將磁極在圓周方向展開)
附2:觀察徑向磁場幅值波動(視角0o,方位角0o)
  附件3:觀察任意角度(FE-2100R多極測試軟件為自主開發的3D圖形軟件,用戶可任意控制視角和方位角,使3D波形旋轉起來,觀察到磁場的任何位置,發現缺陷位置,為一款全息的可視磁場測試設備,刷新速度在同行業屬于領先水平)。
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