一种用于高重复频率分段式充磁的线圈装置

1.本发明属于充磁线圈技术领域，更具体地，涉及一种用于高重复频率分段式充磁的线圈装置。


背景技术：

2.随着永磁电机的大规模使用，如何简单、高效地对其内部的钕铁硼永磁体进行充、退磁也成为了工业界和相关专家学者关注和研究的重点。尤其对于大型机组中的永磁体磁极，由于其体积很大，普通充、退磁装置难以一次就将其完全充、退磁。目前工业上的普遍做法是将磁极拆分成小的磁钢进行充、退磁，而后再在转子表面进行装配，即装配前充磁。这种方法的不足之处在于：一是由于稀土永磁块充磁完成后具备很强的磁力，装配过程中永磁体相互排斥或吸引，很难达到预期的安装位置，甚至会导致安装人员受伤；二是装配过程中一旦发生永磁体的碰撞导致不可逆退磁，需要将其余磁块卸下重新安装，装配效率极低；三是永磁体在装配过程中极易吸附铁磁杂质，会对永磁电机的运行状况产生影响。
3.装配后充磁可以很好地解决上述问题。永磁块在未充磁状态下完成电机磁极组装，再利用整体充磁线圈产生脉冲磁场对永磁磁极充磁。若要一次完成一整个磁极的充磁，整体充磁线圈需覆盖整个磁极，线圈体积较大，所需的电源容量高，而且由于线圈电感较大，脉冲磁场宽度长，导致线圈发热严重，冷却时间长，生产效率低。然而，采用体积较小的充磁线圈对单个磁极进行分段式充磁，由于传统的线圈为平面跑道型，线圈端部所产生的反向磁场会使得已充磁磁极区域发生不可逆退磁，充磁效果差。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于高重复频率分段式充磁的线圈装置，在进行分段式充磁时有效防止了已充磁磁极区域发生不可逆退磁，充磁效果好。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种用于高重复频率分段式充磁的线圈装置，其包括线圈本体和绝缘支撑板；
6.所述线圈本体包括两条互相平行的直线段和位于所述直线段两端的半圆形弧线段，所述弧线段的两端分别与两条所述直线段连接而形成封闭的环形，所述弧线段所在平面与两条所述直线段所在平面形成的二面角的平面角为钝角，且各所述弧线段位于两条所述直线段所在平面的同一侧；
7.所述绝缘支撑板设置于所述线圈本体中央，且所述绝缘支撑板的外沿与所述线圈本体的内沿紧密配合。
8.优选地，所述线圈装置还包括设置于线圈本体外围的第一加固结构，所述第一加固结构的形状与所述线圈本体的形状相同，且所述第一加固结构的内沿与所述线圈本体的外沿紧密配合。
9.进一步优选地，所述第一加固结构由纤维复合材料制成。
10.进一步优选地，所述第一加固结构由纤维增强环氧树脂基复合材料制成。
11.优选地，所述线圈装置还包括第二加固结构，所述第二加固结构呈筒状且紧固套设在所述直线段上。
12.进一步优选地，所述第二加固结构的长度与所述直线段的长度相等。
13.进一步优选地，所述第二加固结构由纤维复合材料制成。
14.进一步优选地，所述第二加固结构由纤维增强环氧树脂基复合材料制成。
15.优选地，所述线圈本体由中空管状导线绕制而成。
16.进一步优选地，所述线圈本体上设置有进水口和出水口。
17.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
18.(1)本发明提供的充磁线圈两端端部为翘起结构，能减弱充磁线圈端部的反向磁场，在对磁极进行分段充磁时，能有效防止已充磁磁极区域发生不可逆退磁；该充磁线圈为分段式充磁线圈，相比覆盖整个磁极的整体充磁线圈，其体积减小，电感降低，产生的磁场脉宽缩短，线圈发热降低，缩短了线圈的冷却时间，从而实现高重复频率充磁。
19.(2)本发明通过在充磁线圈的外围设置不同方向的加固结构，相比于传统线圈的环向加固结构，增加的横向加固结构能有效降低充磁线圈的环向变形，增强充磁线圈的力学稳定性，保证了脉冲放电过程中线圈结构的稳定。
20.(3)本发明的线圈加固结构采用纤维复合材料，电绝缘性能好，比重小、比强度大，提升加固结构的力学性能；进一步选择纤维与环氧树脂复合的材料，比强度更大，有效防止了充磁线圈的变形。
21.(4)本发明的充磁线圈绕制导线为中空管状结构，且在导线上设置进水口和出水口，实际放电时在管状导线内部通入循环冷却水，提高充磁线圈的冷却效率，极大地缩短了充磁线圈的放电时间间隔，有利于进行高重复频率充磁。
附图说明
22.图1为本发明一个实施例提供的线圈装置的立体结构示意图；
23.图2为本发明实施例1提供的线圈装置的立体结构示意图；
24.图3为本发明实施例1提供的线圈装置的剖面结构图；
25.图4为本发明实施例1提供的线圈装置对永磁电机的转子磁极进行分段充磁的结构示意图；
26.图5为本发明实施例1提供的线圈装置和对比例1提供的平面充磁线圈的充磁效果对比图；
27.图6为本发明实施例1提供的线圈装置和对比例1提供的平面充磁线圈在放电后的冷却时间对比图；
28.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
29.1-线圈本体，11-直线段，12-弧线段；2-绝缘支撑板；3-第一加固结构；4-第二加固结构；5-转子；6-转子磁极。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.如图1所示，本发明提供的一种用于高重复频率分段式充磁的线圈装置，其包括线圈本体1和绝缘支撑板2，线圈本体1用于通电产生充磁磁场，绝缘支撑板2用于对线圈本体1提供力学支撑，支撑线圈本体1不向内部挤压变形。线圈本体1包括两条互相平行的直线段11和位于直线段11两端的半圆形弧线段12，弧线段12的两端分别与两条直线段11连接而形成封闭的环形，弧线段12所在平面与两条直线段11所在平面形成的二面角的平面角为钝角，且各弧线段12位于两条直线段11所在平面的同一侧，即将传统的平面线圈两端向同一侧翘起，各翘起的角度均为锐角。绝缘支撑板2设置于线圈本体1中央，且绝缘支撑板2的外沿与线圈本体1的内沿紧密配合。绝缘支撑板2为绕制线圈本体1时使用的具有一定机械强度的固体板材模具，其绝缘性良好，不具有导磁性，例如环氧树脂模具。
32.本发明提出的分段式整体充磁线圈结构，整体充磁线圈一次只完成一段磁极的充磁，所需电源能量降低；将线圈两端翘起，减弱线圈端部的反向磁场，从而避免反向磁场造成已充磁磁极区域的退磁。另外，由于线圈体积减小，电感降低，产生的磁场脉宽缩短，线圈发热降低，冷却时间缩短。
33.结合图2和图3所示，一些实施例中，为了抵御线圈本体1在电磁力作用下向外膨胀，在线圈本体1外围环向上设置有第一加固结构3，第一加固结构3的形状与线圈本体1的形状相同，且第一加固结构3的内沿与线圈本体1的外沿紧密配合。
34.优选地，第一加固结构3为纤维复合材料；施加一定的预应力将纤维复合材料均匀地缠绕在线圈本体1的环向方向一定厚度，从而形成第一加固结构3。
35.一些实施例中，为了进一步防止线圈本体1在电磁力作用下膨胀变形，并固定线圈本体1保持原本形状，在线圈本体1外围垂直于直线段11方向上还设置有第二加固结构4，第二加固结构4呈筒状且紧固套设在直线段11上。优选地，第二加固结构4的长度与直线段11的长度相等，以实现对线圈本体1中间的整个直线段11进行加固。
36.优选地，第二加固结构4为纤维复合材料；在线圈本体1的环向上绕制完第一加固结构3之后，再施加一定的预应力将纤维复合材料均匀地缠绕在线圈本体1的宽度方向一定厚度，从而形成第二加固结构4。
37.进一步优选地，在缠绕形成第一加固结构3和第二加固结构4的时候会刷上环氧树脂以固化纤维复合材料，从而形成一个整体的加固结构增强线圈装置的力学性能。
38.本发明线圈本体1是两端翘起的跑道型结构，在电磁力的作用下线圈本体1的中间部分会向外膨胀，从而引起线圈本体1的端部向内压缩变形。在线圈本体1的外围环向缠绕第一加固结构3之后，继续在线圈本体1的直线段11外围垂直缠绕第二加固结构4，该结构有效地减小了线圈本体1的环向变形，保证了线圈本体1的力学稳定性。
39.一些实施例中，线圈本体1由中空管状导线绕制而成，相比实心导线增大了表面积，能够加快线圈装置放电过程中的散热。导线材料可选择导电性能较好的铜或铝。进一步地，还可以在线圈本体1上设置进水口和出水口，线圈装置外接水泵，在实际放电时向线圈本体1的导线内部通入循环的去离子水，进一步提高线圈装置的冷却效率，缩短线圈装置的放电时间间隔，在相同时间内线圈装置的放电次数增加，有利于高重复频率充磁。
40.以下结合具体实施例，对上述技术方案详细说明。
41.实施例1
42.本实施例提供一种线圈装置，如图2和图3所示，包括线圈本体1、绝缘支撑板2、第一加固结构3和第二加固结构4。线圈本体1包括两条互相平行的直线段11和位于直线段11两端的半圆形弧线段12，各弧线段12的两端分别与两条直线段11连接而形成封闭的环形，各弧线段12所在平面与两条直线段11所在平面形成的二面角的平面角为钝角，且各弧线段12位于两条直线段11所在平面的同一侧。线圈本体1缠绕在绝缘支撑板2外围，第一加固结构3缠绕在线圈本体1外围，当线圈装置水平放置时，线圈本体1、绝缘支撑板2和第一加固结构3在竖直方向上的投影重合。第二加固结构4沿垂直于直线段11的方向缠绕在第一加固结构3外围，第二加固结构4的长度与直线段11的长度相等。线圈本体1由中空铜管导线绕制而成，在铜管导线上设置有进水口和出水口。第一加固结构3和第二加固结构4均由纤维增强环氧树脂基复合材料绕制而成。
43.图4为利用本实施例提供的线圈装置对永磁电机转子5上的一个转子磁极6进行分段充磁的结构示意图。线圈本体1对转子磁极6的一段进行放电充磁，正对线圈本体1内部区域的磁极被成功磁化。由于线圈本体1的两端端部翘起，其外部的反向磁场减弱，当线圈本体1对转子磁极6的下一段进行放电充磁时，其反向磁场不会导致上一段已充磁磁极区域发生不可逆退磁。
44.对比例1
45.本对比例提供一种平面充磁线圈，整个线圈位于一个平面上，且该线圈为跑道型。本对比例线圈的大小与本发明实施例提供的线圈本体1大小一致，本对比例线圈采用纯铜实心导线绕制而成。
46.本发明分别采用实施例1线圈装置和对比例1充磁线圈对一个转子磁极6进行充磁，比较两者的充磁效果，图5显示出了利用两种线圈充磁转子磁极6的轴向磁化磁场，可以看出，由于实施例1线圈端部翘起，线圈端部的反向磁场减弱，转子磁极6的轴向磁化磁场强度更大，充磁效果更好。
47.本发明分别检测了实施例1线圈装置和对比例1充磁线圈在放电8t磁场强度后冷却到室温的电阻变化情况，其中实施例1线圈装置在放电时对线圈本体1导线内部通入冷却去离子水，从图6可以看出，采用常规纯铜实心导线绕制的充磁线圈的冷却效率低，放电到目标充磁磁场后冷却时间较长，并且在充磁线圈电阻冷却到室温电阻附近时，电阻下降十分缓慢。采用通入冷却水的铜管绕制的充磁线圈的冷却效率提高，在放电到目标充磁磁场后冷却时间极大缩短，并且由于冷却水和铜管导线强制换热，在充磁线圈电阻冷却到室温电阻附近时，其电阻下降也较快，能实现高重复频率充磁。
48.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。