随着风力发电机朝着单机大型化的方向发展，直驱式永磁发电机和半直驱式永磁发电机已成为当前风力发电领域的主要发展趋势。在永磁电机中，永磁磁极作为磁动力源，其磁性质量对永磁电机的性能起着决定性的作用。

目前，大型永磁风力发电机磁极由众多永磁块组成，采用“先充磁后组装”的制造工艺，即先用高于饱和磁化强度的磁场在所需磁化方向上分别对每个永磁块充磁，再通过特殊的工装将多个永磁块用环氧胶粘接并压接拼装成大的磁极。由于带磁性的永磁块之间、永磁块与铁磁材料间强烈的磁力作用，组装过程复杂、安全风险大、容易导致永磁块退磁和损坏，电机生产效率低。此外，充磁后的永磁块无法再进行机械加工，其装配精度和电机性能都会受到一定影响，难以满足大型永磁装备高端制造的需求。

“先组装后充磁”的整体充磁技术是将永磁块在不带磁性的状态下组装成磁极，安装到发电机转子上后再整体充磁，避免了磁极制造装配过程中磁力作用的影响。这种无磁组装工艺能提高安装精度和效率，降低安装过程中永磁块碰撞吸附的风险，保障人身与设备安全。未充磁的磁极组装完成后还能根据需要进行机械加工，保证了电机的装配精度和气隙均匀性。这种整体后充磁技术可以大幅提高电机的性能和制造效率。

整体充磁技术最初在二十世纪的八九十年代提出，目前主要被应用于小尺寸、小功率的永磁电机。这些电机转子的直径普遍在mm至cm量级，功率为百、千瓦级。根据整体充磁对象的不同可将整体充磁分为整机磁化和整极磁化。

整机磁化是一次完成对整个转子所有磁极的充磁，而整极磁化则是对单极进行充磁，分多次完成所有磁极的充磁，相应的原理如图1所示。50 kW电动汽车驱动电机、250 kW和300 kW高速永磁电机与三种MW级永磁风力发电机关键参数的对比见表1。

图1 整体充磁原理示意图

表1 转子规格参数

可以看出，将整体充磁技术应用于MW级的大型永磁电机面临诸多挑战。首先，MW级大型永磁电机的磁极数量更多、体积巨大，转子整机磁化或整极磁化所需的电源能量、线圈安匝数等与中小型永磁电机整体充磁相比都是数量级的增加。其次，MW级电机的磁极尺寸较大，充磁线圈可利用的空间有限，充磁时磁极区域的磁场不均匀，其方向和大小随空间而变化。

在这种复杂多向的磁场环境下，确保磁极饱和充磁变得更加困难。同时，在整极磁化过程中线圈外的杂散磁场可能会影响临近已磁化的磁极，导致其退磁。最后，充磁线圈在磁极全范围内产生高于磁块饱和磁化强度的磁场给线圈的结构和热稳定性也带来了重大挑战。

面对在传统的大型永磁电机磁极制造过程中，采用的“先充磁后组装”预充磁技术存在生产效率低、安全风险大等问题，国家脉冲强磁场科学中心（华中科技大学）的李亮、涂章等，提出一种大型永磁风力发电机整体充磁技术，将传统的“先充磁后组装”改为“先组装后充磁”，有效地提高了装配精度、生产效率和安全性。

他们通过研究N46SH钕铁硼永磁材料在多角度外磁场中的磁化及退磁行为，建立了其在不同磁场方向下的饱和磁化判据。基于此，针对MW级直驱和半直驱风力发电机结构，提出了整体充磁线圈系统的设计方法，以在2.5 MW直驱和20 MW半直驱风力发电机的整体充磁应用为例，研制了充磁线圈及其冷却系统、充磁电源、旋转推进系统和测量控制系统。

大型永磁风力发电机整体充磁系统主要包括充磁线圈、冷却系统、充磁电源、旋转推进系统和测量控制系统。图15所示为整体充磁系统的三维结构模型以及2.5 MW直驱机型和20 MW半直驱机型整体充磁系统的实物图。为了确保磁化过程中的准确性和重复性，转子采用了高精度转台进行旋转和定位。同时，磁化线圈配备了推进系统进行与磁极的精确匹配。

单极整体充磁的具体流程如下：首先通过旋转转子，将待充磁极旋转至预定位置；接着推进磁化线圈与磁极完全贴合；然后切换极性开关为N极或S极充磁模式；随后充磁电源按预定参数放电，完成对单极的整体充磁；最后将磁化线圈推离转子，待线圈完成冷却和待充磁极定位后，重复上述流程直至转子的所有磁极完成充磁。

图2 整体充磁系统

研究者表示，该系统已经成功应用于湘电和中车等企业的MW级系列永磁风力发电机的制造与维护。整体充磁技术为大功率大型永磁电机的制造提供了一种高效与实用的方案，但其涉及的学科领域广泛，相关理论尚不完善且研究较少。后续还需要解决以下几个方面的问题。

首先，本次研究仅对单一型号的永磁体进行了材料测试，其规律的普适性有待进一步验证。其次，虽然极间线圈单次温升较低，但在长时间的连续工作情况下会导致温度累积效应明显。因此，采用减少匝数或使用中空导线等策略来优化极间线圈的设计需要进一步深入探究。同时，需要实现整体充磁系统的设备轻量化和便携化，以降低其规模和体积，提高其适用性。最后，需要进一步研究“定子和转子组装后再磁化”的在线原位整体充磁技术，提高定子和转子的装配精度来减小气隙，以提高电机性能。

他们总结指出，整体充磁技术具有广阔的应用前景，必将成为未来永磁电机设计及制造的必然趋势，将在风力发电、新能源汽车、家用电器及工业驱动控制等领域产生深远的影响。

本工作成果发表在2023年第24期《电工技术学报》，论文标题为“大型永磁风力发电机整体充磁系统设计及应用”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。