內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子加裝工藝設(shè)計(jì)

張永平，段小麗，郭英桂

(晉中學(xué)院，晉中030600)

0 引 言

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有鼠籠導(dǎo)條，且鼠籠直接面向空氣隙，具有良好的異步起動(dòng)性能，并具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。皆于這些特點(diǎn)，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于航天航空、數(shù)控機(jī)床、儀器儀表、醫(yī)療器械等許多行業(yè)。在內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)加工生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)子鑄鋁加工和磁體裝配是產(chǎn)品加工制造中的兩道關(guān)鍵工序，探討轉(zhuǎn)子鑄鋁的特殊加工工藝，解決鋁液易滲入轉(zhuǎn)子磁體槽的問(wèn)題。設(shè)計(jì)釹鐵硼永磁體的壓力裝配工裝模具，替代傳統(tǒng)的手工裝配，提高磁體的裝配效率和裝配質(zhì)量，以更好地滿足內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造的需要。

1 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向和永磁體磁化方向的相互關(guān)系，電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)主要有切向式、徑向式和混合式等三種結(jié)構(gòu)形式，圖1 為切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)圖。此結(jié)構(gòu)電機(jī)的永磁體位于鼠籠導(dǎo)條和軸孔之間的轉(zhuǎn)子鐵心中，通常因交軸磁阻和直軸磁阻不相等，形成不對(duì)稱的轉(zhuǎn)子磁路，所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的過(guò)載性能。內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，一是漏磁大，永磁體利用率低，因而電機(jī)設(shè)計(jì)中采用圖1 的氣隙隔磁措施，成本低，且能有效提高磁體利用率;二是在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)需沖制鑄鋁槽、永磁體槽、氣隙隔磁槽和軸孔等多種槽型，一方面使轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度變差;另一方面使轉(zhuǎn)子鑄鋁工藝變得復(fù)雜，鋁液極容易滲入磁體槽和氣隙隔磁槽。研究轉(zhuǎn)子鑄鋁的特殊加工工藝，解決轉(zhuǎn)子鑄鋁時(shí)鋁液易滲入轉(zhuǎn)子磁體槽和氣隙隔磁槽的問(wèn)題。內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁體因在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，磁體裝配較困難。目前該類型電機(jī)的生產(chǎn)，磁體通常采用手工裝配，不僅生產(chǎn)效率低，而且裝配質(zhì)量難以保證。設(shè)計(jì)有效的磁體裝配工裝模具，實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力裝配，是解決問(wèn)題的有效途徑。

2 轉(zhuǎn)子鑄鋁工藝

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心疊壓完成后，即進(jìn)入轉(zhuǎn)子鑄鋁加工階段。我們知道，轉(zhuǎn)子鐵心鑄鋁時(shí)，99.5%的純鋁液溫度高達(dá)700℃左右，工作環(huán)境溫度對(duì)永磁體的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度影響非常大。永磁釹鐵硼材料(如N33SH)的溫度特性曲線如圖2 所示，圖2 中的J－H 曲線為內(nèi)稟退磁曲線，B－H 曲線為退磁曲線。材料的剩磁溫度系數(shù)為－0.095% /K ～－0.15%/K，矯頑力溫度系數(shù)－0.4%/K ～－0.7%/K。由圖2 可知，釹鐵硼永磁體的溫度穩(wěn)定性較差，常溫下退磁曲線為直線，伴隨溫度的升高，磁體的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度將下降。釹鐵硼永磁體的最高工作溫度一般為150℃～180℃左右，其居里溫度較低，通常為310℃～410℃，當(dāng)工作環(huán)境溫度達(dá)到居里溫度時(shí)，永磁體將完全不可逆退磁，即永久退磁。釹鐵硼磁體材料裝配前應(yīng)充好磁，裝配后再充磁，目前的工藝較難實(shí)現(xiàn)?？梢?jiàn)，已充好磁的磁體裝配只能在轉(zhuǎn)子鑄鋁加工完成之后進(jìn)行，若磁體裝配后再進(jìn)行鑄鋁加工，已充好磁的永磁體將完全退磁。

圖2 N33SH 釹鐵硼永磁材料的溫度特性曲線

對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子進(jìn)行鑄鋁加工時(shí)，絕不能讓鋁液進(jìn)入磁體槽和軸孔內(nèi)，否則無(wú)法進(jìn)行磁體和轉(zhuǎn)軸的裝配。解決的加工工藝是在轉(zhuǎn)子鑄鋁前，采用將磁體槽、氣隙隔磁槽和軸孔利用合適的材料封堵工藝。對(duì)于磁體槽的封堵，可以制作與實(shí)際磁體尺寸完全相同的工藝磁體，材料可選用45#鋼，即硅鋼片和封堵材料的熱膨脹系數(shù)近似相同，不可選用耐溫性能差異較大的材料，以防高溫鑄鋁時(shí)因工藝磁體材料的形變和硅鋼片的形變不一致，而引起時(shí)效后磁體槽的永久形變，給后序的磁體裝配造成困難。利用上述工藝將加工好的工藝磁體插入圖1 的磁體槽內(nèi)，工藝磁體裝配后如圖3 所示?；⌒螝庀陡舸挪鄣姆舛鹿に?，類似于軸孔的封堵工藝，有關(guān)鑄鋁時(shí)轉(zhuǎn)子軸孔的封堵，目前的加工工藝已非常完善，此處不再贅述。

圖3 工藝磁體和轉(zhuǎn)軸裝配圖

轉(zhuǎn)子鑄鋁加工完成后，工藝磁體從磁體槽內(nèi)退出，應(yīng)在鐵心溫度降為室溫后，以免在高溫退出工藝磁體時(shí)造成磁體槽的損傷和形變，影響后序?qū)嶋H磁體的裝配。

3 磁體裝配的工藝與工裝

磁體的裝配是內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)特有的加工工序。磁體裝配工藝工裝設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，主要有以下幾方面的影響:(1)磁極極性必須按照設(shè)計(jì)圖紙裝配，絕不可將磁體極性裝反，否則將造成電機(jī)磁場(chǎng)嚴(yán)重畸變。(2)磁體必須裝配到位，否則將造成磁體利用率降低，漏磁增大，使電機(jī)齒部、軛部和氣隙的磁密低于設(shè)計(jì)值。(3)設(shè)計(jì)合理的磁體裝配工裝模具，提高裝配效率，減小磁體裝配破損率，降低加工成本。因此，磁體裝配工藝的優(yōu)劣，不僅影響裝配質(zhì)量，而且影響電機(jī)的性能。

3.1 裝配工藝研究

由于稀土永磁材料的特殊性能，如現(xiàn)在永磁同步電動(dòng)機(jī)廣泛采用的釹鐵硼材料，其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度大，通常為1.0 ～1.4 T 左右。燒結(jié)性材料性脆、易碎等特點(diǎn)，給磁體裝配造成一定的難度。尤其是產(chǎn)品進(jìn)入批量生產(chǎn)，不僅要求有特殊的工作環(huán)境，且手工裝配效率低，磁體裝配過(guò)程中因高剩磁易造成裝配人員的傷害，性脆的特點(diǎn)易造成磁體破損，裝配質(zhì)量難以保證，無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。

轉(zhuǎn)子鑄鋁加工完成后，即進(jìn)入磁體裝配階段，工序如下:車(chē)轉(zhuǎn)子外圓→裝配磁體→固定磁體→轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)。磁體裝配前應(yīng)完成轉(zhuǎn)子氣隙加工，否則磁體裝配后因強(qiáng)磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子外圓加工非常困難，并注意車(chē)削后清理轉(zhuǎn)子表面及磁體槽內(nèi)的鐵屑。磁體裝配工序必須在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工序之前進(jìn)行，若在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工序之后再進(jìn)行磁體裝配，將會(huì)使已經(jīng)平衡好的轉(zhuǎn)子又產(chǎn)生新的不平衡，輕則造成機(jī)械損耗的增加和噪聲的增大，重則使電機(jī)無(wú)法運(yùn)行。

磁體裝配時(shí)，磁體與磁體槽的裝配公差設(shè)計(jì)是非常重要的。若二者的裝配間隙過(guò)小，磁體不易插入磁體槽內(nèi)，且易損傷磁體，甚至造成磁體破損。二者的裝配間隙過(guò)大，一方面產(chǎn)生磁體松動(dòng)，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)性能不穩(wěn)且易損傷磁體;另一方面漏磁增大，影響電機(jī)性能指標(biāo)。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，磁體與磁體槽的裝配公差以間隙配合0.10 ～0.20 mm為宜。

3.2 工裝模具設(shè)計(jì)

FYT300 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，電機(jī)功率4 kW。圖4 為電機(jī)鑄鋁轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)圖，圖5 是根據(jù)圖4 的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的磁體裝配工裝模具的中模剖面圖。圖5 中，磁體模具槽的深度值55 mm 設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度的1/2，材料選用不導(dǎo)磁的反磁物質(zhì)銅材料，磁體與模具槽之間不產(chǎn)生電磁吸力，便于手工安放磁體，同時(shí)也可減小磁體壓裝時(shí)的壓力，降低磁體破損率。模具架的材料為Q235，以降低模具成本。定位柱通過(guò)圖1 中氣隙隔磁槽的直線部位作模具的徑向定位，定位臺(tái)階作模具的軸向定位。圖6 為磁體裝配工裝模具的上、下模剖面圖。圖6 中h 值設(shè)計(jì)根據(jù)轉(zhuǎn)子兩端的軸伸長(zhǎng)度和工作臺(tái)、壓力頭結(jié)構(gòu)決定，上模尺寸為60 mm，下模尺寸為20 mm。下模的上平面是磁體壓裝完成后的軸向定位臺(tái)階。上、下模的材料可選用具有一定抗壓強(qiáng)度的鋁合金材料，主要利用其較好的隔磁性能，便于裝配時(shí)模具的取放，同時(shí)制造成本較低。

磁體裝配的操作由兩道工序完成:首先在工作臺(tái)上放置磁體裝配工裝模具的下模，將待裝磁體的鑄鋁轉(zhuǎn)子非軸伸端朝上放置在下模上。在鑄鋁轉(zhuǎn)子的非軸伸端一側(cè)安裝磁體工裝模具的中模，利用圖4 的徑向定位柱和軸向定位臺(tái)階完成中模在鑄侶轉(zhuǎn)子鐵心上的定位。將已充好磁的磁體按圖1 的極性方向手工放入磁體模具槽內(nèi)，然后在中模的上方安裝磁體裝配工裝模具的上模，壓裝磁體入轉(zhuǎn)子磁體槽，磁體進(jìn)入磁體槽1/2 的位置，完成第一道壓裝工序。退壓裝頭，從上方取出上模和中模后，僅將上模安裝于未壓裝到位的磁體上，二次壓裝磁體并到位，完成第二道壓裝工序。

若磁體在轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)為兩塊拼接，磁體模具槽的深度值設(shè)計(jì)為每塊磁體長(zhǎng)度的1/2，兩塊磁體從電機(jī)的軸伸端和非軸伸端分別按上述壓裝工序完成磁體裝配。

磁體壓裝工序完成后，必須固定磁體在磁體槽內(nèi)，以防電機(jī)運(yùn)行中發(fā)生磁體在槽內(nèi)軸向竄動(dòng)，造成磁體損傷且影響電機(jī)性能。固定磁體目前主要有兩種方法:一是磁體直接裝配于磁體槽后，在轉(zhuǎn)子兩端安裝固定端板(銅材料)，銅材質(zhì)的固定端板同時(shí)可減小端部漏磁;二是在磁體壓裝工序前，先在磁體槽內(nèi)涂環(huán)氧樹(shù)脂，磁體壓裝后，依靠環(huán)氧樹(shù)脂粘合磁體在磁體槽內(nèi)，解決磁體的軸向竄動(dòng)問(wèn)題。第二種方法可省的固定端板，但會(huì)帶來(lái)端部漏磁，且安裝后如需退出永磁體則非常困難。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文探討了內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鑄鋁的特殊加工工藝，解決鋁液易滲入磁體槽的問(wèn)題。設(shè)計(jì)釹鐵硼永磁體的壓力裝配工裝模具，替代了傳統(tǒng)的手工裝配。在晉中某電機(jī)制造公司的內(nèi)置式FYT300 永磁同步電動(dòng)機(jī)的批量生產(chǎn)中，鑄鋁加工中磁體槽無(wú)滲液，磁體壓力裝配廢品率控制在0.8%以內(nèi)，提高磁體的裝配效率和裝配質(zhì)量，驗(yàn)證了該工藝的可靠性和有效性。該磁體轉(zhuǎn)子加工裝配工藝應(yīng)用于其它系列型號(hào)的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)中可提供借鑒。

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