中軸轉(zhuǎn)速傳感器用環(huán)形磁鐵易裂問題分析及改善

（蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

中軸轉(zhuǎn)速傳感器用環(huán)形磁鐵易裂問題分析及改善

陳章華，王明娣

（蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

霍爾傳感器通常采用釤鈷材質(zhì)的單極性磁鐵，釤鈷磁鐵有著較高的磁能積、可靠的矯頑力和良好的溫度特性，適合在高溫環(huán)境中工作。本案中采用了36個磁極的圓環(huán)形磁鐵，為了滿足設(shè)計要求，磁鐵的材質(zhì)選擇了粘結(jié)工藝的釹鐵硼磁鐵，這種多磁極的環(huán)形磁鐵在裝配過程中極易碎裂。本文對引起磁鐵開裂的各種因素進行分析、試驗、歸納和總結(jié)，并著重對與磁鐵裝配的相關(guān)零件的尺寸公差進行研究和改進，通過對不同供應(yīng)商提供的磁鐵和不同裝配人員的操作進行正交試驗，從而得出了使磁鐵開裂最小發(fā)生幾率的方案。

霍爾傳感器；正交試驗；磁鐵開裂

目前，電動助力自行車日益受到市場的歡迎，人們在追求出行方便的同時，也特別關(guān)注健康、環(huán)保等方面的問題。傳統(tǒng)的電動自行車由于其設(shè)計的缺陷，不能實時動態(tài)地調(diào)整電機輸出功率，而智能電動助力自行車由于能夠?qū)崟r、動態(tài)地檢測騎行者的施力狀態(tài)，并調(diào)節(jié)電機的輸出功率，從而使得騎行者在逆風(fēng)或者上坡過程中達到用力不費力的駕駛感受。然而，現(xiàn)有電動自行車使用的力矩傳感器存在采集模擬信號數(shù)量少、速度慢和靈敏度低等問題，使得騎行者在騎行過程中，電機輸出功率不穩(wěn)定，助力效果不明顯。針對上述問題，本論文提出了一種霍爾效應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計方法。

本論文中的新的緊湊型轉(zhuǎn)速傳感器底部支架使用非接觸式的測量方式來判定自行車的速度、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度。該系統(tǒng)具有更高的設(shè)計精度，在啟動和停止驅(qū)動系統(tǒng)時，由于更短的響應(yīng)時間可獲得更精確的控制和更靈敏的驅(qū)動反映，從而對騎行者提供最佳輔助。環(huán)形磁鐵由同等尺寸的36個磁柱組成，中軸每旋轉(zhuǎn)一圈，36個磁柱與PCB上的霍爾IC元件便產(chǎn)生相對運動。從而產(chǎn)生36個脈沖信號。基于傳感器的工作環(huán)境和尺寸精度，磁鐵選用釹鐵硼材料粘結(jié)工藝，但是這種磁鐵存在兩個問題：第一，因為磁鐵是由多磁柱組成，裝配過程易使磁鐵開裂，產(chǎn)品報廢率高；第二，磁鐵的單個磁柱寬度公差太小，這對磁鐵的制程能力具有很大挑戰(zhàn)。本文針對裝配過種中磁鐵開裂問題展開了詳細研究，通過公差調(diào)整、多次試驗并不斷改進，從而找出了使磁鐵開裂最小發(fā)生幾率的方案。

1 磁鐵裂紋的產(chǎn)生原因

1.1 材質(zhì)分析

磁鐵的種類很多，通常分為永磁和軟磁兩大類，傳感器使用永磁磁鐵。永磁磁鐵材質(zhì)主要有以下幾類。

（1）釹鐵硼：它是目前發(fā)現(xiàn)商品化性能最高的磁鐵，被人們稱為磁王，擁有極高的磁性能，本身的機械加工性能相當(dāng)好。工作溫度最高可達200℃，而且質(zhì)地堅硬，性能穩(wěn)定，有很高的性價比，應(yīng)用極其廣泛。釹鐵硼磁鐵可分為粘結(jié)釹鐵硼磁鐵和燒結(jié)釹鐵硼磁鐵，兩者區(qū)別主要在工藝。粘結(jié)釹鐵硼磁鐵是由釹鐵硼磁粉加入粘合劑而制成，它實際上就是注塑成型；而燒結(jié)是抽真空通過高溫加墊成型。燒結(jié)釹鐵硼是粉末冶金工藝，材質(zhì)本身很硬，硬度約為560～580HV,但是相當(dāng)脆，它具有高抗退磁性，但溫度穩(wěn)定性一般。粘結(jié)釹鐵硼工藝簡單，料少工序少，而燒結(jié)釹鐵硼的工藝技術(shù)太差，它們價格相差很大。粘結(jié)釹鐵硼是由快淬NdFeB磁粉和結(jié)合劑混合通過壓制成型制成磁體。粘結(jié)磁鐵的尺寸精度高，可做成形狀相對復(fù)雜的磁性元件。粘結(jié)釹鐵硼的機械強度高。

（2）鐵氧化體：通過陶瓷工藝法制造而成，質(zhì)地較硬，屬脆性材料，由于鐵氧化體有很好的耐溫性、價格低廉、性能適中，已成為應(yīng)用最為廣泛的永磁體。

（3）鋁鎳鈷：是由鋁、鎳、鈷、鐵和其它微量金屬元素構(gòu)成的一種合金。該材料有著最低可朔溫度系數(shù)，工作溫度可高達600℃以上。它的可加工性好，該材料廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表。

（4）釤鈷(SmCo)：因其材料價格昂貴受到限制。它有著較高的磁能積，可靠的矯頑力和良好的溫度特性。與釹鐵硼磁鐵相比，釤鈷磁鐵更適合工作在高溫環(huán)境中。

根據(jù)傳感器的設(shè)計要求，本文選擇了結(jié)粘的釹鐵硼磁鐵。但不管上面哪種材質(zhì)的磁鐵，都是硬而脆的，在運輸、裝配過程中，應(yīng)確保磁體不受劇烈撞擊，如果方法不當(dāng)，容易引起磁體的破損、崩裂。

1.2 設(shè)計分析

1.2.1 磁鐵設(shè)計

磁鐵的設(shè)計要求是最低充磁量為760mT磁通量，磁鐵是由18對NS極磁柱構(gòu)成的圓柱環(huán)（圖1），這種由18對NS極粘結(jié)而成的磁鐵在結(jié)構(gòu)上通常比只有一對NS極的磁鐵更易開裂?；趯?00個磁鐵隨機進行裝配檢測，發(fā)現(xiàn)磁鐵開裂率為3%。

圖1 磁鐵簡圖

1.2.2 磁鐵與磁鐵支撐套裝配導(dǎo)致磁鐵開裂

磁鐵是與磁鐵支撐套直接裝配在一起的（見圖2）。磁鐵支撐套材質(zhì)為PA66+GF25尼龍料。磁鐵支撐套外圈有6個均布的半圓柱筋條，這6個半圓柱筋條與磁鐵內(nèi)圈形成過盈配合，只有過盈配合才能保證磁鐵隨著磁鐵支撐套作同步旋轉(zhuǎn)。磁鐵支撐套的外筋圓直徑和內(nèi)筋圓直徑最初設(shè)計的尺寸公差為φ19.2+0.2 ，φ16.8±0.1。磁鐵最初設(shè)計的內(nèi)徑為φ19.1+0.15，當(dāng)磁鐵裝在磁鐵套上時，雖然磁鐵支撐套上的6個裝配筋可部分吸收磁鐵內(nèi)圈的擠壓而使筋作適當(dāng)微變形，但終究會由于過大的過盈量而易使磁鐵開裂。

圖2 磁鐵和磁鐵支撐套裝配圖

1.2.3 磁鐵在裝配治具上易引起磁鐵開裂

磁鐵安裝時，首先將磁鐵支撐套放在指定的治具孔內(nèi)，然后將磁鐵預(yù)套在磁鐵支撐套的外圈半圓筋條上方，以合適的速度勻速下壓裝配治具把手，治具的上接觸面會迫使磁鐵往下作垂直運動，治具帶動磁鐵往下運動直至磁鐵接觸到磁鐵安裝套的止動面時裝配才會停止。由于和磁鐵接觸的裝配治具下壓面是金屬材質(zhì)，這種硬碰硬的接觸使得磁鐵很容易碎裂。隨機抽取500只磁鐵在此治具上進行裝配，有12只磁鐵破裂，磁鐵開裂率為3%，此開裂比率是不能夠滿足質(zhì)量要求的。

1.2.4 磁鐵安裝套與中軸裝配時易引起磁鐵開裂

磁鐵安裝套內(nèi)壁均布著2排共12個半圓柱筋條，這12個筋形成的圓直徑最初設(shè)計為φ16.8±0.1。圖3為中軸圖紙，磁鐵安裝套需安裝在中軸中間位置直徑為φ16.9±0.08的區(qū)域。安裝時，磁鐵安裝套內(nèi)孔需經(jīng)過中軸一端的軸承安裝區(qū)域（軸承安裝區(qū)域的中軸直徑為φ17+0.01）。磁鐵安裝套內(nèi)孔在經(jīng)過中軸軸承安裝區(qū)域時，由于軸承區(qū)域的直徑較大φ17+0.01，而磁鐵安裝套內(nèi)徑上的安裝筋的匹配直徑只有φ16.8±0.1，因此這12個筋條在裝配時會適當(dāng)擠壓變形。當(dāng)磁鐵安裝套繼續(xù)移動至中軸中間位置時，變形后的12個裝配筋條會與中軸中間部分（直徑φ16.9±0.08）繼續(xù)形成過盈配合,見圖4。這種最終位置確定下來的過盈狀態(tài)能夠使磁鐵安裝套和磁鐵與中軸作同步旋轉(zhuǎn)而不丟步。但是，在裝配中軸的過程中，發(fā)現(xiàn)有近1%的機率使得磁鐵再次開裂。

圖3 中軸圖紙

圖4 磁鐵支撐套與中軸裝配簡圖

1.3 磁鐵供應(yīng)渠道分析

在磁鐵材料釹鐵硼相同的粘結(jié)工藝條件下，基于價格因素，最初選用了供應(yīng)商UMAG生產(chǎn)的磁鐵。經(jīng)對50個隨機樣件磁鐵徑向耐破測試，其徑向耐破硬度達平均到80N。而磁鐵設(shè)計的徑向耐破硬度為80±5N，其徑向耐破硬度是能滿足設(shè)計要求的。對隨機樣件進行檢測時發(fā)現(xiàn)此供應(yīng)商生產(chǎn)的磁鐵實際精度比設(shè)計標準略低，抽樣中磁鐵每個磁柱的實際寬度公差僅為10°±1°，而設(shè)計要求公差為10°±0.5°，因精度無法滿足設(shè)計要求需要重尋新的磁鐵供應(yīng)渠道。

2 磁鐵開裂的設(shè)計優(yōu)化及解決方案

2.1 磁鐵設(shè)計優(yōu)化

磁鐵內(nèi)圈(φ19.1 +0.15)與磁鐵支撐套(φ19.2+0.2)的匹配間隙為(-0.3 ～ +0.05)，即最大過盈量為0.3，最小過盈是為-0.05(間隙配合)，這就會出現(xiàn)部分磁鐵會裝配碎裂和部分磁鐵會出現(xiàn)間隙配合的情況，從而導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效。功能失效是產(chǎn)品最嚴重的缺陷，磁鐵與磁鐵支撐套配合既要保證過盈配合，還需保證過盈量適中不會導(dǎo)致磁鐵開裂。因此需對磁鐵內(nèi)徑尺寸進行改進，改進后的內(nèi)徑為φ19±0.05，同時磁鐵支撐套外圈的6個匹配筋條外徑也需做適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后的配合公差下節(jié)將會提及。

2.2 磁鐵支撐套裝配設(shè)計優(yōu)化

磁鐵內(nèi)徑尺寸改進之后，磁鐵支撐套外圈上的6個安裝筋外徑也需作相應(yīng)調(diào)整，由原來的φ19.2+0.2更改為φ19.1+0.15。磁鐵和磁鐵支撐套同時優(yōu)化尺寸后，其新的匹配尺寸公差為：-0.3 ～-0.05，即最大過盈量為0.3，最小過盈量為0.05，因為最大值和最小值均為過盈配合，所以磁鐵會一直隨著中軸的旋轉(zhuǎn)作同步旋轉(zhuǎn)，同時磁鐵開裂的幾率并沒有改善，因為最大過盈量沒變，仍是0.3。

2.3 磁鐵裝配治具的改進

壓裝磁鐵的治具在最初的設(shè)計中，治具上與磁鐵接觸使磁鐵下降的裝配面是金屬材料，這種硬碰硬的接觸使得磁鐵很容易碎裂。經(jīng)改進后，在壓裝治具上與磁鐵接觸的金屬表面裝上一層厚度為5mm的橡膠墊，用以緩沖磁鐵裝配時的變形，從而降低磁鐵開裂的幾率，改進后磁鐵開裂幾率由最初的3%降低于1.5%，改善效果明顯。

2.4 磁鐵安裝套與中軸裝配的改進

在最初的設(shè)計中，磁鐵支撐套經(jīng)過中軸軸承位置處時，其匹配間隙為-0.31～-0.10,最大最小值都是過盈配合。磁鐵支撐套最終安裝至中軸中部時，其匹配間隙為-0.28～+0.08。當(dāng)磁鐵安裝套組件裝配到中軸上時，會出現(xiàn)1%的磁鐵再次開裂?，F(xiàn)對磁鐵支撐套內(nèi)部12個筋形成的內(nèi)徑從最初的φ16.8±0.1調(diào)整為φ16.8±0.075，磁鐵支撐套與中軸軸承處匹配間隙優(yōu)化后的尺寸是-0.285～-0.125。最大過盈量比最初小了0.025。而中軸中間位置的直徑從最初的φ16.9±0.08調(diào)整為φ16.93±0.05，磁鐵支撐套與中軸中間位置匹配間隙優(yōu)化后的尺寸是-0.255～-0.005，最大過盈量比之前小了0.025。通過上面兩處尺寸的優(yōu)化，并對500套中軸裝配進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，磁鐵再次開裂的幾率從原先的1%降到0.3%。

2.5 磁鐵供應(yīng)商的重新選擇

最初選擇供應(yīng)商UMAG的磁鐵，雖然磁鐵徑向耐破硬度能夠滿足設(shè)計要求80±5N，但是磁鐵單個磁柱的實際寬度公差僅為10°±1°，不能滿足設(shè)計要求10°±0.5°,因此重新選擇了使用相同磁鐵（釹鐵硼粘結(jié)磁鐵）的新供應(yīng)商HPMG。HPMG第一次送樣的樣件，經(jīng)實測每個磁柱是能滿足單個磁柱的尺寸公差10°±0.5°的要求,但徑向耐破力測試后發(fā)現(xiàn)，抽樣10只平均徑向耐破力只有65.2N，明顯低于設(shè)計要求的80±5N。通知供應(yīng)商進行工藝改進后，HPMG第二次送樣，再次抽樣后，其單個磁柱寬度公差仍在設(shè)計范圍內(nèi)，其平均耐破硬度也明顯得到提高，達到80.4N，經(jīng)對500只磁鐵的裝配進行統(tǒng)計，由于壓裝磁鐵的治具上裝了橡膠墊，這種情況下最新磁鐵的開裂率已減少到4‰（表1）。

表1 磁鐵徑向耐破力測試 N

2.6 操作人員對磁鐵開裂的影響

裝配時還發(fā)現(xiàn)，男性裝配人員比女性裝配人員出現(xiàn)磁鐵開裂的幾率更高，這是因為男性在壓裝磁鐵時，其手柄下壓的加速度通常要高于女性，這會導(dǎo)致磁鐵變形過快而開裂。因此，對磁鐵裝配這站專門編寫了操作說明書，要求操作人員勻速緩慢下壓磁鐵，此站位專門按排女性操作人員，并對操作人員進行演示培訓(xùn)。經(jīng)過以上所有的改進措施后，對2000只磁鐵進行裝配統(tǒng)計，并未發(fā)現(xiàn)磁鐵開裂的現(xiàn)象。

3 結(jié)語

經(jīng)過以上多次試驗和設(shè)計及裝配驗證，得出磁鐵開裂的因素主要有如下幾點：第一，磁鐵的材質(zhì)和磁鐵的結(jié)構(gòu)組成。第二，磁鐵內(nèi)徑與磁鐵支撐套外徑的匹配過盈大小。第三，磁鐵安裝套內(nèi)徑與中軸相關(guān)匹配直徑的過盈大小。第四，磁鐵裝配治具的設(shè)計。第五，裝配操作方法。基于確定的磁鐵材質(zhì)，在磁鐵與磁鐵支撐套過盈配合、磁鐵支撐套與中軸過盈配合的前提下，必須設(shè)計出合適的匹配過盈量，裝配磁鐵的治具與磁鐵的接觸面需設(shè)計為橡膠材質(zhì)，同時保證裝配人員勻速緩慢的下壓裝配，才得使磁鐵在裝配過程中出現(xiàn)最小的開裂幾率。

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