高速永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼表貼固定方式的分析與研究

林鳳卿

(上海ABB動(dòng)力傳動(dòng)有限公司，上海 201613)

隨著社會(huì)的發(fā)展，各行各業(yè)的自動(dòng)化程度越來越高，電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也越來越多，同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求也越來越高。隨著電動(dòng)機(jī)向高轉(zhuǎn)速和大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中磁鋼的固定要求也越來越高。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中磁鋼的安置方式主要分為表貼式和內(nèi)置式。其中，表貼式磁極的磁鋼直接面對(duì)空氣隙，具有加工和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但磁鋼直接承受電樞反應(yīng)的去磁作用；內(nèi)置式磁極的磁鋼置于鐵心內(nèi)部，加工和安裝工藝復(fù)雜，漏磁大，但可以放置較多的磁鋼來提高氣隙磁密、減小電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和體積[1]。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性考慮，采用內(nèi)置式，磁鋼不易脫落，安全性更高，但需先給磁鋼充磁后嵌入，工序復(fù)雜困難，而表貼式可先貼磁鋼后進(jìn)行整體充磁，工序簡(jiǎn)單方便；因此很多廠家的高速電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仍偏向于采用表貼式。本文就高速永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼表貼固定方式進(jìn)行分析和研究。

1 表貼式磁鋼固定方式

表貼式高速永磁電動(dòng)機(jī)的永磁體通常為瓦片形，貼于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面。表貼式高速永磁電動(dòng)機(jī)固定方式包括凸出式和插入式等2種(見圖1)。

圖1 表貼式永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

無論是凸出表貼式還是插入表貼式高速永磁電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子上磁鋼的固定對(duì)高速永磁電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。為了防止磁鋼在運(yùn)行過程中發(fā)生脫落以及磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵心間發(fā)生周向移動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)磁鋼進(jìn)行可靠的固定。通常，磁鋼固定方式采用化學(xué)固定和機(jī)械固定相結(jié)合的方法?；瘜W(xué)固定采用耐高溫和高強(qiáng)度的膠水固定；機(jī)械固定采用磁鋼外圈套住或靠臺(tái)階結(jié)構(gòu)擋住。

凸出和插入表貼式高速永磁電動(dòng)機(jī)固定方式的特點(diǎn)如下。

凸出表貼式法采用磁鋼膠水固定，并用無緯帶進(jìn)行外圈固定。通過對(duì)磁鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使凸出表貼式高速永磁電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形趨于正弦波的形狀，從而提高電動(dòng)機(jī)的性能。

插入表貼式法采用磁鋼膠水固定，并用燕尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次防護(hù)固定，防止磁鋼在工作時(shí)向外甩出。插入表貼式高速永磁電動(dòng)機(jī)能夠充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，從而提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，改善電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能；但插入表貼式漏磁嚴(yán)重，影響電動(dòng)機(jī)性能[2]。

2 表貼式磁鋼工作時(shí)的受力分析與計(jì)算

電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，磁鋼主要承受電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力轉(zhuǎn)矩的反作用力、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力以及磁鋼的徑向電磁力。磁鋼的徑向電磁力相對(duì)于轉(zhuǎn)矩反作用力和離心力小很多，通?？梢院雎?。轉(zhuǎn)子中單極的磁鋼受力分析圖如圖2所示。圖2中，F(xiàn)1為磁鋼的離心力，方向?yàn)檗D(zhuǎn)子的徑向朝外；F2為磁鋼的轉(zhuǎn)矩反作用力，方向與轉(zhuǎn)子外圓相切，與轉(zhuǎn)矩方向相反。

圖2 磁鋼受力分析圖

離心力F1的計(jì)算式為[3]：

(1)

式中，m是每極磁鋼的質(zhì)量，單位為kg；r是磁鋼的粘接半徑，單位為m；ω是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度；n是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

轉(zhuǎn)矩反作用力F2的計(jì)算式為：

(2)

式中，T是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩；p是電動(dòng)機(jī)極數(shù)。得出合力F的計(jì)算式為：

(3)

合力F的方向角度α為：

(4)

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行周期包括起動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)和停止等4個(gè)階段。伺服驅(qū)動(dòng)的高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩周期變化如圖3所示[4]。從圖3中可以看出，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)階段轉(zhuǎn)矩最大，2個(gè)方向相反，在運(yùn)行階段轉(zhuǎn)速最高。由此可見，磁鋼受力最大的時(shí)間點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行2個(gè)階段的交接點(diǎn)或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和制動(dòng)2個(gè)階段的交接點(diǎn)，在此二處轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均達(dá)到最高值。

圖3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速運(yùn)行周期

現(xiàn)舉一實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析。電動(dòng)機(jī)每極磁鋼的質(zhì)量m=0.135 kg,粘結(jié)面積A=3 200 mm2，磁鋼的粘接半徑r=0.05 m,轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min,電動(dòng)機(jī)極數(shù)p=10，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T=200 N·m,將這些參數(shù)代入式3，計(jì)算得出磁鋼的最大拉力為：

Fmax的方向角度為：

因此，磁鋼所需的最小粘接強(qiáng)度為[5]：

3 表貼式磁鋼粘接力的測(cè)試與計(jì)算

現(xiàn)采用高性能結(jié)構(gòu)膠Devcon 14315進(jìn)行磁鋼粘接力測(cè)試與計(jì)算。高性能結(jié)構(gòu)膠水的性能參數(shù)見表1。磁鋼在工作時(shí)同時(shí)受到離心力和轉(zhuǎn)矩反作用力的作用，所以它既要承受離心力帶來的拉力，又要承受轉(zhuǎn)矩反作用力引起的剪切力；因此，驗(yàn)證膠水性能時(shí)應(yīng)綜合考慮膠水的剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的占比反應(yīng)在合成力的方向角α上，當(dāng)α=0°時(shí)，膠水只承受剪切力的作用；當(dāng)α從0°開始增大時(shí)，膠水承受的拉力占比慢慢增大；當(dāng)α=90°時(shí)，膠水只承受拉力的作用。

表1 高性能結(jié)構(gòu)膠水Devcon 14315性能參數(shù)

將高性能結(jié)構(gòu)膠水粘接磁鋼與固定裝置，通過改變粘接面的傾斜角度來實(shí)現(xiàn)測(cè)試磁鋼膠水不同方向抗拉粘接強(qiáng)度。采用的測(cè)試樣品如圖4所示，測(cè)試過程和結(jié)果如圖5所示。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

圖4 磁鋼粘接強(qiáng)度測(cè)試樣品

圖5 磁鋼粘接力測(cè)試過程與結(jié)果

角度α/(°)粘接強(qiáng)度σ/MPa016.94511.25510.826510.767510.699010.15

采用冪函數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到圖6所示的數(shù)據(jù)曲線，并得出膠水粘接強(qiáng)度與磁鋼受力角度方向的關(guān)系函數(shù)式如下。

σ=12.354α-0.034

(5)

式中，σ是膠水粘接強(qiáng)度，單位為MPa；α是磁鋼受力角度。

圖6 磁鋼受力角度與粘接強(qiáng)度關(guān)系曲線

根據(jù)式5，當(dāng)α=77.8°時(shí)，磁鋼膠水的粘接強(qiáng)度為：

σ=12.354×77.8-0.034=10.7 (MPa)>0.6 MPa

因此，磁鋼的膠水粘接強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)語

通過上述研究，得出如下結(jié)論。

1)對(duì)于高速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼表貼式安置方式，磁鋼同時(shí)承受離心力與轉(zhuǎn)矩反作用力的作用，固定磁鋼的膠水需要同時(shí)承受剪切力和拉力。

2)膠水的粘接強(qiáng)度與其作用力方向有關(guān)系，本文通過測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系函數(shù)擬合，具有一定的參考意義。

3)由膠水測(cè)試數(shù)據(jù)得到的擬合函數(shù)，進(jìn)行膠水粘接強(qiáng)度的反計(jì)算，計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于磁鋼粘接所需的最小粘接強(qiáng)度，說明滿足強(qiáng)度要求。

[1] 戴文進(jìn).電機(jī)設(shè)計(jì)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 楊云峰，鐘治平，等.一種表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼的固定工藝永磁電機(jī)：中國(guó)，106936273 A[P].2017-07-07.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4] 顏嘉男. 伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[5] 鴻文．材料力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2004.