一種改善磁瓦波形結構的模具設計方法

陳婉瓊

摘要： 隨著國際技術交流、技術合作的不斷擴展，我國磁性產(chǎn)品在生產(chǎn)工藝、技術水平、工裝設備上逐步與國際最高水平縮小差距。磁瓦模具設計形狀與產(chǎn)品的性能有著舉足輕重的關系，影響著由磁性產(chǎn)品為主要部件的直流電機的噪音、震動和使用壽命。本文著重介紹了如何在濕式成型模具設計中巧妙應用不導磁材料，改變模具加工形狀，控制磁性材料產(chǎn)品的充磁取向，以達到降低電機運行時的震動和噪音，延長電機使用壽命的目的。

Abstract： With the continuous expansion of international technical exchanges and technical cooperation， China's magnetic products have gradually narrowed the gap with the highest international level in terms of production technology， technical level， and tooling equipment. The design shape of the magnet tile mold has a pivotal relationship with the performance of the product， which affects the noise， vibration and service life of the DC motor whose main component is magnetic products. This article focuses on how to cleverly apply non-magnetic materials in the design of wet forming molds， change the shape of the mold， and control the magnetization orientation of the magnetic material products to achieve the purpose of reducing the vibration and noise of the motor during operation and prolonging the service life of the motor.

關鍵詞： 模具形狀;噪音;磁力線

Key words： mold shape;noise;magnetic lines of force

中圖分類號：TM277+.5? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0078-03

0? 引言

隨著國際技術交流、技術合作的不斷擴展，流行電機的變頻技術，直流電機可以大幅度降低能耗和電器運行中的噪音，磁性材料產(chǎn)品充磁后的表磁分布——我們稱之為磁瓦的波形，是影響電流電機噪音和震動大小的重要因素，而磁瓦的波形由成型時模具里取向磁場的方向決定的，因此濕式模具結構設計非常關鍵。

1? 提出問題

單位接到一款磁瓦訂單需求，但是送過多次樣品，都沒有達到客戶要求，隨著轉產(chǎn)日期的臨近，客戶要求交貨的需求非常強烈。磁瓦不能達到客戶要求主要是體現(xiàn)在電機噪音和震動問題。

2? 原因分析

通過與國外同類型電機磁瓦的材料性能與波形對比，我們發(fā)現(xiàn)我們磁瓦的材料性能與國外的基本相同，波形上卻有較大差異，本單位磁瓦波形基本上是矩形形狀，國外的是正弦波形狀;由波形圖我們可以模擬出兩種磁瓦的磁力線分布，見圖1和圖2。

圖1的磁瓦磁力線走向基本上是平行Y軸線的方向，中間部位磁力線與轉子表面垂直，磁場利用率高，但是兩鍘磁力線方向與轉子表面形成一定的夾角，磁性能的利用率明顯下降，導致了電機反電動勢的下降。圖2的磁力線走向是集中到圓心的放射狀方向，中間及兩側與轉子表面相垂直，磁瓦磁性能的利用率達到最大化，因此電機的反電動勢也就相應會提高，這就是為什么我們磁瓦與國外同類型磁瓦在材料性能和外形尺寸基本相同的情況下，反電動勢比別人低的主要原因。另一方面，由于矩形波磁瓦的兩邊磁場較強，轉子在通過兩片磁瓦間隙時所受到的扭力瞬間有一個較大的由強→零→強的突變，所以容易產(chǎn)生轉子的震動，轉子在高速轉動時就會產(chǎn)生嚴重的噪音;而正弦波磁瓦的兩邊磁場較弱，轉子在通過兩片磁瓦的間隙時所受到的扭力較小，基本上能有一個較為平緩的過渡，這就是國外磁瓦比我們的裝配成電機時噪音較小的主要原因。

3? 措施與對策

在制定對策之前，先要解釋一下，為什么我們的磁瓦表磁分布會是矩形的形狀？濕法磁場成型是將二次球磨后的料漿置于模具中，在加壓力成型的同時施加一定方向（垂直或平行于壓力方向）的強磁場，使單疇顆粒作定向排列，同時用真空泵抽水，通過上模板的鉆孔將水排出，當壓制壓力達到一定程度時，料漿就會粘結在一起被固化成模具設計的形狀，而單疇顆粒亦不能再作轉動，磁瓦的磁場方向也就相當于模具成型腔中的外加磁場方向。

圖3是我們傳統(tǒng)濕式磁瓦生產(chǎn)的模具示意圖，圖中簡單的畫出了成型過程中模具內外加磁場的磁路走向，即由機臺下底座10→模具底座5→中心軸9→下模沖底板8→下模沖7→產(chǎn)品6→上模板2→機臺上底座1，最后通過機臺的四根導柱形成一個封閉的回路。其中料腔4和型腔板3是采用無磁鋼材料制作，起磁場屏蔽作用，以保證線圈產(chǎn)生的外加磁場能最大限度的作用在產(chǎn)品上，提高產(chǎn)品的取向度。根據(jù)磁電相通的原理，電路中電流是沿著電阻小的方向流動，同樣地，磁場也會是沿著磁阻比較小的方向構成回路。傳統(tǒng)的模具結構中，由于產(chǎn)品在模具中的左、中、右三個方向的磁阻比較接近，因此，磁瓦的波形就是一個矩形形狀，多個磁瓦組成電機，電機的波形就是一個矩形波。

為了達到國外同類型磁瓦的磁力線分布呈放射狀的目的，我們需要對模具的形狀進行設計，最有效的部位就是磁瓦的上、下兩個面的接觸部位，即上模板和下模沖部件。

3.1 上模板? 如圖4所示，我們在原來上模板的成型位置正上方挖一梯形的空穴，然后用不導磁性材料焊接、填滿挖出來的梯形空穴，梯形尺寸的設計是按照成型部位中間磁阻大、兩邊磁阻小，兼顧由大向小轉變時不要形成突變的原則，以避免磁瓦外觀由于突變磁場引起的外觀不良。這樣由于成型位置上方中間磁阻大、兩邊磁阻小，外加磁場的走向被迫由原來的平行狀走向改變成向兩邊發(fā)散的放射狀，在這樣的外加磁場作用下，成型后的磁瓦的磁場方向也就變成了放射狀的形狀，由于之前原因分析中我們知道，這種磁場形狀的磁瓦對于電機反電動勢的提高有相當?shù)淖饔谩?/p>

3.2 下模沖? 在改變上模板結構的基礎上，我們對下模沖也作出了如圖5的改變。圖5中主要針對下模沖的不導磁材料結構作出改變，原來下模沖不導磁性材料是平行成型R位的結構，主要目的是將外加磁場的突變由成型產(chǎn)品位置改變到不導磁性材料中來，改善磁瓦外觀?，F(xiàn)階段我們在這基礎上將不導磁性材料由平行成型R位狀，改變成一個類似字母“C”的形狀，使得成型位置中間的磁阻小、兩邊磁阻大，這樣，成型位置中間的外加磁場就高，兩邊的磁場低，根據(jù)我們在原因分析中講到的，磁瓦表磁分布中，兩邊磁場越低，其對電機轉動時造成的震動越小，電機的諧波就越小。

改進后磁瓦電機的反電動勢達到了99.4V，符合客戶99±4V的標準，但是電機的5次諧波為2.5～2.7%之間，距離≤2.3%的要求還有一定差距，這說明我們改進后磁瓦的波形波峰還不夠尖，也就是模具成型腔內外加磁場的偏轉力度還不夠，再通過增加上模板不導磁材料中間的厚度難度比較大，畢竟焊接層越厚，加工過程發(fā)熱就越多，上模板的變形就越大，而下模沖由于其在模具結構中所處位置是在取向磁場線圈的中部，其對外加磁場的走向影響較小，一下子，改善計劃陷入了一個瓶頸的狀態(tài)，就差一點點了。其實我們在日常生活當中經(jīng)常遇到這樣的情況：在正常途徑下很難增加外加推力的時候，我們逆向思維一下，不能增加推力，我們還可以減少阻力，同樣達到推動物體的目的，這就是本文要介紹的改進步驟3.3。

3.3 型腔板? 如圖6所示，我們對不導磁材料的型腔板成型R位兩邊鑲嵌上導磁性材料的插條，由于導磁材料插條靠近成型位置，左右兩邊的磁阻減小，型腔內的外加取向磁場會沿著兩邊偏轉，形成型腔內磁場呈放射狀的走向，與改進步驟3.1的作用近似。三種改進過后磁瓦的表磁分布如表1所示：改變后磁瓦的電機反電動勢和5次諧振波與原來磁瓦和國外同類型磁瓦的數(shù)據(jù)對比，見表2。

4? 效果與分析

由表1及表2數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，改變后磁瓦的9點表磁數(shù)據(jù)中，中間部位的磁值比原來提高了約6.0%，兩邊部位的磁值比原來降低了37.4%，電機的反電動勢提高了4.4%，諧波降低了66.3%，這就說明了電機的反電動勢和諧波與磁瓦的表磁分布（亦即波形）有很大關系，中間表磁大，兩邊表磁小的正弦波對于提高電機的反電動勢和降低電機諧波有積極作用，而且中間表磁越大，兩邊表磁越小，即正弦波峰越尖，電機的反電動勢就越大、諧波越小。結果完全符合客戶要求，產(chǎn)品也已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，月產(chǎn)量達2萬片左右，預計下一年將迎來井噴的生產(chǎn)期。

5? 結論

磁瓦的表磁分布由成型時的外加取向磁場的方向決定，而外加取向磁場的方向由模具形狀決定。通過對磁瓦模具形狀的設計：模具的上模板、下模沖和型腔板結構。生產(chǎn)出的磁瓦表磁分布越來越接近正弦分布，尖峰越高，其反電動勢越大、5次諧波越小。因此，改變模具形狀對于改善直流電機的反電動勢和5次諧波，顯得猶為有效，同時也滿足了客戶對電機的噪音和震動要求。

6? 結束語

本模具設計思路的改善效果顯著，但是過程幾經(jīng)曲折，一度還處在迷惘的邊緣，幸好有企業(yè)領導和同事們的大力支持和鼓勵，特別是客戶領導在挫折過程中親自到公司參與分析原因，采用頭腦風暴法，積極配合樣機的測試及相關的評估工作。

參考文獻：

[1]機械設計手冊.

[2]磁性材料及器件.

[3]關鍵工藝技術資訊.

[4]先進成形制造實用技術.