內置式永磁同步電機轉子加裝工藝設計

張永平，段小麗，郭英桂

(晉中學院，晉中030600)

0 引 言

內置式永磁同步電動機的轉子上裝有鼠籠導條，且鼠籠直接面向空氣隙，具有良好的異步起動性能，并具有較強的過載能力。皆于這些特點，內置式永磁同步電動機廣泛應用于航天航空、數控機床、儀器儀表、醫療器械等許多行業。在內置式永磁同步電動機加工生產中，轉子鑄鋁加工和磁體裝配是產品加工制造中的兩道關鍵工序，探討轉子鑄鋁的特殊加工工藝，解決鋁液易滲入轉子磁體槽的問題。設計釹鐵硼永磁體的壓力裝配工裝模具，替代傳統的手工裝配，提高磁體的裝配效率和裝配質量，以更好地滿足內置式永磁同步電動機生產制造的需要。

1 內置式轉子磁路結構

對于內置式永磁同步電動機，根據電機轉子旋轉方向和永磁體磁化方向的相互關系，電機磁路結構主要有切向式、徑向式和混合式等三種結構形式，圖1 為切向式轉子磁路結構圖。此結構電機的永磁體位于鼠籠導條和軸孔之間的轉子鐵心中，通常因交軸磁阻和直軸磁阻不相等，形成不對稱的轉子磁路，所產生的磁阻轉矩有利于提高電機的過載性能。內置式永磁同步電動機結構的缺點，一是漏磁大，永磁體利用率低，因而電機設計中采用圖1 的氣隙隔磁措施，成本低，且能有效提高磁體利用率;二是在轉子鐵心內需沖制鑄鋁槽、永磁體槽、氣隙隔磁槽和軸孔等多種槽型，一方面使轉子機械強度變差;另一方面使轉子鑄鋁工藝變得復雜，鋁液極容易滲入磁體槽和氣隙隔磁槽。研究轉子鑄鋁的特殊加工工藝，解決轉子鑄鋁時鋁液易滲入轉子磁體槽和氣隙隔磁槽的問題。內置式永磁同步電動機的磁體因在轉子鐵心內部，磁體裝配較困難。目前該類型電機的生產，磁體通常采用手工裝配，不僅生產效率低，而且裝配質量難以保證。設計有效的磁體裝配工裝模具，實現機械壓力裝配，是解決問題的有效途徑。

2 轉子鑄鋁工藝

內置式永磁同步電動機的轉子鐵心疊壓完成后，即進入轉子鑄鋁加工階段。我們知道，轉子鐵心鑄鋁時，99.5%的純鋁液溫度高達700℃左右，工作環境溫度對永磁體的剩余磁感應強度影響非常大。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 曲線為內稟退磁曲線，B－H 曲線為退磁曲線。材料的剩磁溫度系數為－0.095% /K ～－0.15%/K，矯頑力溫度系數－0.4%/K ～－0.7%/K。由圖2 可知，釹鐵硼永磁體的溫度穩定性較差，常溫下退磁曲線為直線，伴隨溫度的升高，磁體的剩余磁感應強度將下降。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℃，當工作環境溫度達到居里溫度時，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充好磁，裝配后再充磁，目前的工藝較難實現。可見，已充好磁的磁體裝配只能在轉子鑄鋁加工完成之后進行，若磁體裝配后再進行鑄鋁加工，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

對于內置式永磁同步電動機，轉子進行鑄鋁加工時，絕不能讓鋁液進入磁體槽和軸孔內，否則無法進行磁體和轉軸的裝配。解決的加工工藝是在轉子鑄鋁前，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。對于磁體槽的封堵，可以制作與實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，以防高溫鑄鋁時因工藝磁體材料的形變和硅鋼片的形變不一致，而引起時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，工藝磁體裝配后如圖3 所示。弧形氣隙隔磁槽的封堵工藝，類似于軸孔的封堵工藝，有關鑄鋁時轉子軸孔的封堵，目前的加工工藝已非常完善，此處不再贅述。

圖3 工藝磁體和轉軸裝配圖

轉子鑄鋁加工完成后，工藝磁體從磁體槽內退出，應在鐵心溫度降為室溫后，以免在高溫退出工藝磁體時造成磁體槽的損傷和形變，影響后序實際磁體的裝配。

3 磁體裝配的工藝與工裝

磁體的裝配是內置式永磁同步電動機特有的加工工序。磁體裝配工藝工裝設計的優劣，主要有以下幾方面的影響:(1)磁極極性必須按照設計圖紙裝配，絕不可將磁體極性裝反，否則將造成電機磁場嚴重畸變。(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，使電機齒部、軛部和氣隙的磁密低于設計值。(3)設計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，磁體裝配工藝的優劣，不僅影響裝配質量，而且影響電機的性能。

3.1 裝配工藝研究

由于稀土永磁材料的特殊性能，如現在永磁同步電動機廣泛采用的釹鐵硼材料，其剩余磁感應強度大，通常為1.0 ～1.4 T 左右。燒結性材料性脆、易碎等特點，給磁體裝配造成一定的難度。尤其是產品進入批量生產，不僅要求有特殊的工作環境，且手工裝配效率低，磁體裝配過程中因高剩磁易造成裝配人員的傷害，性脆的特點易造成磁體破損，裝配質量難以保證，無法滿足生產需求。

轉子鑄鋁加工完成后，即進入磁體裝配階段，工序如下:車轉子外圓→裝配磁體→固定磁體→轉子動平衡試驗。磁體裝配前應完成轉子氣隙加工，否則磁體裝配后因強磁場使轉子外圓加工非常困難，并注意車削后清理轉子表面及磁體槽內的鐵屑。磁體裝配工序必須在轉子動平衡工序之前進行，若在轉子動平衡工序之后再進行磁體裝配，將會使已經平衡好的轉子又產生新的不平衡，輕則造成機械損耗的增加和噪聲的增大，重則使電機無法運行。

磁體裝配時，磁體與磁體槽的裝配公差設計是非常重要的。若二者的裝配間隙過小，磁體不易插入磁體槽內，且易損傷磁體，甚至造成磁體破損。二者的裝配間隙過大，一方面產生磁體松動，在轉子高速旋轉時，氣隙磁場性能不穩且易損傷磁體;另一方面漏磁增大，影響電機性能指標。生產經驗表明，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 工裝模具設計

FYT300 永磁同步電動機的轉子磁路采用圖1所示的結構，電機功率4 kW。圖4 為電機鑄鋁轉子鐵心結構圖，圖5 是根據圖4 的轉子結構設計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 設計為轉子鐵心長度的1/2，材料選用不導磁的反磁物質銅材料，磁體與模具槽之間不產生電磁吸力，便于手工安放磁體，同時也可減小磁體壓裝時的壓力，降低磁體破損率。模具架的材料為Q235，以降低模具成本。定位柱通過圖1 中氣隙隔磁槽的直線部位作模具的徑向定位，定位臺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 值設計根據轉子兩端的軸伸長度和工作臺、壓力頭結構決定，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階。上、下模的材料可選用具有一定抗壓強度的鋁合金材料，主要利用其較好的隔磁性能，便于裝配時模具的取放，同時制造成本較低。

磁體裝配的操作由兩道工序完成:首先在工作臺上放置磁體裝配工裝模具的下模，將待裝磁體的鑄鋁轉子非軸伸端朝上放置在下模上。在鑄鋁轉子的非軸伸端一側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階完成中模在鑄侶轉子鐵心上的定位。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，然后在中模的上方安裝磁體裝配工裝模具的上模，壓裝磁體入轉子磁體槽，磁體進入磁體槽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。

若磁體在轉子鐵心長度方向設計為兩塊拼接，磁體模具槽的深度值設計為每塊磁體長度的1/2，兩塊磁體從電機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，以防電機運行中發生磁體在槽內軸向竄動，造成磁體損傷且影響電機性能。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，在轉子兩端安裝固定端板(銅材料)，銅材質的固定端板同時可減小端部漏磁;二是在磁體壓裝工序前，先在磁體槽內涂環氧樹脂，磁體壓裝后，依靠環氧樹脂粘合磁體在磁體槽內，解決磁體的軸向竄動問題。第二種方法可省的固定端板，但會帶來端部漏磁，且安裝后如需退出永磁體則非常困難。

4 結 語

本文探討了內置式永磁同步電動機轉子鑄鋁的特殊加工工藝，解決鋁液易滲入磁體槽的問題。設計釹鐵硼永磁體的壓力裝配工裝模具，替代了傳統的手工裝配。在晉中某電機制造公司的內置式FYT300 永磁同步電動機的批量生產中，鑄鋁加工中磁體槽無滲液，磁體壓力裝配廢品率控制在0.8%以內，提高磁體的裝配效率和裝配質量，驗證了該工藝的可靠性和有效性。該磁體轉子加工裝配工藝應用于其它系列型號的內置式永磁同步電動機中可提供借鑒。

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