永磁同步電機臥裝軸向磁拉力的計算及平衡措施

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(中車永濟電機有限公司，山西永濟044502)

0 引言

永磁同步電機的總裝配一直是個工藝難點。裝有磁鋼的轉子吸附力極強，定轉子氣隙較小，裝配時因定、轉子偏心產生極大的徑向單邊磁拉力而發生碰撞，嚴重時導致定、轉子吸附在一起難以分開，甚至報廢，容易造成人身傷害[1]。永磁同步電機的總裝配方案主要有立式裝配、臥式裝配兩種方案。立式裝配使用專用的工裝保證定子、轉子的同軸度，利用轉子的自重使定子、轉子鐵心軸向最終對齊。臥式裝配有兩種方案：方案一是使用類似鏜床改制的非標永磁電機總裝機，將轉子連接延長工藝軸安裝于主軸頂尖和尾座頂尖之間，定子安裝于總裝機滑臺上，移動滑臺，使定子、轉子鐵心軸向對齊來完成裝配。方案二是將定子固定于安裝平臺上，使用專用工裝保證定子、轉子的同軸度，轉子兩端軸向不固定，通過軸向推進轉子使定子、轉子鐵心軸向對齊。臥式裝配方案二具有明顯的優勢：一方面避免了立式裝配時定子、轉子及整機繁瑣翻轉工藝的過程以及翻轉過程中的安全隱患等缺點；另一方面解決了臥式裝配方案一中頂尖之間支撐的跨度大，大功率永磁電機裝配時轉軸和延長工藝軸變形大，容易導致定、轉子吸附在一起，導致裝配失敗的問題。但臥式裝配方案二中，由于轉子軸向不固定，裝配時必須考慮永磁電機的軸向磁拉力，否則容易出現裝配時轉子軸向竄動，輕者造成定、轉子軸向碰撞，嚴重時還可能產生裝配人員的人身傷害。因此，研究軸向磁力對大功率永磁同步電機的臥式裝配具有十分重要的意義。

1 軸向磁拉力的機理

根據麥克斯韋定理，作用在被磁化鐵磁物體上的電磁力，其大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中磁感應強度的平方成正比[2]。如果磁感應強度沿磁極表面均勻分布，則磁拉力基本公式為

(1)

式中，F—磁拉力(N)；Bg—氣隙磁感應強度(T)；S—氣隙面積(m2)；μ0—空氣磁導率(4π×10-7H/m)。

當電機定子、轉子建立氣隙磁場后，定子、轉子間便產生磁拉力。正常情況下，電機的定子、轉子鐵心對齊，磁拉力作用于徑向且相互平衡，不會產生軸向磁拉力。但是在永磁同步電機總裝配過程中，當定、轉子未完全對齊時，定、轉子之間的端部的磁力線與正常情況相比相當于被拉長，由于磁力線的通行路徑優先選擇磁阻最小的路徑，而通過氣隙的距離越短，磁阻越小，當磁力線試圖以最短的距離通過氣隙時，就產生了軸向磁力分量，即軸向磁拉力。

2 軸向磁拉力的計算

工程計算中，異步電機采用磁化電流值和鐵心的有效長度來計算軸向磁拉力，同時考慮磁力的飽和效應和氣隙的邊際效應，對其進行一定的修正。軸向磁拉力的實用計算公式如下[2]

(2)

圖1 有效鐵心長度對軸向位移的變化率

但該公式不適應于永磁同步電機軸向磁拉力的計算，需要將式(2)中的E、Im用永磁同步電機已知的參數替代才便于計算。下面對永磁同步電機總裝配的軸向磁拉力計算公式進行推導，根據文獻[3]，可知相關參數的關系如下

(3)

AT=ATt1+ATt2+ATc2+ATc2+ATg

(4)

ATg=0.8Bgg

(5)

E=2.22fZφ1Kdp1Φ

(6)

(7)

Sg=τpL

(8)

(9)

為方便及簡化計算，認為相電壓與感應電動勢相等，定子鐵心不飽和，取

AT=1.3ATg

(10)

(11)

式中，AT—總安匝；p—極數；m—相數；Zφ1Kdp1—每相有效串聯導體數；Bg—氣隙磁密(T)；g—氣隙長度(mm)；Φ—每極磁通(Wb)。

將式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)、式(11)代入式(2)中，且為簡化計算將實際鐵心長度與有效鐵心長度認為相等，得出適用于永磁同步電機軸向磁拉力的計算公式

(12)

式中，Fa—軸向磁拉力(N)；Bg—氣隙磁密(T)；g—氣隙長度(mm)；D—定子內徑(mm)，為有效的鐵心長度對軸向位移的變化率(見圖1)，由以上計算可知，永磁同步電機裝配時的軸向磁拉力與氣隙磁密的二次方、氣隙長度、定子內徑成正比。因此對于低速永磁同步電機(呈扁平狀)，裝配時其軸向磁拉力非常大。

3 軸向磁拉力測量驗證

為了驗算式(12)的正確性，本文對某型號永磁同步電機裝配過程中的最大軸向磁力進行了測量計算。該電機主要參數及與軸向磁拉力計算相關的結構參數見表1。

表1 主要性能及結構參數

根據表1可知，氣隙長度g=3.5mm，氣隙磁密Bg=0.833T，定子內徑D=1620mm。

=0.08125×0.833×0.833×3.5×1620×0.95

=3036.8N

由計算結果可知該電機裝配過程中最大軸向磁拉力已經達3036.8N，裝配時必須采取措施平衡永磁電機的軸向磁拉力，否則容易出現裝配時轉子軸向竄動，造成定、轉子軸向碰撞。本文中的電機裝配時采用臥裝方案，使用兩個M30螺栓平衡裝配時的軸向磁拉力，如圖2所示。

圖2 電機臥裝軸向磁拉力平衡

裝配時使用力矩扳手測量轉動1個M30螺栓所用的力矩約為110 N·m。按下式可以計算出螺栓在該力矩下的軸向力。

(13)

式中，T—螺栓力矩( N·mm)；K—擰緊力矩系數，取0.2；d—螺栓公稱直徑(mm)；Fa1—螺栓軸向力(N)。

可計算出軸向力為

從上面分析可以看出，理論計算值于實際的測量值很接近。說明理論計算是可行的，理論計算的公式對工程應用具有一定的參考價值。

4 軸向磁拉力的平衡

永磁同步電機臥裝時，特別是大功率永磁電機裝配時，其軸向磁拉力非常大。裝配時必須采取措施平衡永磁電機的軸向磁拉力，否則容易出現裝配時轉子軸向竄動，造成定、轉子軸向碰撞，嚴重時還可能造成裝配人員的人身傷害。采用類似鏜床改制的非標永磁電機總裝機進行臥裝時，由于轉子連接延長工藝軸后安裝于主軸頂尖和尾座頂尖之間，定子安裝于滑臺上，轉子無法軸向移動，采用轉動與滑臺連接的絲杠來移動定子，使定子、轉子軸向對齊來完成裝配。裝配過程中的軸向磁拉力由與滑臺連接的絲杠來平衡。采用電機定子與安裝平臺連接，轉子可以軸向移動的臥裝方案時，轉子必須與絲杠連接，用絲杠來平衡軸向磁拉力，或者在電機端蓋上增加工藝螺孔，利用長螺桿來平衡軸向磁拉力。

5 結語

永磁同步電機裝配時的最大軸向磁拉力與氣隙長度、定子內徑成正比。電機裝配時的軸向磁拉力非常大，特別是在轉子軸向不固定的裝配方案中，裝配時必須考慮永磁電機的軸向磁拉力，否則容易出現裝配時轉子軸向竄動，造成定、轉子軸向碰撞，嚴重時還可能造成裝配人員的人身傷害。所以在電機生產制造過程中，對其應予以充分關注。