應用于電主軸的永磁同步電機轉子壓裝工藝*

王廣輝，李 巖，張海杰，鄧澤杉，劉 鈺，李 靜

（洛陽軸承研究所有限公司，河南洛陽 471000）

0 引言

永磁電機因其功率因數高、工作效率高、便于維護等優點逐步在主軸行業得到廣泛應用，原因在于永磁同步電動機以永磁體作為轉子，沒有勵磁電流帶來的損耗，使其在性能方面優于感應電機。依據轉子中永磁體安置方式不同，可分為：外置式（表貼式、嵌入式）、內置式（徑向式、切向式、混合式）兩大類[1-5]。外置式結構簡單、成本低、易于安裝，內置式由于永磁體埋于轉子鐵心內部，結構更為牢固，易于提高電機高速旋轉的安全性[6]。應用于主軸行業的永磁同步電機，因其對高轉速的特殊要求，所以無論是外置式還是內置式，為抵抗高轉速引起的離心力，永磁體外部都有護套或鐵心保護，并承受永磁體離心力產生的拉應力[7]。

在永磁電機的轉子壓裝過程中，由于各類永磁材料性能各不相同，如何保證永磁轉子磁鋼不受損碎裂，磁性不消退是將永磁同步電機應用于高速電主軸需要面對的問題。本文將從永磁體材料的溫度特性以及永磁同步電動機轉子的結構特點兩方面對永磁體進行性能分析，并針對不同的永磁體材料，根據其材料特性，提出相應的永磁轉子與轉軸間壓裝工藝并設計相關壓裝工藝適用的工裝。

1 常用永磁體特性

永磁同步電機的磁場由永磁體產生，能夠避免通過勵磁電流產生磁場導致的勵磁損耗，這要求永磁電機中的永磁體具有永久強磁性。目前，常用于電主軸中永磁同步電機上的永磁體材料有釤鈷磁體（SmCo5、Sm2Co17）和釹鐵硼磁體（Nd-Fe-B）[8]。

1.1 釤鈷磁體特性

釤鈷磁體SmCo5的居里溫度為740 ℃，可在-50～+150 ℃的溫度范圍內工作，是一種較為理想的永磁體，已在現代科學技術工業中得到廣泛應用[9]。另一種釤鈷磁體Sm2Co17居里溫度為926 ℃，最高工作溫度達500 ℃，也是非常理想的永磁材料，被廣泛應用于國防軍工、航空航天、傳感器、高端電機行業。釤鈷磁體的缺點是含有較多的戰略金屬鈷（Co）和儲藏量較少的稀土金屬釤（Sm）[10]，由于原材料價格昂貴，使其發展前景受到材料資源的限制，相應的，價格上漲則造成制造成本提高。

1.2 釹鐵硼磁體特性

釹鐵硼磁體（Nd-Fe-B）的居里溫度為585 K，最高工作溫度一般為80 ℃，經過特殊處理后的最高工作溫度能達到200 ℃。釹鐵硼磁體是當前世界上磁能積最高的永磁材料，這意味著產生相同的磁通量，釹鐵硼材料的體積最小[11]，這對于受空間限制影響較大的電主軸單元中的電機轉子來說非常有利。其主要原料鐵（Fe）非常便宜，稀土釹（Nd）的儲藏量較原料釤（Sm）多10～16倍，價格也較釤鈷磁體低。其機械性能比釤鈷磁體好，更易于切割和鉆孔等復雜形狀加工，在無高溫使用要求的行業有極好的應用前景。

依據永磁同步電機轉子的不同結構形式，以及兩類永磁體對溫度的不同耐受能力，在電主軸單元中，與銅、鋁轉子的熱裝工藝相比，永磁轉子與轉軸的壓裝工藝也有所不同。以下介紹兩類永磁體在與轉軸的壓裝過程中遇到的問題以及相應的解決方法。

2 釤鈷磁體的壓裝

釤鈷磁體的居里溫度最高可達到926 ℃，使用這類永磁體的同步電機轉子壓裝于轉軸時，可采用熱裝方式，不會因高溫消磁。以永磁同步電機轉子采用外置表貼式結構為例，永磁體裝于轉軸與隔板共同構建的均布凹腔內，外層由保護套覆蓋，將永磁體及隔板完全封閉在與轉軸構成的空腔中，如圖1所示。

圖1 轉軸結構

轉子壓裝截面如圖2 所示。轉子壓裝過程為：磨削與永磁體內圓弧面相匹配的轉軸外徑；使用指定品牌膠粘劑，涂抹于隔板與轉軸的粘接面及永磁體內圓弧面；先粘接隔板，定位構建永磁體凹腔；再粘接放置永磁體。待膠粘劑干透后，再磨削永磁體外圓弧面與隔板外露面共同構成的外徑部分，與保護套內徑配過盈，如圖3 所示。加熱保護套，熱壓至轉軸-永磁體組件上，去除軸向間隙。

圖2 轉子壓裝截面

圖3 永磁體弧面

2.1 壓裝過程中的問題

永磁體具有強磁性，易吸附金屬零件，且材料抗壓強度低，性脆、易碎，在粘接時，極易因強磁吸附而與轉軸撞擊導致破碎甚至傷及操作人員，需有經驗豐富的專業操作人員穿戴安全護具安裝。且在粘接完成后，永磁體表面高低不平，需磨削至永磁體外圓弧面平整；但在磨削過程中，經常出現永磁體碎裂的現象，考慮到釤鈷磁體為燒結成型，質地脆硬，按金屬材料的磨削工藝參數執行，會因為磨削力過大超過其抗壓強度，導致碎裂，如圖4 所示。磨削永磁外徑的主要目的是使其外圓平整，保證后續熱壓保護套的過程能順利進行，對表面粗糙度并無過高要求，所以只要適當減小軸向進給量，即減小砂輪對永磁體外徑的磨削壓力，使永磁體不會因壓力過大而發生碎裂即可；磨削參數如表1所示。

圖4 永磁體表面

表1 磨削參數

2.2 工裝設計

為達到壓裝后完全封閉的效果，并能夠抵抗主軸高速旋轉時永磁體離心力，保護套內徑與轉軸-永磁體組件外徑間的過盈量較大，甚至超出常用過盈配合范圍；這使得熱裝保護套時，按金屬熱脹系數和膨脹尺寸關系計算，對保護套的溫升必須在400 ℃以上，才能保證保護套內徑膨脹至與轉軸-永磁體組件外徑在無過盈摩擦狀態下順暢裝入。釤鈷磁體耐高溫性能佳，熱裝過程中，余溫由保護套傳導至永磁體，不會造成消磁。保護套材料一般以高溫合金為主，能夠保持熱裝時高溫狀態下良好的綜合機械性能，以及薄壁結構狀態下較高的屈服強度和長期組織穩定性。但在保護套熱裝后，隨溫度下降，除徑向收緊外，軸向也逐漸收緊，導致保護套與轉軸的端面間產生間隙，隨溫度下降，間隙不斷增大；對于高速主軸，此類間隙會在主軸運轉時發生嘯叫等不良影響。針對這種間隙采取的主要消除方式是制作螺旋壓套類工裝，在熱裝后的降溫過程中不斷旋緊工裝，持續施壓，消除間隙，直至結合件之間溫差為零，保護套相對轉軸停止軸向收縮為止。工裝結構設計上可充分利用轉軸軸端螺孔或轉軸外臺階面作為支承受力點，如圖5～6所示，為一種典型工裝形式。

圖5 工裝收縮

圖6 螺旋壓套類工裝截面

2.3 工裝工作情況

轉子保護套實物以及螺旋壓套工裝實物如圖7～8所示。

圖7 轉子保護套實物

圖8 螺旋壓套工裝實物

通過旋轉拉緊螺釘，在熱裝后的降溫過程中持續施壓，消除間隙。與傳統熱裝方法相比，本研究設計的方法能夠有效去除保護套和轉子間隙，增加轉子壓裝成功率和壓裝效率，防止主軸運轉過程中由于存在此類間隙導致的嘯叫等不良影響。

3 釹鐵硼磁體的壓裝

3.1 壓裝過程中的問題

釹鐵硼磁體因具有極高的磁能積，良好的機械加工性能，在無高溫使用要求的情況下，成為主軸電機行業的首選。其不足之處是耐溫性能不佳，經特殊處理后，工作溫度最高僅能達到200 ℃。相應與轉軸壓裝時不宜熱裝，常采用冷裝工藝，來避免高溫消磁。以永磁同步電機轉子采用內置徑向式結構為例，永磁體埋于轉子鐵心內部，與鐵心的空腔間留有間隙，表面涂環氧樹脂類膠粘劑，均勻施力壓入轉子鐵心的空腔內[12]，鐵心兩端安裝防護蓋板，如圖9～10所示。

圖9 轉子截面

圖10 轉子鐵心外形

將永磁轉子壓裝至轉軸上，如圖11所示，轉軸與轉子間的配合過盈量按H6/r5取值。

圖11 轉子總成

3.2 壓裝量計算

總壓裝量=過盈量+壓裝間隙=轉軸外徑收縮量+轉子內徑膨脹量；根據實際生產條件可將永磁轉子與轉軸間的壓裝方式劃分為兩種：（1）將轉軸降溫，使其外徑冷縮量大于或等于總壓裝量，壓裝永磁轉子到轉軸上；（2）將轉軸降溫的同時加熱轉子，直至轉軸的外徑冷縮量與轉子的內徑膨脹量之和大于或等于總壓裝量，壓裝永磁轉子到轉軸上。

以轉子與轉軸配合直徑φ50 為例：其過盈量在0.018～0.045 mm，壓裝時的間隙應不小于0.05 mm；則總壓裝量應為：0.045 mm+0.05 mm=0.095 mm；分別計算兩種方式所需加熱和冷卻的溫度及可行性。

（1）冷縮轉軸

計算冷縮溫度差：

式中：T為冷縮溫度差，℃；dy為兩配合件間的最大過盈量，mm；dx為兩配合件冷裝時的最小間隙，mm；d為配合直徑，mm；α1為被包容件材料的線膨脹系數，轉軸材料為鉻鋼，其線膨脹系數11.2 × 10-6/℃。

代入數值計算，得出包容件與被包容件壓裝時的溫度差值為：T=169.64 ℃。近似等于170 ℃，以室溫為25 ℃的狀態下，轉軸冷卻溫度應為：25 ℃-170 ℃=-145 ℃。由上述計算過程得出需冷卻轉軸至-145 ℃，可保證轉子與轉軸順暢壓裝；而液氮的制冷溫度可達-196 ℃，完全滿足轉軸的冷卻溫度需求，且液氮價格便宜，存儲簡單，生產成本低，冷卻效果好；同時，氮氣屬于惰性氣體，操作過程中揮發的氮氣對人體無害；經試驗驗證此方式完全滿足永磁轉子與轉軸的壓裝要求。

（2）冷縮轉軸同時加熱轉子

因釹鐵硼磁體遇高溫極易消磁；加熱轉子時，必須嚴格監控永磁轉子溫度。常用永磁體最高可耐受溫度為130 ℃，壓裝時控制安全加熱溫度范圍應小于或等于100 ℃。

計算轉子內徑的熱膨脹量為：

式中：Δd1為轉子內徑熱膨脹量，mm；T1為最終加熱溫度，℃；T0為轉子初始溫度，℃；d為配合直徑，mm；α2為包容件材料的線膨脹系數，轉子鐵心材料為硅鋼，其線膨脹系數取11× 10-6/℃。

代入數值計算，得出轉子加熱至100 ℃后內徑的熱膨脹量Δd1=0.041 25 mm。由總壓裝量為0.095 mm，可得出轉軸冷縮量應為：

Δd2= 0.095- 0.04125= 0.053 75(mm)

代入數值計算轉軸冷縮溫差：

在室溫為25 ℃的狀態下，可知轉軸冷卻溫度應為：25 ℃-96 ℃=-71 ℃。由上述計算過程得出轉子加熱至100 ℃，轉軸冷卻至-71 ℃，可保證順暢壓裝。而干冰（固態二氧化碳）的制冷溫度可達-78.5 ℃，能夠滿足轉軸的冷卻溫度需求，也可直接放置在專用的冰冷處理設備中保溫后壓裝。

4 結束語

隨著永磁同步電機在電主軸行業越來越廣泛的運用，相較于感應電機，永磁同步電動機憑借其更優越的性能、更大的功率、更小的發熱量、更高的功率因數以及更小的空間占用率等多種優勢在各類主軸電機中脫穎而出，逐步占據市場主導地位；相應永磁轉子與轉軸的結合壓裝工藝水平也在不斷探索、實踐創新中穩步提高。本文設計并總結了適用于電主軸內部永磁同步電機轉子的幾種壓裝工藝方法，為了降低壓裝過程中的經驗要求，對實際壓裝量建立數學模型并進行計算，通過在實際生產生活中的長期使用，證明工裝以及模型的正確性，有效解決了在日常生產過程中遇到的轉子壓裝效率低、壓裝成功率低以及轉子與保護套貼合存在間隙的問題。具體壓裝方法可根據現有生產條件靈活借鑒選擇。