磁滯電機轉子組件失磁因素分析及解決方法

蔡 曜，司玉輝，王玉琢，閆勁儒，趙偉州

(西安航天時代精密機電有限公司，西安 710100)

0 引 言

液浮陀螺廣泛應用于航空航天等領域,磁滯電機用于裝配液浮陀螺,為陀螺提供恒定的角動量，是液浮陀螺的重要組成部分。磁滯電機為同步電機，具有體積小、轉速高、起動時間短、響應速度快等特點。用于裝配磁滯電機的轉子組件，其材料為磁滯合金2J4，該組件的磁性能直接影響磁滯電機的起動力矩。轉子組件的磁性能過低，會導致裝配的磁滯電機起動力矩過小，起動時間過長，甚至無法達到同步轉速，因此轉子組件的磁性能是保證磁滯電機工作性能的重要指標。磁滯合金2J4具有優良的磁性能，但對應力較敏感，在生產過程中，易因機械加工應力、裝配應力、熱應力等造成磁性能損失，即失磁。因此，優化磁滯合金2J4的加工、使用工藝，保證轉子組件的磁性能質量對磁滯電機的優化、生產具有重要意義。

1 液浮陀螺用磁滯電機結構及原理

磁滯電機主要由轉子組件、定子組件、軸承、螺帽組成，某磁滯電機實物圖及結構示意圖如圖1、圖2所示。

當磁滯電機接通交流電源時，通過定子組件產生的激磁磁場對轉子組件上的磁滯材料進行磁化，在定、轉子組件磁場相互作用下，電機產生起動力矩驅動轉子組件旋轉，轉速逐漸提高直至達到同步[1]。

電機起動力矩與轉子組件材料的磁滯特性關系較大，計算公式如下：

P=PT0fVa

(1)

式中：P為轉子組件有效層起動電磁功率；PT0為轉子組件單位磁性能；f為電源頻率；Va為轉子組件有效層體積。

轉子組件有效層體積Va和頻率f均為定值，而轉子組件材料的單位磁性能是影響電機起動力矩的關鍵因素，如果轉子材料的磁性能受到損耗，則無法給電機提供足夠的起動力矩。

轉子組件中磁滯合金通常選用2J4，即鐵鈷釩合金，2J4具有良好的塑性變形能力，磁穩定性較高。轉子組件磁狀態由整個磁滯回線來表征，具體如圖3所示。在實際應用中，通過合理的熱處理工藝、機加加工工藝和裝配工藝，可使磁滯材料磁性能處于最佳工作點[2-3]。

2J4雖然性能優良，但是該材料對機械加工應力、裝配應力及熱應力非常敏感，在生產過程中需嚴格進行控制，盡量減少磁性能的損失[4]。當磁性能損失導致磁滯材料偏離最佳工作點時，將引起電機起動困難、工作電流增大等情況。

為避免轉子組件在生產過程中發生失磁，轉子組件要保持較高的磁性能水平，才能有效保證所裝配的磁滯電機具備良好的起動性能和工作性能。

2 磁滯電機轉子組件結構及工藝流程

2.1 磁滯電機轉子組件結構組成

磁滯電機轉子組件主要由磁滯環沖片、隔磁套和端環組成，三維模型剖面圖如圖4所示。

2.2 磁滯電機轉子組件生產工藝流程

磁滯電機轉子組件的生產工藝流程如圖5所示。

磁滯電機轉子組件生產過程主要有以下內容：

(1)磁滯環沖片經熱處理磁性能合格后，兩端面噴涂X98-11縮醛烘干膠液，經半固化處理，依次疊裝入隔磁套中，階梯升溫并加壓固化；

(2)在轉子組件沖片端面粘接端環；

(3)進行高低溫循環穩定處理；

(4)進行機械加工，將轉子組件內孔、外圓、兩端面加工至圖紙尺寸要求，采用激光焊接對端環和隔磁套之間加固連接，并進行熱處理消除加工應力；

(5)對最終完成加工的轉子組件進行磁性能測試，包括剩磁(Br)、比磁滯損耗(pμ)等磁性能指標，合格產品方可用于電機裝配。

在實際生產過程中，經熱處理磁性能滿足要求的合格沖片，經過疊裝、粘端環、穩定處理、機械加工等工序形成轉子組件后，磁性能測試合格率普遍較低，平均合格率僅為54%，轉子組件因磁性能超差報廢，造成了人工成本和物料成本的浪費，無法按期保證磁滯電機的齊套，影響了磁滯電機乃至液浮陀螺的型號生產任務，成為制約生產的瓶頸問題。

3 轉子組件失磁因素分析

3.1 失磁主要工序分析

為確認轉子組件生產過程中發生失磁的主要工序，進行了以下分析實驗。

選取了3個批組共230件轉子組件進行全工序磁性能測試對比實驗。按照圖5的工藝流程，在工序1“疊裝”至工序7“激光焊”每道工序后各增加一次磁性能測試，監控每道工序結束后轉子組件的失磁情況。

經統計分析，各工序完成后轉子組件的磁性能均值、磁性能變化量均值如表1所示。

表1 轉子組件全工序磁性能測試結果

由表1數據分析可知，轉子組件在粘端環工序后磁性能損失相對較大，其中剩磁Br損失平均0.21 T，比磁滯損耗pμ平均損失0.37×10-2J/cm3，其余各工序磁性能損失相對較小，可忽略不計。由此確認粘端環工序是導致轉子組件失磁的主要工序。

3.2 失磁主要因素分析

轉子組件粘端環工序的具體工藝方法：將轉子組件及端環清洗晾干后，在端環和轉子組件待粘接面均勻涂一層咪唑固定膠，將端環壓入轉子組件，用粘接工裝施加預壓力，放入烘箱中，于(105±5)℃溫度條件下，保溫4 h固化。

為分析轉子組件在粘端環工序中磁性能如何損失，進行了以下分析及驗證實驗。

3.2.1 工藝過程分析

轉子組件中，磁滯環沖片與隔磁套之間為間隙配合，最大間隙為0.04 mm。在疊裝過程中，轉子組件經升溫、加壓，沖片兩端面X98-11膠層軟化后部分被擠入沖片與隔磁套的間隙中，最終高溫固化后將沖片與隔磁套粘接牢固，但擠入間隙的膠液無法定量控制，不能保證該間隙部位被完全填充。

粘接端環時，所用的咪唑固定膠需要高溫固化。隔磁套的材料為2A12鋁，線脹系數為2.38/℃，磁滯環沖片的材料為2J4磁滯合金，線脹系數約為1.20/℃，隔磁套的線脹系數大于磁滯環沖片的線脹系數。因此，在105 ℃的高溫環境下，隔磁套與磁滯環沖片的間隙將進一步增大，而咪唑固定膠在高溫初始條件下具有較好的流動性，會滲入至沖片與隔磁套的配合間隙中。

待咪唑固定膠固化后，環境溫度恢復至常溫后，隔磁套與磁滯環沖片的配合間隙相應縮小，此時，沖片會受到隔磁套以及固化后的咪唑固定膠在徑向上施加的擠壓應力，發生失磁，如圖6所示。

3.2.2 驗證實驗

為確認以上分析的準確性，設計了3組對比實驗進行驗證。

實驗方案如下：

(1)轉子組件只壓裝端環，不涂咪唑固定膠，不放入烘箱固化，進行磁性能測試。

(2)轉子組件不壓裝端環，不涂咪唑固定膠，直接放入烘箱(105±5)℃，烘4 h，進行磁性能測試。

(3)轉子組件粘接面涂咪唑固定膠，不壓裝端環，放入烘箱(105±5)℃，烘4 h，進行磁性能測試。

3組對比實驗中轉子組件的磁性能測試結果如表2所示。

表2 轉子組件對比試驗磁性能測試結果

由表2數據可知，壓裝端環及單純的高溫環境對轉子組件磁性能的影響較小，可忽略不計；而咪唑固定膠滲入間隙并固化后，導致轉子組件磁性能損失較大，是轉子組件失磁的關鍵因素。

4 解決方法

咪唑固定膠是以環氧樹脂為基體、添加增韌劑和固化劑配制而成，需要在高溫環境下固化，而高溫下線脹系數不同，磁滯環沖片和隔磁套的間隙增大，部分膠液會滲入配合間隙，固化完成后磁滯環沖片受到徑向擠壓應力導致失磁，說明需要高溫固化的咪唑固定膠作為粘端環工序的粘接劑并不理想。因此，選用一種可以在常溫環境下固化，且力學粘接性能可以滿足后續使用要求的粘接劑，是避免轉子組件失磁的有效解決方法。

通過調研，DG-3S膠同樣以環氧樹脂為基體，并且可在常溫條件下自然固化，具有膠接工藝簡單、使用方便的特點，該粘接劑具有良好的耐油、水、酸、堿的特性，已被廣泛應用于金屬、陶瓷等同種或異種材料的粘接[5]。

對DG-3S環氧膠的力學性能進行檢測，并與咪唑固定膠進行性能對比，具體如表3所示。

表3 粘接劑力學性能對比表

由表3數據可知，DG-3S環氧膠的剪切強度及剝離強度相對略高，力學性能較咪唑固定膠略好，可以滿足產品粘接強度要求。

為進一步驗證，設計以下工藝實驗進行驗證。

在同一批次的轉子組件中隨機選取10件，每5件為一個對照組。2組轉子組件分別使用DG-3S環氧膠、咪唑固定膠進行端環粘接，并分別按照各粘接劑對應的固化條件進行固化，具體如表4所示。

使用兩種粘接劑粘端環，實驗前后分別對轉子組件進行磁性能測試，結果如表5所示。

表4 粘接劑固化條件

使用兩種粘接劑粘端環工序前后，轉子組件磁性能的平均水平如圖7、圖8所示。

表5 試驗前后轉子組件磁性能測試結果

根據以上實驗結果可知：

1)在粘端環工序中，原采用咪唑固定膠，高溫固化后轉子組件剩磁Br及比磁滯損耗pμ都存在明顯下降；

2)采用DG-3S環氧膠能夠在常溫條件下固化，對轉子組件磁性能的影響小(變化量含測試誤差)，可忽略不計。

綜上所述，為避免轉子組件在粘端環工序發生磁性能損失，建議采用以常溫條件固化的DG-3S環氧膠。

5 結 語

磁滯電機轉子組件的單位磁性能是影響電機起動力矩的關鍵因素，而轉子材料2J4對應力較為敏感。為避免轉子組件在裝配過程中因受到應力而導致磁性能損失，通過全工序磁性能測試分析，確定了粘端環工序是裝配過程中易發生失磁的主要工序；通過對粘端環工序工藝過程分析及驗證實驗，發現采用咪唑固定膠進行高溫固化是導致失磁的主要因素。經調研及驗證實驗，建議采用以常溫條件固化的DG-3S環氧膠，其力學性能可以滿足產品粘接強度要求，可以保證轉子組件在裝配過程中磁性能不發生異常損失。