外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)用鍶永磁鐵氧體磁瓦關(guān)鍵生產(chǎn)工藝技術(shù)研究

馬 寶 向春生 楊 沖 尹春龍

（中鋼天源股份有限公司）

永磁鐵氧體材料因原材料豐富、價(jià)格便宜、耐氧化性能好、具有較高的矯頑力和磁能積、溫度適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子信息、家用電器、汽車等行業(yè)。近年來，隨著國家綠色環(huán)保、節(jié)能降耗等要求的不斷提高，各種環(huán)保節(jié)能型電機(jī)不斷出現(xiàn)，其中外轉(zhuǎn)子型變頻電機(jī)由于工藝簡單、易于調(diào)速、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用和推廣。在外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)中，鍶永磁鐵氧體磁瓦固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯表面作為磁源，隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。作為電機(jī)的關(guān)鍵零部件，鍶永磁鐵氧體磁瓦性能、尺寸、強(qiáng)度等對電機(jī)特性的影響較大。本文主要從鍶永磁鐵氧體磁瓦的生產(chǎn)流程，即球磨、成型、燒結(jié)、磨削及轉(zhuǎn)子裝配等方面，總結(jié)外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)用鍶永磁鐵氧體磁瓦的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝技術(shù)要求，以期對提高風(fēng)機(jī)類鐵氧體磁瓦工藝管控、質(zhì)量水平和降低材料成本提供一種新的思路。

1 球 磨

外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)鍶永磁鐵氧體磁瓦由于其電機(jī)用途特點(diǎn)，要求具有高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和低內(nèi)秉矯頑力，一般剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度為410±10 mT，內(nèi)秉矯頑力為260±15 kA/m。生產(chǎn)中，選用鐵紅作為原料的鍶鐵氧體預(yù)燒料與添加劑一起投入球磨機(jī)中，采用不同直徑的鋼球、水，按照一定比例混合［1］，磨到需要的磁性能、粒度后出料，為后道壓型工序所用。當(dāng)性能不能滿足要求時(shí)，可適量添加鑭、鈷等以達(dá)到提高性能的目的。球磨后，料漿平均粒度一般控制在0.8±0.05 μm，含水率33%±2%［2-5］。在球磨過程中，需控制硼酸及分散劑的使用量，防止產(chǎn)品燒結(jié)后出現(xiàn)花裂等缺陷。

2 成 型

濕法磁場成型是通過注料系統(tǒng)將球磨后的料漿置于模具中，在加壓力成型的同時(shí)施加平行于壓力方向的勵(lì)磁磁場，把鍶鐵氧體料粉壓制成所需的形狀。成型是鐵氧體磁瓦生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要的一道工序，該工序所施加勵(lì)磁磁場的大小決定了磁瓦剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度［5］，所用模具設(shè)計(jì)決定了磁瓦磁路的分布，其都會(huì)對外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)的電機(jī)特性產(chǎn)生影響。

2.1 磁場大小

鍶永磁鐵氧體磁瓦生產(chǎn)中一般要求勵(lì)磁磁場強(qiáng)度大于3倍的材料內(nèi)秉矯頑力，因外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)的使用特點(diǎn)，其對材料的內(nèi)秉矯頑力要求不高，成型時(shí)閉路勵(lì)磁磁場達(dá)到1 T 即可滿足生產(chǎn)要求。如果勵(lì)磁磁場不夠，材料取向度小，磁瓦的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度偏低，則會(huì)導(dǎo)致材料不能完全發(fā)揮性能。

2.2 模具設(shè)計(jì)

磁瓦（圖1）在外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)中，內(nèi)弧面A 與電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯貼合（圖2），外弧面B 作為工作面為電機(jī)提供磁場，一般要求外弧面的磁場強(qiáng)度是內(nèi)弧面的2.5倍以上，因此如何提高磁瓦的外弧面磁場強(qiáng)度是模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

濕壓磁場成型所用模具主要分為上模、型腔、沖頭三大部件（圖3），在勵(lì)磁磁場下，模具中沖頭的磁場強(qiáng)度大于上模的磁場強(qiáng)度，如果按照常規(guī)模具設(shè)計(jì)，磁瓦的內(nèi)弧面的磁場強(qiáng)度會(huì)高于外弧面的磁場強(qiáng)度，與外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)對磁瓦的要求相反，因此模具不能采用此類設(shè)計(jì)。為了達(dá)到外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)對磁瓦的特殊要求，模具采用了反壓設(shè)計(jì)方案（圖4），并配合不導(dǎo)磁鑲嵌的設(shè)計(jì)，可滿足磁瓦外弧面磁場強(qiáng)度是內(nèi)弧面2.5倍以上的要求。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在達(dá)到同等電機(jī)反電動(dòng)勢標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，磁瓦通過采用模具反壓設(shè)計(jì)和常規(guī)模具設(shè)計(jì)，材料牌號(hào)基本可降低一個(gè)等級(jí)，即可有效降低材料成本。

2.3 反壓模具成型

成型模具經(jīng)反壓設(shè)計(jì)后，在成型過程中易出現(xiàn)注料口裂紋，主要是由于在壓制過程中，模具中料漿從注料口回料所致，可通過調(diào)整壓制過程中快壓階段、慢壓階段的壓力和時(shí)間參數(shù)解決或減少此類缺陷。模具設(shè)計(jì)時(shí)，如果沖頭帶倒角，需要注意倒角角度以及斜面是否太大，沖頭倒角太大，容易出現(xiàn)注料口裂紋。

3 燒 結(jié)

鍶永磁鐵氧體磁瓦生產(chǎn)中一般采用陶瓷法燒結(jié)工藝，燒結(jié)過程可分為升溫、保溫和降溫3個(gè)階段。

3.1 升溫階段

在升溫的開始階段，要求升溫速度慢，溫度升高平穩(wěn)，尤其當(dāng)溫度為200～500 ℃時(shí)［6-8］，如果升溫速度過快，將引起鐵氧體坯件內(nèi)部水分蒸發(fā)、黏合劑或分散劑揮發(fā)過快、過于集中，造成產(chǎn)品開裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起坯件炸裂。此外，對于尺寸大或各處尺寸不同的坯件，會(huì)因受熱不均勻引起各處膨脹不一致，造成產(chǎn)品開裂。通常，升溫階段的升溫速度為2～4 ℃/min。

3.2 保溫階段

保溫階段對鐵氧體的特性影響最大。鐵氧體坯件在保溫階段，反應(yīng)需全部完成，坯件要很好地致密化，并且要形成晶粒并長大等。因此，必須選擇合適的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間。一般鐵氧體的燒結(jié)溫度越高，保溫時(shí)間越長，反應(yīng)越完全，晶粒越大，產(chǎn)品密度越高。通常，燒結(jié)過程的燒結(jié)溫度為1 225～1 240 ℃、保溫時(shí)間為70～100 min，基本可滿足鍶永磁鐵氧體磁瓦的特性要求。

3.3 降溫階段

降溫過程的控制對鐵氧體產(chǎn)品的影響很大，降溫速度控制不當(dāng)，會(huì)造成開裂、帶磁等現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

在燒結(jié)降溫階段，冷卻速度需控制恰當(dāng)。如果冷卻速度太快，會(huì)造成鐵氧體燒結(jié)體開裂，尤其是大而厚的燒結(jié)體，這是由于溫度降低，燒結(jié)體收縮，而鐵氧體導(dǎo)熱性能差，燒結(jié)體各部分散熱不均勻，造成各部位收縮不一致，使燒結(jié)體開裂［6-9］。冷卻速度大，會(huì)在燒結(jié)體內(nèi)部形成內(nèi)應(yīng)力，影響其性能。通常，鍶鐵氧體生產(chǎn)多采用隨爐冷卻降溫，在1 230～900 ℃時(shí)，降溫速度可以加快，在800～500 ℃時(shí)，降溫速度不能太快，否則產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)帶磁現(xiàn)象，對后續(xù)磨削、清洗、分揀等生產(chǎn)有影響。另外，必須控制出爐溫度，一般燒結(jié)體冷卻至200 ℃以下才可出爐，如果出爐溫度太高，尤其在嚴(yán)冬季節(jié)，會(huì)造成燒結(jié)體開裂。

4 磨 削

鍶永磁鐵氧體是由許多晶粒和氣孔組成的多孔絕緣材料，其機(jī)械特性硬而脆，一般不能像金屬材料可以用車、銑、刨、鉆等方法進(jìn)行加工，但可以進(jìn)行磨削、切割、研磨拋光，還可采用超聲波鉆孔等方法滿足產(chǎn)品尺寸精度、形位公差和粗糙度的要求。燒成后的鍶永磁鐵氧體磁瓦，需根據(jù)技術(shù)條件的要求進(jìn)行機(jī)械磨削加工，主要磨料為金剛石，并用水等作為冷卻介質(zhì)。

外轉(zhuǎn)子型鍶永磁鐵氧體磁瓦因成型采用反壓設(shè)計(jì)，在磨削時(shí)，其磨削工藝一般順序?yàn)楦叨?、寬度、厚度、倒角，厚度采用先粗磨后精磨的加工方式，?道工位磨削。磨厚度時(shí)，粗磨砂輪選用砂粒0.12～0.18 mm 的金剛石砂輪、精磨砂輪選用砂粒0.12～0.09 mm的金剛石砂輪，每個(gè)工位磨削量為0.2～0.5 mm。如果砂輪目數(shù)過小、過大或磨削量大，會(huì)影響磨削的效率、砂輪壽命以及產(chǎn)品強(qiáng)度等。同時(shí)，磨削加工還受砂輪尺寸、砂輪線速度、冷卻水水量及水壓等因素的影響［10-12］。

5 外觀要求

永磁鐵氧體在行業(yè)中外形標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《永磁鐵氧體瓦形磁體公差及外形缺陷》（SJT11247-2001），但標(biāo)準(zhǔn)比較寬泛，通常磁瓦具體外觀標(biāo)準(zhǔn)由供需雙方共同確認(rèn)。針對外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)用磁瓦，在工作面B 面（圖1）不允許缺損、裂紋、孔洞、起楞等缺陷存在，非工作面則允許存在。一般缺陷類型和大小由供需雙方確認(rèn)，在具體操作過程中，參照缺陷標(biāo)準(zhǔn)比對卡執(zhí)行。

6 轉(zhuǎn)子裝配及風(fēng)機(jī)常見問題和對策

6.1 轉(zhuǎn)子裝配

外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)所用轉(zhuǎn)子一般由軸、軸承、鐵芯和鍶永磁鐵氧體磁瓦組成，在鐵芯和磁瓦的組合上通常采用膠黏接（圖2）和包塑（圖5）2種。

膠黏接方式一般選用熱固膠涂在鐵芯表面，使磁瓦內(nèi)弧面與鐵芯貼合，放入工裝中夾緊，并在180～250 ℃的條件下，將鐵芯和磁瓦黏接在一起做成轉(zhuǎn)子。包塑方式是把磁瓦與鐵芯一起放入注塑模具中，包塑材料通過注塑機(jī)加熱、加壓注射進(jìn)模具中做成轉(zhuǎn)子。2 種方式對磁瓦尺寸要求不同，黏接方式對磁瓦要求較低，一般符合圖紙要求即可，包塑方式對磁瓦要求較高，如厚度和外弧控制在中下限、內(nèi)弧控制在中上限、磁瓦強(qiáng)度高、平面度需較好等，否則磁瓦不能放入注塑模具中，或注塑出的轉(zhuǎn)子可能出現(xiàn)爆磁現(xiàn)象。

6.2 風(fēng)機(jī)常見問題與對策

在外轉(zhuǎn)子型風(fēng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子所用磁瓦作為電機(jī)磁源，對電機(jī)特性的影響較大。在實(shí)際電機(jī)生產(chǎn)過程中，因磁瓦因素影響風(fēng)機(jī)特性的常見問題主要有以下幾類。

（1）反電動(dòng)勢不良。磁瓦剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度低、轉(zhuǎn)子充磁不飽和或充磁磁極偏轉(zhuǎn)、磁瓦尺寸小、環(huán)境溫度變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁通量小，從而造成反電動(dòng)勢不良。為解決反電動(dòng)勢不良的問題，需提高磁瓦剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度性能，加大轉(zhuǎn)子充磁能量，將轉(zhuǎn)子磁瓦與充磁極頭對齊，產(chǎn)品尺寸控制在上限。鍶鐵氧體材料剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度溫度系數(shù)為負(fù)數(shù)，環(huán)境溫度越高，轉(zhuǎn)子的磁通量越低，因此風(fēng)機(jī)反電動(dòng)勢在線檢測時(shí)會(huì)設(shè)置溫度補(bǔ)償系數(shù)，通常按照0.18%～0.20%設(shè)定。同時(shí)，在設(shè)計(jì)壓型工序的模具時(shí)，通過提高磁瓦外弧表面磁場強(qiáng)度也可提高轉(zhuǎn)子磁通量［13-15］，提升電機(jī)的反電動(dòng)勢。

（2）噪音。磁瓦對風(fēng)機(jī)噪音的影響主要是磁噪音，一般可通過提高磁瓦外弧面的磁場強(qiáng)度或?qū)⒋磐咄饣≡O(shè)計(jì)成變弧來解決，有時(shí)需要針對噪音產(chǎn)生的情況具體對待。

（3）抖動(dòng)。磁瓦裝成轉(zhuǎn)子后，如果單片磁瓦的質(zhì)量差異大或轉(zhuǎn)子上各磁瓦充磁不均勻，都會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)。為解決風(fēng)機(jī)抖動(dòng)的問題，通常要求單片磁瓦的質(zhì)量差異控制在2%以內(nèi)，且轉(zhuǎn)子充磁極性飽和、分布均勻。

7 結(jié) 語

（1）鍶永磁鐵氧體磁瓦生產(chǎn)中一般采用陶瓷法燒結(jié)工藝，燒結(jié)過程可分為升溫、保溫和降溫3 個(gè)階段。升溫階段要求升溫速度為2～4 ℃/min，保溫階段的燒結(jié)溫度為1 225～1 240 ℃、保溫時(shí)間為70～100 min，基本可滿足鍶永磁鐵氧體磁瓦的特性要求。在燒結(jié)降溫階段，鍶鐵氧體生產(chǎn)多采用隨爐冷卻降溫，在1 230～900 ℃時(shí)，降溫速度可以加快，在800～500 ℃時(shí)，降溫速度不能太快，否則產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)帶磁現(xiàn)象。

（2）模具采用反壓設(shè)計(jì)方案，并配合不導(dǎo)磁鑲嵌設(shè)計(jì)，可滿足磁瓦外弧面磁場強(qiáng)度是內(nèi)弧面的2.5 倍以上的要求，利用和發(fā)揮磁瓦的磁特性，降低材料成本。

（3）通過提高磁瓦剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度性能、加大轉(zhuǎn)子充磁能量、將轉(zhuǎn)子磁瓦與充磁極頭對齊、產(chǎn)品尺寸控制在上限、提高磁瓦外弧面的磁場強(qiáng)度或?qū)⒋磐咄饣≡O(shè)計(jì)成變弧、控制單片磁瓦的質(zhì)量差異在2%以內(nèi)等方式，可解決磁瓦對風(fēng)機(jī)造成的反電動(dòng)勢不良、噪音、抖動(dòng)等問題。