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稀土永磁低速同步電動機制造技術

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:107245


   摘要:介紹了稀土永磁低速同步電動機原理結構特點,著重論述該電機在制造中的關鍵技術和研究一

1引  言

   稀土永磁低速同步電動機是一種利用定轉子齒槽效應引起氣隙磁導變化來工作的新型減速式同步交流電動機。它采用直接驅動技術,取消了機械傳動一減速齒輪裝置而由電機軸直接輸出,轉速低(60 r/min、100 r/min、115 r/min、136 r/min、300 r/min等),具有節能環保的特點,因此特別在自動化裝置和小功率拖動方面,它能有效地簡化傳動機構,避免齒輪減小機構的噪聲。

   稀土永磁低速同步電動機結構為封閉式,其特點是可靠性高、使用壽命長、運行時振動小、噪聲低、轉速穩定、起動力矩大,起動時電流無沖擊,即使在工作負載發生變化時,電流變化極小,具有磁保持力矩,可以省卻制動裝置,且能瞬時起動、倒轉和停機特性優點,因此如作為低速起動系統的驅動元件是最理想的動力源,若配以變頻電源則可以變換電機轉速,以適應各種機械運行的需要。

2稀土永磁低速同步電動機制造技術

2 .1原理與結構分析研究

稀土永磁低速同步電動機的工作原理是利用定子(動態電磁場)轉子(靜態磁場)齒槽效應引起氣隙磁導變化來工作的,如圖I所示。因此提供該系列電機的精密結構對于實現其功能顯得尤為重要,而精密結構主要起決于結構所組成的零部件的尺寸精度,及其它們的形位公差。它的典型結構如圖2所示。

 圖1電氣原理圖

   圖2永磁低速同步電動機典型結構

   電機的主要零部件由壓鑄件端蓋、轉子鐵心組件、定子鐵心組件三大部件組成,定子組件是由定子鐵心和定子繞組導磁機殼等組成,轉子由非導磁材料軸、轉子鐵心與釹鐵硼磁鋼以及非導磁擰緊螺帽等組成。

   電機定轉子鐵心是由優質矽鋼片在其八個大齒上沖制成均勻分布小齒的定子沖片和轉子沖片迭壓而成。定子鐵心一般采用鉚裝工藝,轉子鐵心采用粘結工藝制造,轉于是由三段互相錯位的鐵心并夾有兩片環形圓盤的高性能釹鐵硼磁性材料組成,轉子加工后在強磁場下充磁,使磁體呈完全的磁飽和狀態。同時考慮到轉子充磁后軸向磁通不至于從軸泄漏,電機的轉軸及擰緊螺帽一般采用非導磁的不銹鋼材料。

2.1.1低轉速的獲得分析

   稀土永磁低速同步電動機轉速的高低,是由定轉子齒的數量的多少所決定的。齒數越多.其轉速越低,加工難度越大。由于稀土永磁低速同步電動機獲得的轉速及其轉向主要起決于:式中:f為電源頻率,z2為轉子小齒數,z1為定子小齒數,p為定子繞阻極對數,當取“+”時,轉子轉向與定子旋轉磁場同向;取“一”時,轉子轉向與定子旋轉磁場反向。目前該系列電機典型的轉速為60 r/nin(50Hz),ZI/z2=48/50和115.38 r/min(50 Hz)、z1/z2:24/26兩種,從理論上來講可以實現轉速比60 r/min更低的轉速,但是由于定轉子齒數增多后,齒寬變得更窄,會受到制造工藝的限制,使得該類電機在一般的制造設備上和制造工藝將難以實現。稀土永磁低速同步電動機是借助電機定、轉子的齒槽效應引起的氣隙磁導變化來工作的,因此電機的平穩運轉工作性能的好壞及力矩的大小,主要取決于定轉子齒和槽的形狀位置和尺寸精度等級以及定子繞組嵌入數量、位置及電氣狀態。

2.1.2永磁材料的分析

   稀土永磁低速同步電動機力矩大小是衡量電機的重要性能指標,在設計給定產品圖紙中的材料及定轉子尺寸范圍內,影響著力矩指標的主要因素是永磁材料的質量、永磁材料的磁性能的高低及其在充磁后是否達到飽和。

2.1.3定轉子小氣隙的分析

   稀土永磁低速同步電動機結構特點之一就是氣隙小,然而氣隙小給制造帶來較大難度。而想獲得大力矩,就必須將電機定轉子之間裝配氣隙(工作氣隙)沒汁成小氣隙。由于電機定轉子趨于零氣隙的工作狀態(一般設計給定的單邊氣隙為0 1~0.12 mm),所以在理論上,只要在電機正常運轉工作狀態下,定轉子之間的氣隙越小,其電機的轉矩越大。由此可見,欲得到電機的大力矩,產品的結構設計必須具備定轉子間的小氣隙,然而氣隙越小,給其零部件加工和產品裝配帶來越大的技術難度。

2.1.4定子形成橢圓磁場的分析

   由于稀土永磁低速同步電動機一般采用單相電源,所以定子形成的磁場(除二相正交,三相電源外)是橢圓磁場,然而對該系列的電機而言,橢圓的大小主要取決于阻容匹配程度。使電阻電容調整后的相位角趨向于直角,也就是說,使磁場的橢圓程度趨向于零,從而使得磁場變得更圓滑,可是在實際應用中很難辦到。其一,與電阻和電容本身的精度等級有關;其二,定子繞組的阻值與線圈的匝數,從宏觀而言是定量的,從微觀而言永遠是個變量,控制其在最小變量范圍內,促使力矩變化趨向最大值,此時.可以認為阻容是匹配的(或者說使電流相位近似于成直角)。

2 .2稀土永磁低速同步電動機的制造技術探索

   一般來說,設計產品性能要求越高勢必給制造帶來越大的困難,而制造難度越大,自然制造成本就越高,這樣很難推向市場,所以設計一項新產品要同時考慮到制造技術、制造手段、加工設備能否以合理的成本實現從設計角度而言,在不影響產品性能前提下,盡量簡化加工工藝,使設計適應工藝;從制造角度而言,應采用先進的多種加工技術,盡量滿足設汁要求,從而保證產品的總技術要求。

   為了確保稀土永磁低速同步電動機的低轉速、高轉矩、運轉平穩、噪聲低,工作可靠,我們從以下幾個方面進行控制。

2.2 .1電機主要原材料的質量控制技術

   稀土永磁低速同步電動機的主要原材料如:硬磁材料如稀土永磁釹鐵硼、組成定子的漆包線、制作定轉子沖片的軟磁材料矽鋼等,這些均為構成電機電路融路的特殊材料,稀土永磁釹鐵硼是影響該系列電機性能的重要材料,它的三高性能(剩磁磁密,矯頑磁力,最大磁能積)主要取決于燒結稀土磁鋼的化學成分粉末顆粒度以及各元素混合的均勻度和壓塊的致密度等。所以要想獲得高質量的稀土永磁體,必須在粉末冶金稀土永磁體的制作中,對粉末的預處理、配比、混合、壓制、燒結等工序中的各參數加以嚴格控制。組成定子的漆包線的線徑、阻值、表面漆膜的厚度與質量,軟磁材料矽鋼是否符合規定牌號及狀態,它們的性能好壞直接影響電機的電氣性能。因此對進廠的原材料必須做到定點供應,并自始至終對其質量處于監控狀態。對于新供應點進行小批量驗證,合格后方可定點、投入批量生產,同時

實行批次管理。

2.2.2電機零部件的加工技術

(1)定轉子沖片及鐵心的加工技術

   定轉子鐵心是由優質矽鋼沖制而成,沖制之前,表面進行涂膜,沖片毛刺控制在≤0 05 mm,在定子八個大齒上,沖刺成均勻分布四個齒。定轉子沖片采用高精度心棒迭壓而成(保證零件迭壓后的尺寸精度,并消除定轉子鐵心的平行四邊行),定子鐵心采用鉚裝工藝,轉子鐵心采用粘結工藝。

(2)轉子軸的加工技術

   轉子軸的加工除了和普通電機轉子軸的加工一樣,在保證轉子軸各部分尺寸精度、光潔度、同軸度符合圖紙規定要求外,這里著重提出關于加工轉子軸承檔的技術。從實際要求出發最好使裝配后的軸承內圈端而與軸承擋臺階側面貼合在一起,但從工藝角度,產品轉子的軸承檔軸向與徑向交接處,由于受力(尤其在力矩電機輸出端應力較為集中),所以在應力的剪切處應加工成大于工藝R的R,即應留有足夠的R(根據軸徑的尺寸大小而定),這樣可大  大提高永磁低速同步電動機在帶負載下工作(在可逆交變較惡劣情況下工作)的抗疲勞極限。

(3)轉子組件的制造技術

   轉子是由三段互相錯位(相互錯開l/2齒距,偏差為±3’)的鐵心,并夾有兩片環形的高性能稀土永磁材料釹鐵硼組成,轉子入軸組裝時必須采用專用工裝保證組裝后齒形排列一致,錯位正確組合后轉子鐵心不允許與軸產生相對松動或轉動。磁鋼外圓用線扎緊,涂上環氧樹脂,轉子外圓磨加工后清除槽口毛刺。

   由于組裝后的定轉子間的合格氣隙主要靠定子內徑、轉子外圓的加工尺寸精度來達到,所以在加工轉子組件時,首先采用校調方法以達到工藝規定跳動要求,然后采用研磨合格的二頂釗孔裝夾,精磨軸承檔,保證尺寸、光潔度、同軸度,并進行必要的防銹處理,轉子在各道加工工序完成后(總裝前)進行脈沖充磁 。充磁前必須檢查充磁機充磁夾具是否處于完好狀態,充磁時注意轉子裝夾是否到位,注意充磁夾具鐵心和轉子鐵心組件之間不允許有間隙存在,嚴格控制充磁電壓、電流、時間等參數,充磁后將轉子部件放置在潔凈非金屬框架垂直放置,相互不能接觸。

 (4)定子組件的加工技術

   定子鐵心采用鉚裝工藝,鉚裝后不允許有平形四邊形,垂直度與同軸度在設定的范圍內,嚴格槽 參差,確保齒槽側面與單面垂直。入殼一般采用熱壓,加固定的銷子,使機殼與定子鐵心構成一體,不允許產生相對位移。

定子嵌繞整形使線圈端部達到規定尺寸,但注意防止損傷端部導致匝間短路,用浸漆絕緣處理使線圈牢固并消除間隙,定子車削止口必須在(比被加工零件尺寸精度高一級)高一級精度脹胎夾具或者采用較高一級精度實心心捧進行裝夾,以確保鐵心內圓和機殼止口同軸,然后再借助止口定位精磨定子內圓,保證其尺寸精度和光潔度。

(5)端蓋的加工技術

   在鑄造端蓋時,首先保證端蓋毛坯件的質量即鋁合金壓鑄件的質量,鑄件不允許有欠鑄沙眼氣孔,更不允許在軸承室部位的氣孔,為消除內應力,鑄件還應事先進行時效處理(改善切削性能,消除內應力,使切削加工后的零件保持穩定)。為確保端蓋止口和軸承室內孔同軸度與平行度在端益精加工時,盡量采用“三準”(設計基準、毛坯基準、加工基準)一致的一次裝夾下車削完成。

   稀土永磁低速同步電動機是力矩電機,為了提高力矩電機的壽命,加工電機端蓋軸承室時最好增放滾擠余量(通過試驗來確定滾擠余量)。若余量過小,起不到滾擠的作用;余量過大,由于金屬回彈,不能保證軸承室的內孔尺寸。通過滾擠使表面致密,光潔度高,有利于提高軸承室的強度,對較大規格的力矩電機可采用嵌鋼套來提高軸承室的強度,以此來提高力矩電機產品的壽命和運行可靠性。

2.2.3稀土永磁低速同步電動機總裝技術

   在該系列產品總裝中,除了確保產品的裝配精度(徑向和軸向)要求定轉子的軸向中線基本重合外,還特別強調文明生產,尤其對已充磁的轉子處于磁性高位狀態很容易吸附金屬物及金屬與非金屬混合物,因此在裝配前必須加以嚴格清理,一般用橡皮泥清除外來物。同樣,對于定子鐵心內孔也需清理干凈,然后按產品總裝程序將轉子裝入定子鐵心組件后,檢查定、轉子鐵心端面應在同一平面內,否則將用調整墊片進行微調至定轉子端面沒有錯位現象,在端蓋與定子機殼總裝配時兩者其配合止口必須平行裝入(均勻用力將四螺釘對角等距擰緊),否則就有可能導致鋼質定子組件止口與鋁質端蓋止口配合處局部相切。兩種軟硬不同金屬相切,顯然,鋁合金端蓋硬度處于弱勢,切下來的金屬鋁絲掉入產品內會導致耐壓擊穿(鋁絲在產品搬運過程中隨時可能移位,當鋁絲與定子繞組和機殼相接觸(搭橋現象)時,就會耐壓出現擊穿),這將大大降低了產品的可靠性。為了避免這種情況的發生,除了正確掌握裝配技術外,還可以采用兩次裝配消除此種隱患,當然更徹底的辦法是改進加工工藝,即對端蓋止口內側端部增加倒角工序,但倒角不宜過大,過大就會影響總裝時的導向,同時由于倒角過大會減小機殼與端蓋配合接觸面,進而影響定子組件與端蓋阿個零部件的結合強度。

由于該類系列電機定轉子之間氣隙小,所以在總裝時必須強凋電機總裝配后的徑向精度(徑向精度主要標志為氣隙均勻度),不斷調節徑向氣隙均勻,轉動轉子手感無阻滯或者與定子內圓無相擦現象。電機的軸向間隙不宜過大,過大會導致電機在運行時軸向竄動(力矩電機原則上不允許有明顯的竄動),反之,軸向間隙過小會增加摩擦阻力。因此正確調整和檢測軸向間隙對于力矩電機顯得十分重要。根據稀土永磁低速同步電動機的固有特性,軸向間隙允許在外力(借助相當于手的拉與推的力)作用下克服彈簧墊圈彈力所允許的彈性間隙,目的是使電機在工作時(加上負載)不至于造成竄動。但在負載力矩下允許有彈性間隙,目的是為提高產品的可靠性,使產品在較長的工作時間內不至于因金屬熱脹而使電機卡死。

2. 2. 4稀土水磁低速同步電動機測試技術

稀土永磁低速同步電動機在其測試中除了搖絕緣、打耐壓、測電流、測噪聲外,更重要的測試參數之一就是力矩。通常我們采用摩擦法(通過吊法碼)檢測每臺電機的力矩。當然,這種測試方法是直觀而精確的,但此法在產品研制和試生產叫是可行的,而在大批量牛產時,顯然速度太慢。為此在確保產品測試正確的前提下,利用發電機的工作原理,通過外力將永磁轉子由靜態變為動態,即用60 r/min的原動機拖動電機軸,使被測電動機達到同步轉速,此時被測電機的定子線圈與稀土永磁轉子產生相對運動,線圈切割磁力線導致線圈內產生電動勢(稱為反電勢),生成的反電勢的大小與低速同步電動機的力矩大小成正比。由于影響力矩大小的主要因素是電磁相互作用形成反電勢的大小。即E→M,因此只要先用摩擦法(杠桿法)測得成批產品力矩數據,然后再測它們相對應的反電勢,可以得到一張力矩最小極限對照表。在批量生產中,參照這張對照表,只要測得該系列電機的反電勢的最小允許值(相對應的產品設定力矩的最小允許值)就很快可以判斷該臺電機足否合格,這樣可以大大提高測試工作效率。但必須注意,在測試之前對每臺產品

檢查軸向裝得是否過緊、手感轉動是否困難等現象應嚴加控制,以避免因機械損耗而產生產品測量誤差。

3結語

為確保稀土永磁低速同步電動機的設計要求(性能、壽命、可靠性…),本文圍繞著該系列電動機的結構原理特點,重點在電動機的定轉子齒、槽的形位、尺寸精度、有效空間氣隙,及其電動機的電、磁、力之間的關系等方面進行了探索和研究,提出了該系列電動機在制造中的關鍵技術,成功地攻克了稀土永磁低速同步電動機在制造中的技術難題。通過多年來的實踐,證明了采取的對策是行之有效的,從而為企業獲得了較為理想的經濟效益。

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