郝清亮， 朱少林， 楊德望

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北武漢 430064)

0 引言

我國稀土資源豐富，永磁材料的性價比不斷提高，尤其是釹鐵硼永磁材料的快速發(fā)展，為永磁電機(jī)的市場化提供了支撐。永磁電機(jī)采用永磁材料勵磁，在具有同等性能的條件下永磁電機(jī)可比常規(guī)電機(jī)小一至兩個機(jī)座號，體積重量優(yōu)勢明顯。特別是永磁電機(jī)無勵磁損耗，電機(jī)效率高，節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯，其市場潛力巨大。

但是永磁電機(jī)的制造工藝與常規(guī)電機(jī)有較大差別，特別是永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式較多，不同結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)其制造工藝也不同。永磁電機(jī)包括永磁直流電機(jī)、異步起動永磁電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)，永磁直流電機(jī)定子上安裝有永磁體，其余交流永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有永磁體。永磁電機(jī)按照其磁路特點(diǎn)主要可分為切向式磁路結(jié)構(gòu)和徑向式磁路結(jié)構(gòu)，如圖1所示，當(dāng)然也有切向和徑向組合的混合式磁路結(jié)構(gòu);按照永磁體安裝方式可分為表面式和內(nèi)置式(又稱嵌入式)兩種型式，如圖2所示。采用表面式磁路結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)一般稱為表面式永磁電機(jī)，采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)一般稱為內(nèi)置式永磁電機(jī)。

圖1 永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)制造的永磁電機(jī)多為內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，工藝實(shí)施較為成熟，國內(nèi)有不少廠家對內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)制造都很有經(jīng)驗(yàn)［3-4］。相比內(nèi)置式永磁電機(jī)而言，表面式永磁電機(jī)其徑向等效氣隙較大，電樞反應(yīng)較小，磁場波形和電流電壓波形畸變率較小，振動噪聲性能優(yōu)良，國外如法國熱蒙公司、德國西門子公司研發(fā)的永磁電機(jī)均為表面式磁路結(jié)構(gòu)，國內(nèi)開發(fā)的高性能調(diào)速永磁電機(jī)也主要采用表面式磁路結(jié)構(gòu)。

圖2 永磁體不同安裝方式的永磁電機(jī)

以下主要介紹中小型表面式永磁電機(jī)的制造和裝配工藝，主要包括磁鋼安裝工藝、轉(zhuǎn)子綁扎及烘焙工藝、動平衡工藝、電機(jī)總裝工藝等。其他工藝如鐵心疊壓、定子嵌線、定子浸漆等工藝，本文不再贅述。

1 磁鋼安裝工藝

表面式永磁電機(jī)通常采用專用工裝進(jìn)行磁鋼的定位和安裝，用磁鋼專用膠對磁鋼進(jìn)行粘接，具體實(shí)施方法如下。

(1)安裝前的準(zhǔn)備。首先清理安裝場地，設(shè)置圍欄，確保工作臺面無鐵屑雜質(zhì)，并準(zhǔn)備非導(dǎo)磁支撐架、非導(dǎo)磁螺絲刀和扳手、橡皮泥、磁鋼專用膠、與磁鋼尺寸一致的非導(dǎo)磁工件、磁鋼安裝用工裝等。清點(diǎn)電機(jī)安裝用磁鋼，檢查磁鋼有無破損，并用特斯拉計(jì)或者指南針確認(rèn)待安裝磁鋼的極性，用記號筆做好標(biāo)識。

(2)安裝定位塊。將永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的一側(cè)端板用螺釘安裝至轉(zhuǎn)子輪轂上，螺釘應(yīng)涂抹螺紋緊固膠。根據(jù)轉(zhuǎn)子工件的劃線安裝定位塊，清理磁鋼安裝面，并用與磁鋼尺寸一致的非導(dǎo)磁工件檢查磁鋼安裝空間是否合適，確保磁鋼安裝順利進(jìn)行。

(3)安裝磁鋼。由于轉(zhuǎn)子是由很多磁鋼小塊組成的，因此需按照圖紙要求的磁鋼極性分塊安裝，在轉(zhuǎn)子端板上做好N、S極性標(biāo)志，取小塊磁鋼涂抹磁鋼專用膠，并在磁鋼安裝面也同時涂抹磁鋼專用膠，將磁鋼沿定位塊形成的安裝空間推入至安裝位，由于磁鋼和轉(zhuǎn)子輪轂間存在吸力，因此松手后磁鋼并不會移動。然后安裝沿圓周方向相鄰一極的極性相反的單塊磁鋼，方法同上。直到把圓周方向一圈的磁鋼安裝完成，然后再安裝圓周方向下一圈的磁鋼。在安裝第一圈磁鋼的過程中基本沒有什么難度，在之后磁鋼安裝的過程中會由于磁鋼之間的作用力而使得磁鋼之間存在間隙，此時需用工裝將磁鋼推入安裝空間，使之與先前安裝的磁鋼軸向無間隙。保持幾分鐘，待膠固化后即可松開磁鋼及工裝。安裝好磁鋼的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子如圖3所示。

圖3 安裝好磁鋼的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子

(4)用特斯拉計(jì)或者指南針檢查安裝好的磁鋼極性，確保無誤后安裝轉(zhuǎn)子端板等其他零件。

在磁鋼裝配過程中，應(yīng)注意以下工藝要點(diǎn):①磁鋼安裝面粗糙度不宜過高，否則安裝面不掛膠;②磁鋼表面鍍層的選擇;選擇易粘接的鍍層，一般鍍鋁磁鋼其粘接性能較好;③安裝時應(yīng)特別注意磁鋼的極性和安裝的順序，單獨(dú)沿軸向安裝同極性的小塊磁鋼會導(dǎo)致磁鋼同極相斥而難以固定，難度會大很多;④注意勞動保護(hù)，避免被磁鋼傷害。

2 轉(zhuǎn)子綁扎及烘焙工藝

磁鋼安裝完成后，僅靠膠的粘接力難以保證電機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行，特別是對于轉(zhuǎn)速較高的永磁電機(jī)。因此，為提高運(yùn)行可靠性，一般采用無緯帶對安裝好磁鋼的轉(zhuǎn)子進(jìn)行綁扎或者采用不銹鋼套筒保護(hù)。特別是用無緯帶綁扎的方法工藝成熟，結(jié)構(gòu)可靠，應(yīng)用范圍較廣泛，具體實(shí)施過程如下。

(1)預(yù)熱。首先將安裝好磁鋼的轉(zhuǎn)子預(yù)熱至80℃，時間約1 h;然后預(yù)熱無緯帶至約40℃，時間約20 min。

(2)無緯帶綁扎。根據(jù)無緯帶要求的綁扎張力綁扎轉(zhuǎn)子，綁扎速度以每分鐘10～15 m為宜，邊綁扎邊涂抹常溫環(huán)氧樹脂，綁扎結(jié)束時應(yīng)鎖緊尾端以防張力損失。用手工綁扎工藝時，應(yīng)選擇含膠量及揮發(fā)物較大的無緯帶。

(3)轉(zhuǎn)子烘焙。無緯帶綁扎完成后即進(jìn)行轉(zhuǎn)子烘焙，烘焙時有以下幾點(diǎn)應(yīng)特別注意。

①烘焙溫度。一般釹鐵硼磁鋼可分為SH、UH、EH系列等，SH系列磁鋼在80℃以下可保證退磁曲線為直線，UH系列的磁鋼在120℃以下可保證退磁曲線為直線，EH系列的磁鋼在180℃以下可保證退磁曲線為直線，因此在對轉(zhuǎn)子烘焙時應(yīng)根據(jù)安裝的磁鋼牌號選擇烘焙溫度。

以常用的UH系列磁鋼為例，其不同溫度下的退磁曲線如圖4所示，在未裝配入定子前，磁鋼安裝到轉(zhuǎn)子上后工作在開路狀態(tài)，為保證烘焙溫度對磁鋼性能不造成影響，轉(zhuǎn)子烘焙溫度應(yīng)不高于120℃，若溫度太高可能導(dǎo)致磁鋼性能下降，極端情況下可造成磁鋼局部退磁或者整體退磁，因此控制烘焙溫度非常重要。

圖4 UH系列磁鋼不同溫度下的退磁曲線

②烘焙時間。由于無緯帶一般的固化條件是溫度較高時固化時間較短，按照常用的無緯帶固化條件，若烘焙溫度不高于120℃則一般需要24 h以上，因此選擇無緯帶時應(yīng)考慮固化溫度較低的牌號。

③轉(zhuǎn)子保護(hù)。一般保溫箱內(nèi)的加熱板在箱內(nèi)下方，溫度檢測傳感器一般在保溫箱中上部，靠近加熱板附近溫度較設(shè)定的溫度要高，因此為了穩(wěn)妥起見，轉(zhuǎn)子烘焙之前采用薄鋼板包裹轉(zhuǎn)子，提高磁鋼的工作點(diǎn)，有效防止退磁。

(4)轉(zhuǎn)子加工。待無緯帶完全固化后，將轉(zhuǎn)子外圓車削加工至要求尺寸。

3 動平衡工藝

轉(zhuǎn)子加工完成后需要進(jìn)行動平衡試驗(yàn)，由于永磁轉(zhuǎn)子的磁性較大，因此在動平衡試驗(yàn)前應(yīng)清理動平衡機(jī)周圍的鐵屑及導(dǎo)磁工件，避免轉(zhuǎn)子磁吸力對動平衡試驗(yàn)造成影響。

此外在校動平衡時轉(zhuǎn)子磁鋼為開路狀態(tài)，若具備條件最好能夠在定、轉(zhuǎn)子裝配完成后再次進(jìn)行現(xiàn)場動平衡試驗(yàn)，此時的轉(zhuǎn)子磁鋼工作在額定工作點(diǎn)，校正的動平衡狀態(tài)為電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的狀態(tài)。

4 電機(jī)總裝工藝

由于安裝有永磁體的轉(zhuǎn)子具有極強(qiáng)的吸力，因此采用常規(guī)安裝工藝必然會導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子相碰，必須采取特殊的工藝措施。

總裝時首先清理裝配場地，用橡皮泥清除轉(zhuǎn)子表面吸附的鐵屑;清理定子內(nèi)圓和繞組內(nèi)的雜質(zhì);準(zhǔn)備好端蓋、軸承、軸承蓋等零部件;準(zhǔn)備非導(dǎo)磁薄墊條若干，可用環(huán)氧玻璃布板或者不銹鋼材料制作，厚度略小于氣隙長度。

準(zhǔn)備工作完成后，將定子一側(cè)的端蓋先裝配好，并將定子機(jī)座固定，防止因轉(zhuǎn)子磁吸力與定子作用將定子吸附而難以裝配。將非導(dǎo)磁墊條均布墊于定子鐵心內(nèi)壁上，從而起到定位和防止定、轉(zhuǎn)子相碰的作用。將兩端軸承內(nèi)蓋套入轉(zhuǎn)軸，并將軸承裝配到位，將轉(zhuǎn)子吊裝裝入定子，抽出非導(dǎo)磁墊條，裝配好另一側(cè)端蓋。最后安裝好軸承蓋和出線盒等其他零件即完成電機(jī)總裝。

總裝工藝的要點(diǎn)是選擇合適的安裝方式，避免定、轉(zhuǎn)子相碰。

5 結(jié) 語

本文對常見的中小型表面式永磁電機(jī)的制造工藝和裝配工藝進(jìn)行了介紹，并指出了其工藝要點(diǎn)。實(shí)際表明，按照該工藝制造的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)可靠，性能優(yōu)良，可保證長期可靠運(yùn)行。

［1］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］王秀和.永磁電機(jī)［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［3］牛志鈞.永磁電機(jī)制造關(guān)鍵工藝淺議［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34(4):59-61.

［4］張永平，阮寧生.永磁同步電機(jī)磁體裝配工藝探討［J］.電機(jī)技術(shù)，2006(2):50-51.