林鳳卿

(上海ABB動力傳動有限公司，上海 201613)

隨著社會的發(fā)展，各行各業(yè)的自動化程度越來越高，電動機的應(yīng)用也越來越多，同時對電動機的要求也越來越高。隨著電動機向高轉(zhuǎn)速和大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展，對電動機轉(zhuǎn)子中磁鋼的固定要求也越來越高。

電動機轉(zhuǎn)子中磁鋼的安置方式主要分為表貼式和內(nèi)置式。其中，表貼式磁極的磁鋼直接面對空氣隙，具有加工和安裝方便的優(yōu)點，但磁鋼直接承受電樞反應(yīng)的去磁作用；內(nèi)置式磁極的磁鋼置于鐵心內(nèi)部，加工和安裝工藝復(fù)雜，漏磁大，但可以放置較多的磁鋼來提高氣隙磁密、減小電動機的質(zhì)量和體積[1]。從結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性考慮，采用內(nèi)置式，磁鋼不易脫落，安全性更高，但需先給磁鋼充磁后嵌入，工序復(fù)雜困難，而表貼式可先貼磁鋼后進(jìn)行整體充磁，工序簡單方便；因此很多廠家的高速電動機設(shè)計仍偏向于采用表貼式。本文就高速永磁電動機轉(zhuǎn)子磁鋼表貼固定方式進(jìn)行分析和研究。

1 表貼式磁鋼固定方式

表貼式高速永磁電動機的永磁體通常為瓦片形，貼于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面。表貼式高速永磁電動機固定方式包括凸出式和插入式等2種(見圖1)。

圖1 表貼式永磁電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

無論是凸出表貼式還是插入表貼式高速永磁電動機，轉(zhuǎn)子上磁鋼的固定對高速永磁電動機的正常運行至關(guān)重要。為了防止磁鋼在運行過程中發(fā)生脫落以及磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵心間發(fā)生周向移動現(xiàn)象，應(yīng)對磁鋼進(jìn)行可靠的固定。通常，磁鋼固定方式采用化學(xué)固定和機械固定相結(jié)合的方法?；瘜W(xué)固定采用耐高溫和高強度的膠水固定；機械固定采用磁鋼外圈套住或靠臺階結(jié)構(gòu)擋住。

凸出和插入表貼式高速永磁電動機固定方式的特點如下。

凸出表貼式法采用磁鋼膠水固定，并用無緯帶進(jìn)行外圈固定。通過對磁鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，可以使凸出表貼式高速永磁電動機的氣隙磁密波形趨于正弦波的形狀，從而提高電動機的性能。

插入表貼式法采用磁鋼膠水固定，并用燕尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次防護(hù)固定，防止磁鋼在工作時向外甩出。插入表貼式高速永磁電動機能夠充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，從而提高電動機的功率密度，改善電動機的動態(tài)性能；但插入表貼式漏磁嚴(yán)重，影響電動機性能[2]。

2 表貼式磁鋼工作時的受力分析與計算

電動機正常工作時，磁鋼主要承受電動機產(chǎn)生動力轉(zhuǎn)矩的反作用力、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力以及磁鋼的徑向電磁力。磁鋼的徑向電磁力相對于轉(zhuǎn)矩反作用力和離心力小很多，通常可以忽略。轉(zhuǎn)子中單極的磁鋼受力分析圖如圖2所示。圖2中，F(xiàn)1為磁鋼的離心力，方向為轉(zhuǎn)子的徑向朝外；F2為磁鋼的轉(zhuǎn)矩反作用力，方向與轉(zhuǎn)子外圓相切，與轉(zhuǎn)矩方向相反。

圖2 磁鋼受力分析圖

離心力F1的計算式為[3]：

(1)

式中，m是每極磁鋼的質(zhì)量，單位為kg；r是磁鋼的粘接半徑，單位為m；ω是電動機的旋轉(zhuǎn)角速度；n是電動機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

轉(zhuǎn)矩反作用力F2的計算式為：

(2)

式中，T是電動機運行轉(zhuǎn)矩；p是電動機極數(shù)。得出合力F的計算式為：

(3)

合力F的方向角度α為：

(4)

電動機的運行周期包括起動、運行、制動和停止等4個階段。伺服驅(qū)動的高轉(zhuǎn)速電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩周期變化如圖3所示[4]。從圖3中可以看出，電動機在起動和制動階段轉(zhuǎn)矩最大，2個方向相反，在運行階段轉(zhuǎn)速最高。由此可見，磁鋼受力最大的時間點是電動機起動和運行2個階段的交接點或電動機運行和制動2個階段的交接點，在此二處轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均達(dá)到最高值。

圖3 電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速運行周期

現(xiàn)舉一實例進(jìn)行計算分析。電動機每極磁鋼的質(zhì)量m=0.135 kg,粘結(jié)面積A=3 200 mm2，磁鋼的粘接半徑r=0.05 m,轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min,電動機極數(shù)p=10，電動機起動轉(zhuǎn)矩T=200 N·m,將這些參數(shù)代入式3，計算得出磁鋼的最大拉力為：

Fmax的方向角度為：

因此，磁鋼所需的最小粘接強度為[5]：

3 表貼式磁鋼粘接力的測試與計算

現(xiàn)采用高性能結(jié)構(gòu)膠Devcon 14315進(jìn)行磁鋼粘接力測試與計算。高性能結(jié)構(gòu)膠水的性能參數(shù)見表1。磁鋼在工作時同時受到離心力和轉(zhuǎn)矩反作用力的作用，所以它既要承受離心力帶來的拉力，又要承受轉(zhuǎn)矩反作用力引起的剪切力；因此，驗證膠水性能時應(yīng)綜合考慮膠水的剪切強度和抗拉強度。剪切強度和抗拉強度的占比反應(yīng)在合成力的方向角α上，當(dāng)α=0°時，膠水只承受剪切力的作用；當(dāng)α從0°開始增大時，膠水承受的拉力占比慢慢增大；當(dāng)α=90°時，膠水只承受拉力的作用。

表1 高性能結(jié)構(gòu)膠水Devcon 14315性能參數(shù)

將高性能結(jié)構(gòu)膠水粘接磁鋼與固定裝置，通過改變粘接面的傾斜角度來實現(xiàn)測試磁鋼膠水不同方向抗拉粘接強度。采用的測試樣品如圖4所示，測試過程和結(jié)果如圖5所示。測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

圖4 磁鋼粘接強度測試樣品

圖5 磁鋼粘接力測試過程與結(jié)果

角度α/(°)粘接強度σ/MPa016.94511.25510.826510.767510.699010.15

采用冪函數(shù)對測試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到圖6所示的數(shù)據(jù)曲線，并得出膠水粘接強度與磁鋼受力角度方向的關(guān)系函數(shù)式如下。

σ=12.354α-0.034

(5)

式中，σ是膠水粘接強度，單位為MPa；α是磁鋼受力角度。

圖6 磁鋼受力角度與粘接強度關(guān)系曲線

根據(jù)式5，當(dāng)α=77.8°時，磁鋼膠水的粘接強度為：

σ=12.354×77.8-0.034=10.7 (MPa)>0.6 MPa

因此，磁鋼的膠水粘接強度滿足要求。

4 結(jié)語

通過上述研究，得出如下結(jié)論。

1)對于高速電動機轉(zhuǎn)子磁鋼表貼式安置方式，磁鋼同時承受離心力與轉(zhuǎn)矩反作用力的作用，固定磁鋼的膠水需要同時承受剪切力和拉力。

2)膠水的粘接強度與其作用力方向有關(guān)系，本文通過測試數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系函數(shù)擬合，具有一定的參考意義。

3)由膠水測試數(shù)據(jù)得到的擬合函數(shù)，進(jìn)行膠水粘接強度的反計算，計算結(jié)果遠(yuǎn)大于磁鋼粘接所需的最小粘接強度，說明滿足強度要求。

[1] 戴文進(jìn).電機設(shè)計[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2] 楊云峰，鐘治平，等.一種表貼式永磁電機轉(zhuǎn)子磁鋼的固定工藝永磁電機：中國，106936273 A[P].2017-07-07.

[3] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4] 顏嘉男. 伺服電機應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[5] 鴻文．材料力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2004.