王廣輝，李 巖，張海杰，鄧澤杉，劉 鈺，李 靜

（洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南洛陽(yáng) 471000）

0 引言

永磁電機(jī)因其功率因數(shù)高、工作效率高、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)逐步在主軸行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，原因在于永磁同步電動(dòng)機(jī)以永磁體作為轉(zhuǎn)子，沒(méi)有勵(lì)磁電流帶來(lái)的損耗，使其在性能方面優(yōu)于感應(yīng)電機(jī)。依據(jù)轉(zhuǎn)子中永磁體安置方式不同，可分為：外置式（表貼式、嵌入式）、內(nèi)置式（徑向式、切向式、混合式）兩大類[1-5]。外置式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于安裝，內(nèi)置式由于永磁體埋于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，結(jié)構(gòu)更為牢固，易于提高電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的安全性[6]。應(yīng)用于主軸行業(yè)的永磁同步電機(jī)，因其對(duì)高轉(zhuǎn)速的特殊要求，所以無(wú)論是外置式還是內(nèi)置式，為抵抗高轉(zhuǎn)速引起的離心力，永磁體外部都有護(hù)套或鐵心保護(hù)，并承受永磁體離心力產(chǎn)生的拉應(yīng)力[7]。

在永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子壓裝過(guò)程中，由于各類永磁材料性能各不相同，如何保證永磁轉(zhuǎn)子磁鋼不受損碎裂，磁性不消退是將永磁同步電機(jī)應(yīng)用于高速電主軸需要面對(duì)的問(wèn)題。本文將從永磁體材料的溫度特性以及永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩方面對(duì)永磁體進(jìn)行性能分析，并針對(duì)不同的永磁體材料，根據(jù)其材料特性，提出相應(yīng)的永磁轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸間壓裝工藝并設(shè)計(jì)相關(guān)壓裝工藝適用的工裝。

1 常用永磁體特性

永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，能夠避免通過(guò)勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)導(dǎo)致的勵(lì)磁損耗，這要求永磁電機(jī)中的永磁體具有永久強(qiáng)磁性。目前，常用于電主軸中永磁同步電機(jī)上的永磁體材料有釤鈷磁體（SmCo5、Sm2Co17）和釹鐵硼磁體（Nd-Fe-B）[8]。

1.1 釤鈷磁體特性

釤鈷磁體SmCo5的居里溫度為740 ℃，可在-50～+150 ℃的溫度范圍內(nèi)工作，是一種較為理想的永磁體，已在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[9]。另一種釤鈷磁體Sm2Co17居里溫度為926 ℃，最高工作溫度達(dá)500 ℃，也是非常理想的永磁材料，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空航天、傳感器、高端電機(jī)行業(yè)。釤鈷磁體的缺點(diǎn)是含有較多的戰(zhàn)略金屬鈷（Co）和儲(chǔ)藏量較少的稀土金屬釤（Sm）[10]，由于原材料價(jià)格昂貴，使其發(fā)展前景受到材料資源的限制，相應(yīng)的，價(jià)格上漲則造成制造成本提高。

1.2 釹鐵硼磁體特性

釹鐵硼磁體（Nd-Fe-B）的居里溫度為585 K，最高工作溫度一般為80 ℃，經(jīng)過(guò)特殊處理后的最高工作溫度能達(dá)到200 ℃。釹鐵硼磁體是當(dāng)前世界上磁能積最高的永磁材料，這意味著產(chǎn)生相同的磁通量，釹鐵硼材料的體積最小[11]，這對(duì)于受空間限制影響較大的電主軸單元中的電機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)非常有利。其主要原料鐵（Fe）非常便宜，稀土釹（Nd）的儲(chǔ)藏量較原料釤（Sm）多10～16倍，價(jià)格也較釤鈷磁體低。其機(jī)械性能比釤鈷磁體好，更易于切割和鉆孔等復(fù)雜形狀加工，在無(wú)高溫使用要求的行業(yè)有極好的應(yīng)用前景。

依據(jù)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的不同結(jié)構(gòu)形式，以及兩類永磁體對(duì)溫度的不同耐受能力，在電主軸單元中，與銅、鋁轉(zhuǎn)子的熱裝工藝相比，永磁轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸的壓裝工藝也有所不同。以下介紹兩類永磁體在與轉(zhuǎn)軸的壓裝過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及相應(yīng)的解決方法。

2 釤鈷磁體的壓裝

釤鈷磁體的居里溫度最高可達(dá)到926 ℃，使用這類永磁體的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子壓裝于轉(zhuǎn)軸時(shí)，可采用熱裝方式，不會(huì)因高溫消磁。以永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用外置表貼式結(jié)構(gòu)為例，永磁體裝于轉(zhuǎn)軸與隔板共同構(gòu)建的均布凹腔內(nèi)，外層由保護(hù)套覆蓋，將永磁體及隔板完全封閉在與轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的空腔中，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子壓裝截面如圖2 所示。轉(zhuǎn)子壓裝過(guò)程為：磨削與永磁體內(nèi)圓弧面相匹配的轉(zhuǎn)軸外徑；使用指定品牌膠粘劑，涂抹于隔板與轉(zhuǎn)軸的粘接面及永磁體內(nèi)圓弧面；先粘接隔板，定位構(gòu)建永磁體凹腔；再粘接放置永磁體。待膠粘劑干透后，再磨削永磁體外圓弧面與隔板外露面共同構(gòu)成的外徑部分，與保護(hù)套內(nèi)徑配過(guò)盈，如圖3 所示。加熱保護(hù)套，熱壓至轉(zhuǎn)軸-永磁體組件上，去除軸向間隙。

圖2 轉(zhuǎn)子壓裝截面

圖3 永磁體弧面

2.1 壓裝過(guò)程中的問(wèn)題

永磁體具有強(qiáng)磁性，易吸附金屬零件，且材料抗壓強(qiáng)度低，性脆、易碎，在粘接時(shí)，極易因強(qiáng)磁吸附而與轉(zhuǎn)軸撞擊導(dǎo)致破碎甚至傷及操作人員，需有經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)操作人員穿戴安全護(hù)具安裝。且在粘接完成后，永磁體表面高低不平，需磨削至永磁體外圓弧面平整；但在磨削過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)永磁體碎裂的現(xiàn)象，考慮到釤鈷磁體為燒結(jié)成型，質(zhì)地脆硬，按金屬材料的磨削工藝參數(shù)執(zhí)行，會(huì)因?yàn)槟ハ髁^(guò)大超過(guò)其抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致碎裂，如圖4 所示。磨削永磁外徑的主要目的是使其外圓平整，保證后續(xù)熱壓保護(hù)套的過(guò)程能順利進(jìn)行，對(duì)表面粗糙度并無(wú)過(guò)高要求，所以只要適當(dāng)減小軸向進(jìn)給量，即減小砂輪對(duì)永磁體外徑的磨削壓力，使永磁體不會(huì)因壓力過(guò)大而發(fā)生碎裂即可；磨削參數(shù)如表1所示。

圖4 永磁體表面

表1 磨削參數(shù)

2.2 工裝設(shè)計(jì)

為達(dá)到壓裝后完全封閉的效果，并能夠抵抗主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)永磁體離心力，保護(hù)套內(nèi)徑與轉(zhuǎn)軸-永磁體組件外徑間的過(guò)盈量較大，甚至超出常用過(guò)盈配合范圍；這使得熱裝保護(hù)套時(shí)，按金屬熱脹系數(shù)和膨脹尺寸關(guān)系計(jì)算，對(duì)保護(hù)套的溫升必須在400 ℃以上，才能保證保護(hù)套內(nèi)徑膨脹至與轉(zhuǎn)軸-永磁體組件外徑在無(wú)過(guò)盈摩擦狀態(tài)下順暢裝入。釤鈷磁體耐高溫性能佳，熱裝過(guò)程中，余溫由保護(hù)套傳導(dǎo)至永磁體，不會(huì)造成消磁。保護(hù)套材料一般以高溫合金為主，能夠保持熱裝時(shí)高溫狀態(tài)下良好的綜合機(jī)械性能，以及薄壁結(jié)構(gòu)狀態(tài)下較高的屈服強(qiáng)度和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性。但在保護(hù)套熱裝后，隨溫度下降，除徑向收緊外，軸向也逐漸收緊，導(dǎo)致保護(hù)套與轉(zhuǎn)軸的端面間產(chǎn)生間隙，隨溫度下降，間隙不斷增大；對(duì)于高速主軸，此類間隙會(huì)在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生嘯叫等不良影響。針對(duì)這種間隙采取的主要消除方式是制作螺旋壓套類工裝，在熱裝后的降溫過(guò)程中不斷旋緊工裝，持續(xù)施壓，消除間隙，直至結(jié)合件之間溫差為零，保護(hù)套相對(duì)轉(zhuǎn)軸停止軸向收縮為止。工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可充分利用轉(zhuǎn)軸軸端螺孔或轉(zhuǎn)軸外臺(tái)階面作為支承受力點(diǎn)，如圖5～6所示，為一種典型工裝形式。

圖5 工裝收縮

圖6 螺旋壓套類工裝截面

2.3 工裝工作情況

轉(zhuǎn)子保護(hù)套實(shí)物以及螺旋壓套工裝實(shí)物如圖7～8所示。

圖7 轉(zhuǎn)子保護(hù)套實(shí)物

圖8 螺旋壓套工裝實(shí)物

通過(guò)旋轉(zhuǎn)拉緊螺釘，在熱裝后的降溫過(guò)程中持續(xù)施壓，消除間隙。與傳統(tǒng)熱裝方法相比，本研究設(shè)計(jì)的方法能夠有效去除保護(hù)套和轉(zhuǎn)子間隙，增加轉(zhuǎn)子壓裝成功率和壓裝效率，防止主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于存在此類間隙導(dǎo)致的嘯叫等不良影響。

3 釹鐵硼磁體的壓裝

3.1 壓裝過(guò)程中的問(wèn)題

釹鐵硼磁體因具有極高的磁能積，良好的機(jī)械加工性能，在無(wú)高溫使用要求的情況下，成為主軸電機(jī)行業(yè)的首選。其不足之處是耐溫性能不佳，經(jīng)特殊處理后，工作溫度最高僅能達(dá)到200 ℃。相應(yīng)與轉(zhuǎn)軸壓裝時(shí)不宜熱裝，常采用冷裝工藝，來(lái)避免高溫消磁。以永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置徑向式結(jié)構(gòu)為例，永磁體埋于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，與鐵心的空腔間留有間隙，表面涂環(huán)氧樹(shù)脂類膠粘劑，均勻施力壓入轉(zhuǎn)子鐵心的空腔內(nèi)[12]，鐵心兩端安裝防護(hù)蓋板，如圖9～10所示。

圖9 轉(zhuǎn)子截面

圖10 轉(zhuǎn)子鐵心外形

將永磁轉(zhuǎn)子壓裝至轉(zhuǎn)軸上，如圖11所示，轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子間的配合過(guò)盈量按H6/r5取值。

圖11 轉(zhuǎn)子總成

3.2 壓裝量計(jì)算

總壓裝量=過(guò)盈量+壓裝間隙=轉(zhuǎn)軸外徑收縮量+轉(zhuǎn)子內(nèi)徑膨脹量；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件可將永磁轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸間的壓裝方式劃分為兩種：（1）將轉(zhuǎn)軸降溫，使其外徑冷縮量大于或等于總壓裝量，壓裝永磁轉(zhuǎn)子到轉(zhuǎn)軸上；（2）將轉(zhuǎn)軸降溫的同時(shí)加熱轉(zhuǎn)子，直至轉(zhuǎn)軸的外徑冷縮量與轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑膨脹量之和大于或等于總壓裝量，壓裝永磁轉(zhuǎn)子到轉(zhuǎn)軸上。

以轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸配合直徑φ50 為例：其過(guò)盈量在0.018～0.045 mm，壓裝時(shí)的間隙應(yīng)不小于0.05 mm；則總壓裝量應(yīng)為：0.045 mm+0.05 mm=0.095 mm；分別計(jì)算兩種方式所需加熱和冷卻的溫度及可行性。

（1）冷縮轉(zhuǎn)軸

計(jì)算冷縮溫度差：

式中：T為冷縮溫度差，℃；dy為兩配合件間的最大過(guò)盈量，mm；dx為兩配合件冷裝時(shí)的最小間隙，mm；d為配合直徑，mm；α1為被包容件材料的線膨脹系數(shù)，轉(zhuǎn)軸材料為鉻鋼，其線膨脹系數(shù)11.2 × 10-6/℃。

代入數(shù)值計(jì)算，得出包容件與被包容件壓裝時(shí)的溫度差值為：T=169.64 ℃。近似等于170 ℃，以室溫為25 ℃的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)軸冷卻溫度應(yīng)為：25 ℃-170 ℃=-145 ℃。由上述計(jì)算過(guò)程得出需冷卻轉(zhuǎn)軸至-145 ℃，可保證轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸順暢壓裝；而液氮的制冷溫度可達(dá)-196 ℃，完全滿足轉(zhuǎn)軸的冷卻溫度需求，且液氮價(jià)格便宜，存儲(chǔ)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，冷卻效果好；同時(shí)，氮?dú)鈱儆诙栊詺怏w，操作過(guò)程中揮發(fā)的氮?dú)鈱?duì)人體無(wú)害；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證此方式完全滿足永磁轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸的壓裝要求。

（2）冷縮轉(zhuǎn)軸同時(shí)加熱轉(zhuǎn)子

因釹鐵硼磁體遇高溫極易消磁；加熱轉(zhuǎn)子時(shí)，必須嚴(yán)格監(jiān)控永磁轉(zhuǎn)子溫度。常用永磁體最高可耐受溫度為130 ℃，壓裝時(shí)控制安全加熱溫度范圍應(yīng)小于或等于100 ℃。

計(jì)算轉(zhuǎn)子內(nèi)徑的熱膨脹量為：

式中：Δd1為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑熱膨脹量，mm；T1為最終加熱溫度，℃；T0為轉(zhuǎn)子初始溫度，℃；d為配合直徑，mm；α2為包容件材料的線膨脹系數(shù)，轉(zhuǎn)子鐵心材料為硅鋼，其線膨脹系數(shù)取11× 10-6/℃。

代入數(shù)值計(jì)算，得出轉(zhuǎn)子加熱至100 ℃后內(nèi)徑的熱膨脹量Δd1=0.041 25 mm。由總壓裝量為0.095 mm，可得出轉(zhuǎn)軸冷縮量應(yīng)為：

Δd2= 0.095- 0.04125= 0.053 75(mm)

代入數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)軸冷縮溫差：

在室溫為25 ℃的狀態(tài)下，可知轉(zhuǎn)軸冷卻溫度應(yīng)為：25 ℃-96 ℃=-71 ℃。由上述計(jì)算過(guò)程得出轉(zhuǎn)子加熱至100 ℃，轉(zhuǎn)軸冷卻至-71 ℃，可保證順暢壓裝。而干冰（固態(tài)二氧化碳）的制冷溫度可達(dá)-78.5 ℃，能夠滿足轉(zhuǎn)軸的冷卻溫度需求，也可直接放置在專用的冰冷處理設(shè)備中保溫后壓裝。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著永磁同步電機(jī)在電主軸行業(yè)越來(lái)越廣泛的運(yùn)用，相較于感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)憑借其更優(yōu)越的性能、更大的功率、更小的發(fā)熱量、更高的功率因數(shù)以及更小的空間占用率等多種優(yōu)勢(shì)在各類主軸電機(jī)中脫穎而出，逐步占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位；相應(yīng)永磁轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸的結(jié)合壓裝工藝水平也在不斷探索、實(shí)踐創(chuàng)新中穩(wěn)步提高。本文設(shè)計(jì)并總結(jié)了適用于電主軸內(nèi)部永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的幾種壓裝工藝方法，為了降低壓裝過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)際壓裝量建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)生活中的長(zhǎng)期使用，證明工裝以及模型的正確性，有效解決了在日常生產(chǎn)過(guò)程中遇到的轉(zhuǎn)子壓裝效率低、壓裝成功率低以及轉(zhuǎn)子與保護(hù)套貼合存在間隙的問(wèn)題。具體壓裝方法可根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)條件靈活借鑒選擇。