王廣輝,李 巖,張海杰,鄧澤杉,劉 鈺,李 靜
(洛陽軸承研究所有限公司,河南洛陽 471000)
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,沒有勵(lì)磁電流帶來的損耗,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),因其對高轉(zhuǎn)速的特殊要求,所以無論是外置式還是內(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的問題。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)兩方面對永磁體進(jìn)行性能分析,并針對不同的永磁體材料,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。
永磁同步電機(jī)的磁場由永磁體產(chǎn)生,能夠避免通過勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場導(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]。
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。
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)子來說非常有利。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)軸的壓裝過程中遇到的問題以及相應(yīng)的解決方法。
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
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^大超過其抗壓強(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)套的過程能順利進(jìn)行,對表面粗糙度并無過高要求,所以只要適當(dāng)減小軸向進(jìn)給量,即減小砂輪對永磁體外徑的磨削壓力,使永磁體不會(huì)因壓力過大而發(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)
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盈量較大,甚至超出常用過盈配合范圍;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過盈摩擦狀態(tài)下順暢裝入。釤鈷磁體耐高溫性能佳,熱裝過程中,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
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
通過旋轉(zhuǎn)拉緊螺釘,在熱裝后的降溫過程中持續(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)過程中由于存在此類間隙導(dǎo)致的嘯叫等不良影響。
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)子間的配合過盈量按H6/r5取值。
圖11 轉(zhuǎn)子總成
總壓裝量=過盈量+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,操作過程中揮發(fā)的氮?dú)鈱θ梭w無害;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。
隨著永磁同步電機(jī)在電主軸行業(yè)越來越廣泛的運(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)勢在各類主軸電機(jī)中脫穎而出,逐步占據(jù)市場主導(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,為了降低壓裝過程中的經(jīng)驗(yàn)要求,對實(shí)際壓裝量建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算,通過在實(shí)際生產(chǎn)生活中的長期使用,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。