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(jià)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(chǎng)化提供了支撐。永磁電機(jī)采用永磁材料勵(lì)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(gè)機(jī)座號(hào)，體積重量優(yōu)勢(shì)明顯。特別是永磁電機(jī)無勵(lì)磁損耗，電機(jī)效率高，節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)明顯，其市場(chǎng)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(dòng)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(duì)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(chǎng)波形和電流電壓波形畸變率較小，振動(dòng)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(dòng)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(duì)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(chǎng)地，設(shè)置圍欄，確保工作臺(tái)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(hào)筆做好標(biāo)識(shí)。

(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?qǐng)D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(shí)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(huì)移動(dòng)。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(huì)由于磁鋼之間的作用力而使得磁鋼之間存在間隙，此時(shí)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(shí)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(huì)導(dǎo)致磁鋼同極相斥而難以固定，難度會(huì)大很多;④注意勞動(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)間約1 h;然后預(yù)熱無緯帶至約40℃，時(shí)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(shí)應(yīng)鎖緊尾端以防張力損失。用手工綁扎工藝時(shí)，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(shí)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(duì)轉(zhuǎn)子烘焙時(shí)應(yīng)根據(jù)安裝的磁鋼牌號(hào)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(duì)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(shí)間。由于無緯帶一般的固化條件是溫度較高時(shí)固化時(shí)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(shí)應(yīng)考慮固化溫度較低的牌號(hào)。

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(cè)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(dòng)平衡工藝

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

此外在校動(dòng)平衡時(shí)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(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)，此時(shí)的轉(zhuǎn)子磁鋼工作在額定工作點(diǎn)，校正的動(dòng)平衡狀態(tài)為電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(huì)導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子相碰，必須采取特殊的工藝措施。

總裝時(shí)首先清理裝配場(chǎng)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?jí)|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(duì)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.