楊慶忠

(寧波韻升高科磁業(yè)有限公司，浙江寧波 315040)

隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁電動機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個新階段，目前正向大功率化(超高速)、高功能化(高溫電動機(jī))方向發(fā)展。為此，對與之相配能夠在高速、高溫環(huán)境下工作的稀土永磁精密轉(zhuǎn)子的制作要求也就越來越高。

目前稀土永磁精密轉(zhuǎn)子所用的磁鋼，大多數(shù)是先整體電鍍、充磁后，再使用粘接劑在一定的條件下將其連接到芯軸上。這種結(jié)構(gòu)最大的弊端在于磁鋼鍍層和粘接劑的親和性極差，粘接不牢，粘接劑很容易從鍍層上脫落，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度不能太高，因為高速電動機(jī)在旋轉(zhuǎn)時有很大的離心力，高溫又將大大減弱粘接劑的粘接強(qiáng)度，最終造成磁鋼脫落。

一種有效保護(hù)磁鋼脫落的電動機(jī)用稀土永磁轉(zhuǎn)子如圖1，由磁鋼與芯軸利用粘接劑連接成整體組件，組件外再加不銹鋼套。不銹鋼套內(nèi)孔與芯軸磁鋼組件的外徑為過盈配合，不銹鋼套周邊上開設(shè)有一定數(shù)量的通孔。同傳統(tǒng)的不銹鋼套相比，此結(jié)構(gòu)所使用的不銹鋼套，與轉(zhuǎn)子間始終保持緊密配合，不銹鋼套始終保持著彈性變形，可以有效防止轉(zhuǎn)子在工作中磁鋼出現(xiàn)脫落;因為在不銹鋼套的有效周長上開有不同程度的通孔，轉(zhuǎn)子在高溫旋轉(zhuǎn)下，不銹鋼套在徑向方向上熱膨脹大為減弱，避免了轉(zhuǎn)子在工作過程中因溫度升高、不銹鋼套膨脹而造成的與轉(zhuǎn)子之間轉(zhuǎn)化為間隙配合，使得磁鋼在高速工作條件下能承受較大的離心力，有效防止了磁鋼脫落。

1 不銹鋼套內(nèi)孔徑向過盈配合的選擇

1.1 不銹鋼套與轉(zhuǎn)子徑向配合特性

有效防止磁鋼脫落的不銹鋼套，在與轉(zhuǎn)子組件之間配合時必須滿足一定的要求:如果不銹鋼套與轉(zhuǎn)子組件之間為間隙配合，轉(zhuǎn)子在工作過程中就有可能將不銹鋼套甩偏，不能有效防止磁鋼脫落;更糟糕的是當(dāng)不銹鋼套出現(xiàn)甩偏后，不銹鋼套在電動機(jī)氣隙間極易造成電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)障礙，將電動機(jī)卡死，甚至將電動機(jī)燒毀;如果不銹鋼套與轉(zhuǎn)子組件之間的過盈配合時過盈量太大，當(dāng)不銹鋼套壓入轉(zhuǎn)子上時，就會出現(xiàn)應(yīng)變硬化，即應(yīng)變超過比例極限(彈性極限)后，不銹鋼套的微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生塑性流動，此時卸載后，不銹鋼套將不能從強(qiáng)制變形狀態(tài)恢復(fù)到原形，即不銹鋼套失去彈性作用，這時轉(zhuǎn)子在工作過程中，只要溫度稍有升高，不銹鋼套與轉(zhuǎn)子之間即轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙配合，轉(zhuǎn)子在工作過程中，也會出現(xiàn)不銹鋼套的甩偏現(xiàn)象;只有當(dāng)不銹鋼套與轉(zhuǎn)子之間選擇了合適的過盈配合量，這種配合能始終保證不銹鋼套的彈性變形特征，這是有效保護(hù)磁鋼不會出現(xiàn)脫落的重要條件。

1.2 SUS304L不銹鋼套壓入模擬設(shè)計

本模擬設(shè)計采用ABQUS動態(tài)力學(xué)模擬軟件，圖2是模擬示意圖。壓頭將SUS304L不銹鋼外套緩緩壓入轉(zhuǎn)子組件中，轉(zhuǎn)子組件和不銹鋼外套之間在徑向為過盈配合，轉(zhuǎn)子組件的底部固定，轉(zhuǎn)子組件和不銹鋼外套之間無摩擦。此模擬試驗中，轉(zhuǎn)子組件外徑與不銹鋼外套內(nèi)徑尺寸均為100 mm，不銹鋼外套厚度為0.3 mm，轉(zhuǎn)子組件與不銹鋼外套的有效配合高度(即轉(zhuǎn)子組件壓入不銹鋼外套的總深度)為60 mm，要求模擬裝配過程中不銹鋼外套受壓。

圖3是ABQUS動態(tài)力學(xué)模擬軟件對SUS304L不銹鋼外套壓入轉(zhuǎn)子組件整個過程的模擬結(jié)果。轉(zhuǎn)子組件與不銹鋼外套之間的過盈量為0.05 mm，隨著轉(zhuǎn)子組件不斷地被壓入到不銹鋼外套中，不銹鋼外套所受的徑向壓強(qiáng)沿壓入方向遞減，所受壓強(qiáng)最大處為剛壓入的不銹鋼套上部，約為255 MPa。根據(jù)ABQUS動態(tài)力學(xué)模擬軟件所模擬的結(jié)果，SUS304L不銹鋼外套與轉(zhuǎn)子組件之間過盈配合不同，則不銹鋼外套所受到的徑向壓強(qiáng)也不同，圖4給出了兩者間的關(guān)系。

1.3 結(jié)果與分析

圖4顯示了轉(zhuǎn)子組件與不銹鋼外套不同的過盈量配合，與不銹鋼外套所受徑向壓強(qiáng)兩者之間的關(guān)系。該圖顯示了不銹鋼外套變形從零開始直至發(fā)生明顯的塑性變形的全過程。這個過程可分為兩個不同的階段:過盈量0～0.16 mm階段，即彈性變形階段，作為合理的近似，此時不銹鋼外套服從胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，在這一階段，在卸除載荷后、不銹鋼外套完全并立即從強(qiáng)制的變形狀態(tài)恢復(fù)到原形;過盈量大于0.16 mm階段，即開始發(fā)生塑性變形階段，隨著過盈量(應(yīng)變)的增大，不銹鋼外套的應(yīng)變最終偏離了線性的比例關(guān)系，在此階段，材料內(nèi)部的分子或微觀結(jié)構(gòu)重新排列或調(diào)整，原子移動到新的平衡位置，這一階段是材料發(fā)生塑性變形階段，其實質(zhì)是分子的活動性，由分子的錯位運(yùn)動引起。這種與塑性流動相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)重新調(diào)整通常在卸載后并不能逆轉(zhuǎn)。

上述過盈量0.16 mm，是不銹鋼外套由彈性形變轉(zhuǎn)向塑性形變的偏離點，要使不銹鋼外套裝入轉(zhuǎn)子組件后，保持彈性變形特性，上述不銹鋼外套與轉(zhuǎn)子組件之間的過盈配合公差應(yīng)選擇在0～0.16 mm之間。

2 減小溫度變化對不銹鋼套內(nèi)孔熱膨脹的影響

2.1 溫度變化對不銹鋼套內(nèi)孔過盈量的影響

電動機(jī)的溫度隨著使用環(huán)境的不同，和使用過程中工作狀態(tài)的不同，會發(fā)生變化。目前稀土永磁電動機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)正向高功能化方向發(fā)展，對耐高溫提出了一定的要求。電動機(jī)在工作過程中，有時溫度可高達(dá)180℃，在如此高的工作溫度下，考慮材料的熱膨脹影響，前面所描述的不銹鋼套與轉(zhuǎn)子組件間的彈性配合，即兩者間過盈配合公差0～0.16 mm，并不能百分之百滿足有效防護(hù)磁鋼脫落的要求。

根據(jù)下面的熱膨脹公式:

其中:ΔL為材料熱膨脹造成的長度改變，在這里指的是不銹鋼套內(nèi)孔周長熱膨脹時的增加量，或是轉(zhuǎn)子組件外徑周長熱膨脹時的增加量;L為原材料長度，在這里即是不銹鋼套內(nèi)孔周長或是轉(zhuǎn)子組件外徑周長;ξ為材料熱膨脹系數(shù);ΔT為溫度的改變。

轉(zhuǎn)子組件材料是普通碳鋼，其熱膨脹系數(shù)ξ1為10×10－6/℃，SUS304L不銹鋼套的熱膨脹系數(shù) ξ2為14×10－6/℃。電動機(jī)在工作過程中，溫度由常溫25℃升高到180℃時，由于不銹鋼套的熱膨脹系數(shù)比轉(zhuǎn)子組件的熱膨脹系數(shù)大，根據(jù)上述熱膨脹公式計算可得，不銹鋼套在徑向上熱膨脹變化量將會比轉(zhuǎn)子組件在同樣方向上熱膨脹變化量大0.062 mm。假如不銹鋼套與轉(zhuǎn)子組件間配合的過盈量小于0.062 mm，當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)溫升時，就不能避免不銹鋼套因膨脹而造成的不銹鋼套與轉(zhuǎn)子之間轉(zhuǎn)化為間隙配合，轉(zhuǎn)子在工作過程中，就有可能將不銹鋼套甩偏，就不能有效防止磁鋼脫落。

2.2 減小不銹鋼套內(nèi)孔受熱膨脹影響的試驗設(shè)計

如何減小溫升對不銹鋼套熱膨脹變化量的影響，從而保證不銹鋼套與轉(zhuǎn)子組件間始終保持過盈的彈性變形配合;由熱膨脹公式可知，對于一定的材料，ΔT又是恒定的，要減小不銹鋼套內(nèi)孔受熱膨脹的影響，最容易想到的是減小不銹鋼套內(nèi)孔有效周長L。如何減小不銹鋼套內(nèi)孔的有效周長L，圖5給出了一種試驗設(shè)計方案:左邊是上述不銹鋼套沿著一母線(母線高度為H)展開后的不銹鋼帶(圖中是沿鋼帶周長方向上截取的一部分)。所謂不銹鋼套內(nèi)孔有效周長L，就是指展開后的不銹鋼帶總長度L，當(dāng)熱膨脹系數(shù)ξ2一定時，這個有效周長L完全符合上述熱膨脹公式;右邊給出了沿周長L方向上打了孔的不銹鋼帶，每個孔高度為B，其中H=3B，每個孔寬度為L1，每3個孔為一組，這樣每設(shè)計3個孔，就相當(dāng)于不銹鋼帶在有效周長L上減少了L1，沿著不銹鋼帶周長L上共設(shè)計了4組以上的孔，就相當(dāng)于不銹鋼帶在有效周長L減少了L2=4L1?？椎膶挾萀1是個變量，所以L2也是個變量。本試驗方案的設(shè)計:主要是來驗證在不銹鋼帶上打不同寬度的孔，由常溫25℃升高到180℃后，打孔的不銹鋼帶相對于沒有打孔的不銹鋼帶在有效周長L上的熱膨脹變化量ΔL，與不銹鋼帶在有效周長上的變化量L2之間的關(guān)系，圖6是根據(jù)試驗給出了兩者之間的變化曲線圖。

2.3 結(jié)果與分析

由上述減小不銹鋼套內(nèi)孔受熱膨脹影響的試驗設(shè)計及熱膨脹公式可知，ΔL在數(shù)值上，實際上就是L2的熱膨脹變化量，ΔL與L2之間的關(guān)系應(yīng)成線性關(guān)系，但是圖6給出的試驗結(jié)果并非如此。

從固體材料的熱膨脹本質(zhì)來分析，固體材料的熱膨脹本質(zhì)，歸結(jié)為點陣結(jié)構(gòu)中原子間平均距離隨溫度升高而增大，如果固體材料的結(jié)構(gòu)較疏松，內(nèi)部空隙多，這樣當(dāng)溫度升高時，原子振幅加大，原子間距離增加時，部分地被結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙所容納，而整個物體宏觀的膨脹量就少些。上述打了孔的不銹鋼帶結(jié)構(gòu)，實際上在宏觀上局部地增加了材料內(nèi)部空隙，當(dāng)溫度升高時，原子間距離增加，沿周長方向上開始膨脹，而在孔的位置，這種膨脹部分地被孔容納，這樣整個鋼帶在有效周長上的宏觀膨脹量就減少。

所以打孔的不銹鋼帶在受熱膨脹時，影響熱膨脹變化量ΔL的有兩個因素:一個是在有效周長L上的變化量L2，L2隨溫度升高的熱膨脹變化對ΔL的貢獻(xiàn)可以用上述熱膨脹公式來解釋;另外一個影響因素就是上述講到的固體材料打孔結(jié)構(gòu)，這種由結(jié)構(gòu)隨溫度升高的熱膨脹變化對ΔL的貢獻(xiàn)，主要取決于材料內(nèi)部原子的擴(kuò)張。圖6的曲線可以分為兩個階段:第一個階段是L2值很微小的變化階段，這個階段不銹鋼帶熱膨脹變化量ΔL主要受固體材料打孔結(jié)構(gòu)的影響，溫度升高時，不銹鋼帶在周長上的熱膨脹大部分被孔容納，這時的ΔL是急劇上升變化;第二個階段是L2變化明顯的階段，這個階段孔結(jié)構(gòu)的影響已不很明顯，不銹鋼帶熱膨脹變化量ΔL主要是受不銹鋼帶在有效周長上變化量L2的影響，但因為同時受打孔結(jié)構(gòu)的影響，ΔL與L2之間并非成線性關(guān)系。

由上述試驗及圖6可知，當(dāng)不銹鋼帶有效周長變化量L2為12 mm，即每個孔寬度L1=3 mm時，打孔不銹鋼帶在有效周長L方向上的熱膨脹變化量ΔL為0.2 mm，即打了孔的不銹鋼帶較沒有打孔的不銹鋼帶在有效周長L方向上熱膨脹可減少0.2 mm，折算到不銹鋼套在徑向上熱膨脹變化量將會減少0.065 mm。當(dāng)不銹鋼套與轉(zhuǎn)子組件間的過盈量控制在0～0.16 mm，且不銹鋼套每個孔的長度L1大于3 mm時，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫升從常溫25℃升高到180℃后，打孔不銹鋼套完全可以在保證彈性變形的范圍內(nèi)，保持與轉(zhuǎn)子組件的緊密配合，從而有效防止磁鋼的脫落。

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