稀土永磁低速同步电动机制造技术摘要：介绍了稀土永磁低速同步电动机原理结构特点，着重论述该电机在制造中的关键技术和研究一 1引 言 稀土永磁低速同步电动机是一种利用定转子齿槽效应引起气隙磁导变化来工作的新型减速式同步交流电动机。它采用直接驱动技术，取消了机械传动一减速齿轮装置而由电机轴直接输出，转速低(60 r／min、100 r/min、115 r／min、136 r／min、300 r／min等)，具有节能环保的特点，因此特别在自动化装置和小功率拖动方面，它能有效地简化传动机构，避免齿轮减小机构的噪声。 稀土永磁低速同步电动机结构为封闭式，其特点是可靠性高、使用寿命长、运行时振动小、噪声低、转速稳定、起动力矩大，起动时电流无冲击，即使在工作负载发生变化时，电流变化极小，具有磁保持力矩，可以省却制动装置，且能瞬时起动、倒转和停机特性优点，因此如作为低速起动系统的驱动元件是最理想的动力源，若配以变频电源则可以变换电机转速，以适应各种机械运行的需要。 2稀土永磁低速同步电动机制造技术 2 ．1原理与结构分析研究 稀土永磁低速同步电动机的工作原理是利用定子(动态电磁场)转子(静态磁场)齿槽效应引起气隙磁导变化来工作的，如图I所示。因此提供该系列电机的精密结构对于实现其功能显得尤为重要，而精密结构主要起决于结构所组成的零部件的尺寸精度，及其它们的形位公差。它的典型结构如图2所示。
电机的主要零部件由压铸件端盖、转子铁心组件、定子铁心组件三大部件组成，定子组件是由定子铁心和定子绕组导磁机壳等组成，转子由非导磁材料轴、转子铁心与钕铁硼磁钢以及非导磁拧紧螺帽等组成。 电机定转子铁心是由优质矽钢片在其八个大齿上冲制成均匀分布小齿的定子冲片和转子冲片迭压而成。定子铁心一般采用铆装工艺，转子铁心采用粘结工艺制造，转于是由三段互相错位的铁心并夹有两片环形圆盘的高性能钕铁硼磁性材料组成，转子加工后在强磁场下充磁，使磁体呈完全的磁饱和状态。同时考虑到转子充磁后轴向磁通不至于从轴泄漏，电机的转轴及拧紧螺帽一般采用非导磁的不锈钢材料。 2．1．1低转速的获得分析 稀土永磁低速同步电动机转速的高低，是由定转子齿的数量的多少所决定的。齿数越多．其转速越低，加工难度越大。由于稀土永磁低速同步电动机获得的转速及其转向主要起决于：式中：f为电源频率，z2为转子小齿数，z1为定子小齿数，p为定子绕阻极对数，当取“+”时，转子转向与定子旋转磁场同向；取“一”时，转子转向与定子旋转磁场反向。目前该系列电机典型的转速为60 r／nin(50Hz),ZI／z2=48／50和115．38 r／min(50 Hz)、z1／z2：24／26两种，从理论上来讲可以实现转速比60 r／min更低的转速，但是由于定转子齿数增多后，齿宽变得更窄，会受到制造工艺的限制，使得该类电机在一般的制造设备上和制造工艺将难以实现。稀土永磁低速同步电动机是借助电机定、转子的齿槽效应引起的气隙磁导变化来工作的，因此电机的平稳运转工作性能的好坏及力矩的大小，主要取决于定转子齿和槽的形状位置和尺寸精度等级以及定子绕组嵌入数量、位置及电气状态。 2．1．2永磁材料的分析 稀土永磁低速同步电动机力矩大小是衡量电机的重要性能指标，在设计给定产品图纸中的材料及定转子尺寸范围内，影响着力矩指标的主要因素是永磁材料的质量、永磁材料的磁性能的高低及其在充磁后是否达到饱和。 2．1．3定转子小气隙的分析 稀土永磁低速同步电动机结构特点之一就是气隙小，然而气隙小给制造带来较大难度。而想获得大力矩，就必须将电机定转子之间装配气隙(工作气隙)没汁成小气隙。由于电机定转子趋于零气隙的工作状态(一般设计给定的单边气隙为0 1～0．12 mm)，所以在理论上，只要在电机正常运转工作状态下，定转子之间的气隙越小，其电机的转矩越大。由此可见，欲得到电机的大力矩，产品的结构设计必须具备定转子间的小气隙，然而气隙越小，给其零部件加工和产品装配带来越大的技术难度。 2．1．4定子形成椭圆磁场的分析 由于稀土永磁低速同步电动机一般采用单相电源，所以定子形成的磁场(除二相正交，三相电源外)是椭圆磁场，然而对该系列的电机而言，椭圆的大小主要取决于阻容匹配程度。使电阻电容调整后的相位角趋向于直角，也就是说，使磁场的椭圆程度趋向于零，从而使得磁场变得更圆滑，可是在实际应用中很难办到。其一，与电阻和电容本身的精度等级有关；其二，定子绕组的阻值与线圈的匝数，从宏观而言是定量的，从微观而言永远是个变量，控制其在最小变量范围内，促使力矩变化趋向最大值，此时．可以认为阻容是匹配的(或者说使电流相位近似于成直角)。 2 ．2稀土永磁低速同步电动机的制造技术探索 一般来说，设计产品性能要求越高势必给制造带来越大的困难，而制造难度越大，自然制造成本就越高，这样很难推向市场，所以设计一项新产品要同时考虑到制造技术、制造手段、加工设备能否以合理的成本实现从设计角度而言，在不影响产品性能前提下，尽量简化加工工艺，使设计适应工艺；从制造角度而言，应采用先进的多种加工技术，尽量满足设汁要求，从而保证产品的总技术要求。 为了确保稀土永磁低速同步电动机的低转速、高转矩、运转平稳、噪声低，工作可靠，我们从以下几个方面进行控制。 2．2 ．1电机主要原材料的质量控制技术 稀土永磁低速同步电动机的主要原材料如：硬磁材料如稀土永磁钕铁硼、组成定子的漆包线、制作定转子冲片的软磁材料矽钢等，这些均为构成电机电路融路的特殊材料，稀土永磁钕铁硼是影响该系列电机性能的重要材料，它的三高性能(剩磁磁密，矫顽磁力，最大磁能积)主要取决于烧结稀土磁钢的化学成分粉末颗粒度以及各元素混合的均匀度和压块的致密度等。所以要想获得高质量的稀土永磁体，必须在粉末冶金稀土永磁体的制作中，对粉末的预处理、配比、混合、压制、烧结等工序中的各参数加以严格控制。组成定子的漆包线的线径、阻值、表面漆膜的厚度与质量，软磁材料矽钢是否符合规定牌号及状态，它们的性能好坏直接影响电机的电气性能。因此对进厂的原材料必须做到定点供应，并自始至终对其质量处于监控状态。对于新供应点进行小批量验证，合格后方可定点、投入批量生产，同时 实行批次管理。 2．2．2电机零部件的加工技术 (1)定转子冲片及铁心的加工技术 定转子铁心是由优质矽钢冲制而成，冲制之前，表面进行涂膜，冲片毛刺控制在≤0 05 mm，在定子八个大齿上，冲刺成均匀分布四个齿。定转子冲片采用高精度心棒迭压而成(保证零件迭压后的尺寸精度，并消除定转子铁心的平行四边行)，定子铁心采用铆装工艺，转子铁心采用粘结工艺。 (2)转子轴的加工技术 转子轴的加工除了和普通电机转子轴的加工一样，在保证转子轴各部分尺寸精度、光洁度、同轴度符合图纸规定要求外，这里着重提出关于加工转子轴承档的技术。从实际要求出发最好使装配后的轴承内圈端而与轴承挡台阶侧面贴合在一起，但从工艺角度，产品转子的轴承档轴向与径向交接处，由于受力(尤其在力矩电机输出端应力较为集中)，所以在应力的剪切处应加工成大于工艺R的R，即应留有足够的R(根据轴径的尺寸大小而定)，这样可大 大提高永磁低速同步电动机在带负载下工作(在可逆交变较恶劣情况下工作)的抗疲劳极限。 (3)转子组件的制造技术 转子是由三段互相错位(相互错开l／2齿距，偏差为±3’)的铁心，并夹有两片环形的高性能稀土永磁材料钕铁硼组成，转子入轴组装时必须采用专用工装保证组装后齿形排列一致，错位正确组合后转子铁心不允许与轴产生相对松动或转动。磁钢外圆用线扎紧，涂上环氧树脂，转子外圆磨加工后清除槽口毛刺。 由于组装后的定转子间的合格气隙主要靠定子内径、转子外圆的加工尺寸精度来达到，所以在加工转子组件时，首先采用校调方法以达到工艺规定跳动要求，然后采用研磨合格的二顶钊孔装夹，精磨轴承档，保证尺寸、光洁度、同轴度，并进行必要的防锈处理，转子在各道加工工序完成后(总装前)进行脉冲充磁 。充磁前必须检查充磁机充磁夹具是否处于完好状态，充磁时注意转子装夹是否到位，注意充磁夹具铁心和转子铁心组件之间不允许有间隙存在，严格控制充磁电压、电流、时间等参数，充磁后将转子部件放置在洁净非金属框架垂直放置，相互不能接触。 (4)定子组件的加工技术 定子铁心采用铆装工艺，铆装后不允许有平形四边形，垂直度与同轴度在设定的范围内，严格槽 参差，确保齿槽侧面与单面垂直。入壳一般采用热压，加固定的销子，使机壳与定子铁心构成一体，不允许产生相对位移。 定子嵌绕整形使线圈端部达到规定尺寸，但注意防止损伤端部导致匝间短路，用浸漆绝缘处理使线圈牢固并消除间隙，定子车削止口必须在(比被加工零件尺寸精度高一级)高一级精度胀胎夹具或者采用较高一级精度实心心捧进行装夹，以确保铁心内圆和机壳止口同轴，然后再借助止口定位精磨定子内圆，保证其尺寸精度和光洁度。 (5)端盖的加工技术 在铸造端盖时，首先保证端盖毛坯件的质量即铝合金压铸件的质量，铸件不允许有欠铸沙眼气孔，更不允许在轴承室部位的气孔，为消除内应力，铸件还应事先进行时效处理(改善切削性能，消除内应力，使切削加工后的零件保持稳定)。为确保端盖止口和轴承室内孔同轴度与平行度在端益精加工时，尽量采用“三准”(设计基准、毛坯基准、加工基准)一致的一次装夹下车削完成。 稀土永磁低速同步电动机是力矩电机，为了提高力矩电机的寿命，加工电机端盖轴承室时最好增放滚挤余量(通过试验来确定滚挤余量)。若余量过小，起不到滚挤的作用；余量过大，由于金属回弹，不能保证轴承室的内孔尺寸。通过滚挤使表面致密，光洁度高，有利于提高轴承室的强度，对较大规格的力矩电机可采用嵌钢套来提高轴承室的强度，以此来提高力矩电机产品的寿命和运行可靠性。 2．2．3稀土永磁低速同步电动机总装技术 在该系列产品总装中，除了确保产品的装配精度(径向和轴向)要求定转子的轴向中线基本重合外，还特别强调文明生产，尤其对已充磁的转子处于磁性高位状态很容易吸附金属物及金属与非金属混合物，因此在装配前必须加以严格清理，一般用橡皮泥清除外来物。同样，对于定子铁心内孔也需清理干净，然后按产品总装程序将转子装入定子铁心组件后，检查定、转子铁心端面应在同一平面内，否则将用调整垫片进行微调至定转子端面没有错位现象，在端盖与定子机壳总装配时两者其配合止口必须平行装入(均匀用力将四螺钉对角等距拧紧)，否则就有可能导致钢质定子组件止口与铝质端盖止口配合处局部相切。两种软硬不同金属相切，显然，铝合金端盖硬度处于弱势，切下来的金属铝丝掉入产品内会导致耐压击穿(铝丝在产品搬运过程中随时可能移位，当铝丝与定子绕组和机壳相接触(搭桥现象)时，就会耐压出现击穿)，这将大大降低了产品的可靠性。为了避免这种情况的发生，除了正确掌握装配技术外，还可以采用两次装配消除此种隐患，当然更彻底的办法是改进加工工艺，即对端盖止口内侧端部增加倒角工序，但倒角不宜过大，过大就会影响总装时的导向，同时由于倒角过大会减小机壳与端盖配合接触面，进而影响定子组件与端盖阿个零部件的结合强度。 由于该类系列电机定转子之间气隙小，所以在总装时必须强凋电机总装配后的径向精度(径向精度主要标志为气隙均匀度)，不断调节径向气隙均匀，转动转子手感无阻滞或者与定子内圆无相擦现象。电机的轴向间隙不宜过大，过大会导致电机在运行时轴向窜动(力矩电机原则上不允许有明显的窜动)，反之，轴向间隙过小会增加摩擦阻力。因此正确调整和检测轴向间隙对于力矩电机显得十分重要。根据稀土永磁低速同步电动机的固有特性，轴向间隙允许在外力(借助相当于手的拉与推的力)作用下克服弹簧垫圈弹力所允许的弹性间隙，目的是使电机在工作时(加上负载)不至于造成窜动。但在负载力矩下允许有弹性间隙，目的是为提高产品的可靠性，使产品在较长的工作时间内不至于因金属热胀而使电机卡死。 2． 2． 4稀土水磁低速同步电动机测试技术 稀土永磁低速同步电动机在其测试中除了摇绝缘、打耐压、测电流、测噪声外，更重要的测试参数之一就是力矩。通常我们采用摩擦法(通过吊法码)检测每台电机的力矩。当然，这种测试方法是直观而精确的，但此法在产品研制和试生产叫是可行的，而在大批量牛产时，显然速度太慢。为此在确保产品测试正确的前提下，利用发电机的工作原理，通过外力将永磁转子由静态变为动态，即用60 r／min的原动机拖动电机轴，使被测电动机达到同步转速，此时被测电机的定子线圈与稀土永磁转子产生相对运动，线圈切割磁力线导致线圈内产生电动势(称为反电势)，生成的反电势的大小与低速同步电动机的力矩大小成正比。由于影响力矩大小的主要因素是电磁相互作用形成反电势的大小。即E ↑→M↑，因此只要先用摩擦法(杠杆法)测得成批产品力矩数据，然后再测它们相对应的反电势，可以得到一张力矩最小极限对照表。在批量生产中，参照这张对照表，只要测得该系列电机的反电势的最小允许值(相对应的产品设定力矩的最小允许值)就很快可以判断该台电机足否合格，这样可以大大提高测试工作效率。但必须注意，在测试之前对每台产品 检查轴向装得是否过紧、手感转动是否困难等现象应严加控制，以避免因机械损耗而产生产品测量误差。 3结语 为确保稀土永磁低速同步电动机的设计要求(性能、寿命、可靠性…)，本文围绕着该系列电动机的结构原理特点，重点在电动机的定转子齿、槽的形位、尺寸精度、有效空间气隙，及其电动机的电、磁、力之间的关系等方面进行了探索和研究，提出了该系列电动机在制造中的关键技术，成功地攻克了稀土永磁低速同步电动机在制造中的技术难题。通过多年来的实践，证明了采取的对策是行之有效的，从而为企业获得了较为理想的经济效益。
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