高速永磁电动机转子磁钢表贴固定方式的分析与研究

2018-04-26林凤卿

新技术新工艺 2018年4期

林凤卿

(上海ABB动力传动有限公司，上海 201613)

随着社会的发展，各行各业的自动化程度越来越高，电动机的应用也越来越多，同时对电动机的要求也越来越高。随着电动机向高转速和大转矩方向发展，对电动机转子中磁钢的固定要求也越来越高。

电动机转子中磁钢的安置方式主要分为表贴式和内置式。其中，表贴式磁极的磁钢直接面对空气隙，具有加工和安装方便的优点，但磁钢直接承受电枢反应的去磁作用；内置式磁极的磁钢置于铁心内部，加工和安装工艺复杂，漏磁大，但可以放置较多的磁钢来提高气隙磁密、减小电动机的质量和体积[1]。从结构设计安全性考虑，采用内置式，磁钢不易脱落，安全性更高，但需先给磁钢充磁后嵌入，工序复杂困难，而表贴式可先贴磁钢后进行整体充磁，工序简单方便；因此很多厂家的高速电动机设计仍偏向于采用表贴式。本文就高速永磁电动机转子磁钢表贴固定方式进行分析和研究。

1 表贴式磁钢固定方式

表贴式高速永磁电动机的永磁体通常为瓦片形，贴于转子铁心的外表面。表贴式高速永磁电动机固定方式包括凸出式和插入式等2种(见图1)。

图1 表贴式永磁电动机转子结构

无论是凸出表贴式还是插入表贴式高速永磁电动机，转子上磁钢的固定对高速永磁电动机的正常运行至关重要。为了防止磁钢在运行过程中发生脱落以及磁钢与转子铁心间发生周向移动现象，应对磁钢进行可靠的固定。通常，磁钢固定方式采用化学固定和机械固定相结合的方法。化学固定采用耐高温和高强度的胶水固定；机械固定采用磁钢外圈套住或靠台阶结构挡住。

凸出和插入表贴式高速永磁电动机固定方式的特点如下。

凸出表贴式法采用磁钢胶水固定，并用无纬带进行外圈固定。通过对磁钢结构的优化设计，可以使凸出表贴式高速永磁电动机的气隙磁密波形趋于正弦波的形状，从而提高电动机的性能。

插入表贴式法采用磁钢胶水固定，并用燕尾结构进行二次防护固定，防止磁钢在工作时向外甩出。插入表贴式高速永磁电动机能够充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，从而提高电动机的功率密度，改善电动机的动态性能；但插入表贴式漏磁严重，影响电动机性能[2]。

2 表贴式磁钢工作时的受力分析与计算

电动机正常工作时，磁钢主要承受电动机产生动力转矩的反作用力、转子高速旋转时产生的离心力以及磁钢的径向电磁力。磁钢的径向电磁力相对于转矩反作用力和离心力小很多，通常可以忽略。转子中单极的磁钢受力分析图如图2所示。图2中，F1为磁钢的离心力，方向为转子的径向朝外；F2为磁钢的转矩反作用力，方向与转子外圆相切，与转矩方向相反。

图2 磁钢受力分析图

离心力F1的计算式为[3]：

(1)

式中，m是每极磁钢的质量，单位为kg；r是磁钢的粘接半径，单位为m；ω是电动机的旋转角速度；n是电动机的转速，单位为r/min。

转矩反作用力F2的计算式为：

(2)

式中，T是电动机运行转矩；p是电动机极数。得出合力F的计算式为：

(3)

合力F的方向角度α为：

(4)

电动机的运行周期包括起动、运行、制动和停止等4个阶段。伺服驱动的高转速电动机的转速和转矩周期变化如图3所示[4]。从图3中可以看出，电动机在起动和制动阶段转矩最大，2个方向相反，在运行阶段转速最高。由此可见，磁钢受力最大的时间点是电动机起动和运行2个阶段的交接点或电动机运行和制动2个阶段的交接点，在此二处转速和转矩均达到最高值。

图3 电动机转矩和转速运行周期

现举一实例进行计算分析。电动机每极磁钢的质量m=0.135 kg,粘结面积A=3 200 mm2，磁钢的粘接半径r=0.05 m,转速n=5 000 r/min,电动机极数p=10，电动机起动转矩T=200 N·m,将这些参数代入式3，计算得出磁钢的最大拉力为：

Fmax的方向角度为：

因此，磁钢所需的最小粘接强度为[5]：

3 表贴式磁钢粘接力的测试与计算

现采用高性能结构胶Devcon 14315进行磁钢粘接力测试与计算。高性能结构胶水的性能参数见表1。磁钢在工作时同时受到离心力和转矩反作用力的作用，所以它既要承受离心力带来的拉力，又要承受转矩反作用力引起的剪切力；因此，验证胶水性能时应综合考虑胶水的剪切强度和抗拉强度。剪切强度和抗拉强度的占比反应在合成力的方向角α上，当α=0°时，胶水只承受剪切力的作用；当α从0°开始增大时，胶水承受的拉力占比慢慢增大；当α=90°时，胶水只承受拉力的作用。