一種有效防止磁鋼脫落的轉(zhuǎn)子外套

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(dòng)機(jī)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前正向大功率化(超高速)、高功能化(高溫電動(dòng)機(jī))方向發(fā)展。為此，對(duì)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(lái)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度不能太高，因?yàn)楦咚匐妱?dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)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(guò)盈配合，不銹鋼套周邊上開(kāi)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?yàn)樵诓讳P鋼套的有效周長(zhǎng)上開(kāi)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(guò)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(guò)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(shí)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(guò)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(dòng)機(jī)氣隙間極易造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)障礙，將電動(dòng)機(jī)卡死，甚至將電動(dòng)機(jī)燒毀;如果不銹鋼套與轉(zhuǎn)子組件之間的過(guò)盈配合時(shí)過(guò)盈量太大，當(dāng)不銹鋼套壓入轉(zhuǎn)子上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變硬化，即應(yīng)變超過(guò)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(dòng)，此時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)子在工作過(guò)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(guò)程中，也會(huì)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(guò)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(huì)出現(xiàn)脫落的重要條件。

1.2 SUS304L不銹鋼套壓入模擬設(shè)計(jì)

本模擬設(shè)計(jì)采用ABQUS動(dòng)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?yàn)檫^(guò)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(wú)摩擦。此模擬試驗(yàn)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(guò)程中不銹鋼外套受壓。

圖3是ABQUS動(dòng)態(tài)力學(xué)模擬軟件對(duì)SUS304L不銹鋼外套壓入轉(zhuǎn)子組件整個(gè)過(guò)程的模擬結(jié)果。轉(zhuǎn)子組件與不銹鋼外套之間的過(guò)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(dòng)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(guò)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(guò)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(kāi)始直至發(fā)生明顯的塑性變形的全過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可分為兩個(gè)不同的階段:過(guò)盈量0～0.16 mm階段，即彈性變形階段，作為合理的近似，此時(shí)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(guò)盈量大于0.16 mm階段，即開(kāi)始發(fā)生塑性變形階段，隨著過(guò)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(dòng)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(shí)質(zhì)是分子的活動(dòng)性，由分子的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)引起。這種與塑性流動(dòng)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(guò)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(diǎn)，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(guò)盈配合公差應(yīng)選擇在0～0.16 mm之間。

2 減小溫度變化對(duì)不銹鋼套內(nèi)孔熱膨脹的影響

2.1 溫度變化對(duì)不銹鋼套內(nèi)孔過(guò)盈量的影響

電動(dòng)機(jī)的溫度隨著使用環(huán)境的不同，和使用過(guò)程中工作狀態(tài)的不同，會(huì)發(fā)生變化。目前稀土永磁電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)正向高功能化方向發(fā)展，對(duì)耐高溫提出了一定的要求。電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，有時(shí)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(guò)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(zhǎng)度改變，在這里指的是不銹鋼套內(nèi)孔周長(zhǎng)熱膨脹時(shí)的增加量，或是轉(zhuǎn)子組件外徑周長(zhǎng)熱膨脹時(shí)的增加量;L為原材料長(zhǎng)度，在這里即是不銹鋼套內(nèi)孔周長(zhǎng)或是轉(zhuǎn)子組件外徑周長(zhǎng);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(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，溫度由常溫25℃升高到180℃時(shí)，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(jì)算可得，不銹鋼套在徑向上熱膨脹變化量將會(huì)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(guò)盈量小于0.062 mm，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)溫升時(shí)，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(guò)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(yàn)設(shè)計(jì)

如何減小溫升對(duì)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(guò)盈的彈性變形配合;由熱膨脹公式可知，對(duì)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(zhǎng)L。如何減小不銹鋼套內(nèi)孔的有效周長(zhǎng)L，圖5給出了一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案:左邊是上述不銹鋼套沿著一母線(母線高度為H)展開(kāi)后的不銹鋼帶(圖中是沿鋼帶周長(zhǎng)方向上截取的一部分)。所謂不銹鋼套內(nèi)孔有效周長(zhǎng)L，就是指展開(kāi)后的不銹鋼帶總長(zhǎng)度L，當(dāng)熱膨脹系數(shù)ξ2一定時(shí)，這個(gè)有效周長(zhǎng)L完全符合上述熱膨脹公式;右邊給出了沿周長(zhǎng)L方向上打了孔的不銹鋼帶，每個(gè)孔高度為B，其中H=3B，每個(gè)孔寬度為L(zhǎng)1，每3個(gè)孔為一組，這樣每設(shè)計(jì)3個(gè)孔，就相當(dāng)于不銹鋼帶在有效周長(zhǎng)L上減少了L1，沿著不銹鋼帶周長(zhǎng)L上共設(shè)計(jì)了4組以上的孔，就相當(dāng)于不銹鋼帶在有效周長(zhǎng)L減少了L2=4L1?？椎膶挾萀1是個(gè)變量，所以L2也是個(gè)變量。本試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì):主要是來(lái)驗(yàn)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(duì)于沒(méi)有打孔的不銹鋼帶在有效周長(zhǎng)L上的熱膨脹變化量ΔL，與不銹鋼帶在有效周長(zhǎng)上的變化量L2之間的關(guān)系，圖6是根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)及熱膨脹公式可知，ΔL在數(shù)值上，實(shí)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(yàn)結(jié)果并非如此。

從固體材料的熱膨脹本質(zhì)來(lái)分析，固體材料的熱膨脹本質(zhì)，歸結(jié)為點(diǎn)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(shí)，原子振幅加大，原子間距離增加時(shí)，部分地被結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙所容納，而整個(gè)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(shí)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(shí)，原子間距離增加，沿周長(zhǎng)方向上開(kāi)始膨脹，而在孔的位置，這種膨脹部分地被孔容納，這樣整個(gè)鋼帶在有效周長(zhǎng)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(shí)，影響熱膨脹變化量ΔL的有兩個(gè)因素:一個(gè)是在有效周長(zhǎng)L上的變化量L2，L2隨溫度升高的熱膨脹變化對(duì)ΔL的貢獻(xiàn)可以用上述熱膨脹公式來(lái)解釋;另外一個(gè)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(duì)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(gè)階段:第一個(gè)階段是L2值很微小的變化階段，這個(gè)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(shí)，不銹鋼帶在周長(zhǎng)上的熱膨脹大部分被孔容納，這時(shí)的ΔL是急劇上升變化;第二個(gè)階段是L2變化明顯的階段，這個(gè)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(zhǎng)上變化量L2的影響，但因?yàn)橥瑫r(shí)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(yàn)及圖6可知，當(dāng)不銹鋼帶有效周長(zhǎng)變化量L2為12 mm，即每個(gè)孔寬度L1=3 mm時(shí)，打孔不銹鋼帶在有效周長(zhǎng)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(méi)有打孔的不銹鋼帶在有效周長(zhǎng)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(huì)減少0.065 mm。當(dāng)不銹鋼套與轉(zhuǎn)子組件間的過(guò)盈量控制在0～0.16 mm，且不銹鋼套每個(gè)孔的長(zhǎng)度L1大于3 mm時(shí)，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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