直流變頻洗衣機電機磁瓦的研究與開發

摘要:通過對模具及磁路設計，改變原有模具的結構及磁路的鑲嵌方式，提高了磁瓦外弧的表面磁通密度，優化了磁瓦表面磁場特性分布，滿足了直流變頻洗衣機用磁瓦的磁性能及表面磁通密度要求，同時設計了磁瓦的特殊磨加工和分檢的控制方法，解決了磁瓦在轉子裝配注塑脫膠的問題，提高了電機運行的穩定性。

關鍵詞:磁瓦模具磨加工分檢注塑鐵氧體

中圖分類號:TM303文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0015-02

1 引言

隨著技術的發展和社會對能源效率要求的日益提高，以變頻空調器、變頻冰箱、變頻洗衣機為代表的變頻家用電器逐步進入我國消費市場。而且變頻家用電器正在由“交流變頻”向俗稱的“直流變頻”轉變，已是明顯的發展趨勢。這種轉變實際上就是變頻家電用變頻空調壓縮機、變頻冰箱壓縮機、空調用室內外風機、空氣清新換氣扇、變頻洗衣機所用的電動機，過去是單相異步電動機或 VVVF變頻器供電的異步電動機，現已被永磁無刷直流電動機及其控制器所取代。這種由“交流變頻”向“直流變頻”的轉變使變頻家用電器在節能高效、低噪聲、舒適性、智能化等方面都有新的提高。

目前，我國政府大力提倡節能措施，并著重推薦了變頻節能技術。變頻洗衣機是采用變頻電機的洗衣機，它的主要作用在于實現了洗衣速度調節。變頻洗衣機的特點是:一是運行平穩:變頻洗衣機實現了洗衣機帶負載平緩起動，加速及平緩減速剎車，克服了普通洗衣機硬起動的缺點，既減少了起動沖擊電波，又避免了沖擊載荷對洗衣機的影響，減少了振動、噪音，延長了洗衣機使用壽命。二是安全可靠:變頻洗衣機采用軟件、硬件結合進行安全保護;發生異常情況時及時報警，保證系統安全、可靠運轉。交流變頻洗衣機則工藝簡單，調速范圍窄，效率比直流變頻洗衣機低，同時其轉速隨載荷波動大。與交流變頻洗衣機相比，直流變頻洗衣機具有如下優點:效能高、噪音低、控制精確，是家用電器驅動技術的發展趨勢［1］。

現在，直流變頻洗衣機電機磁瓦的需求量來越大，因此我們公司集中力量開發變頻洗衣機電機磁瓦。本研究工作針對直流變頻洗衣機電機磁瓦對磁性能的要求，與一般電機用磁瓦的特性及功能完全不同，變頻洗衣機電機磁瓦用于轉子使用，而一般電機磁瓦用于定子使用，而且直流變頻洗衣機電機磁瓦與一般電機用磁瓦內外弧表磁特性分布完全不同。本研究工作在解決了直流變頻洗衣機電機磁瓦內外弧表面磁通密度特性技術要求的同時，解決了直流變頻洗衣機電機磁瓦的特殊磨加工和分檢的控制方法及磁瓦在轉子裝配注塑脫膠的問題。

2 直流變頻洗衣機電機磁瓦的性能要求及技術問題

磁瓦是電機的主要組件，濕壓取向永磁鐵氧體磁體因其價格低廉，性能適中，廣泛應用于直流電機等領域［2］。相對于稀土永磁，濕壓取向永磁鐵氧體磁瓦作為轉子用于直流變頻洗衣機電機有著其絕對的價格優勢。

2.1 磁瓦尺寸及性能要求

為顯示出了直流變頻洗衣機電機磁瓦的尺寸。從表1中可以看出直流變頻洗衣機電機磁瓦的性能要求，內弧表面磁通密度:中間(40±7)mT，兩邊(92±10)mT;外弧表面磁通密度中間(113±7)mT，兩邊(69±10)mT。而普通電機用磁瓦的內弧表面磁通密度明顯高于外弧，而且內外弧中間表面磁通密度明顯低于兩邊。這種普通磁瓦作為轉子用于直流變頻洗衣機電機中，因此轉子的運行的穩定性要求較高，高速運行時不能有明顯抖動，否則由于負載較高，電流過大從而產生電機抱死現象。整體電機轉子在有水的工作環境下運行，電機轉子外部在磁瓦充磁后必須注塑密封以保證轉子的使用壽命，因此洗衣機電機磁瓦不允許有任何的內在缺陷，否則轉子的外部塑膠易脫膠而失去絕緣功能。

2.2 目前洗衣機電機磁瓦存在的技術問題

1)內外弧表面磁通密度達不到設計目標，從而導致電機扭矩較小，輸出功率較小，輸入電流過大，轉速較低，導致洗衣機洗滌效果差。2)磨加工尺寸一致性較差，每臺電機使用8片磁瓦，磁瓦單片重量不均，因此洗衣機電機運行抖動較大，噪聲高，電機故障頻繁。3)磁瓦內部缺陷較大，產品充磁充磁過程中產生的內應力將導致洗衣機電機的轉子外部塑膠開裂。

3 直流變頻洗衣機電機磁瓦開發與研究

3.1 模具設計

圖2展示了本研究中我們采用的三種直流變頻洗衣機電機磁瓦的模具設計方案。在表1中反映出內外弧中間和兩邊的表面磁通密度分布特征，用常規模具生產的磁瓦內弧表面磁通密度高，外弧表面磁通密度低。因此我們采用圖2中模具設計方案1的磁路設計［3，4］，采用反壓的設計結構，將吸水板的弧度按照內弧弧度來設計，凸模和凹模按照外弧弧度來設計，通過這種設計結構提高外弧中間表面磁通密度，降低內弧中間表面磁通密度，詳細的實驗數據中，方案1的實驗數據表明，外弧中間表面磁通密度雖然高于內弧中間表面磁通密度，但外弧中間表面磁通密度并未達到直流變頻洗衣機電機磁瓦的的性能要求而外弧兩邊表面磁通密度卻超出了直流變頻洗衣機電機磁瓦的的性能要求，同時內弧中間表面磁通密度也超過了直流變頻洗衣機電機磁瓦的的性能要求。因此我們對方案1的模具設計重新做了些調整，在凸模的不銹鋼的鑲層厚度方面采用中間薄兩邊厚的方式，將原有兩側的磁力線更集中在外弧中間區域以增大外弧中間表面磁通密度并降低了兩側的表面磁通密度，而在吸水板的中間區域也采用不銹鋼的鑲層，使得中間磁力線向兩側分散，而通過內弧中間區域磁力線較少，通過內弧兩側磁力線較多，詳細的實驗數據如表2所示。

盡管，從表2中顯示的圖2中模具設計方案2的實驗數據，我們看出內外弧的中間及兩側區域的表面磁通密度達到直流變頻洗衣機電機磁瓦的的性能要求。但是，磁瓦內弧表面由于磁路的變化較大，磁瓦在壓制成型過程中產生的內應力沒有較好的緩解，這導致在磁瓦內弧產生較多的暗裂紋，最終磁瓦成品的合格率較低，無法滿足批量生產的設計要求。因此解決內弧暗裂紋問題是模具設計方案2成功的關鍵。

在后續的實驗過程中，為了解決內弧暗裂紋問題，并在滿足磁瓦內外弧表面磁通密度要求的條件下，由于這種磁瓦的弧度比較小，因此我們經過反復研究最后確定了圖2中模具設計方案3的設計結構。根據模具設計方案3的設計加工的模具，裝在永磁鐵氧體濕壓成型壓機后，壓制出來的方形毛坯，在壓制成型過程中，方形毛坯的上面的面具有倒角，燒制后，將方形毛坯具有倒角的面磨加工成磁瓦的內弧，而相對應的面磨加工成磁瓦的外弧。這樣生產出來的磁瓦具有模具設計方案1和模具設計方案2生產出來的磁瓦的反壓優勢。因此由模具設計方案3生產出來的磁瓦，不但保證磁瓦內外弧表面磁通密度滿足了直流變頻洗衣機電機磁瓦的的性能要求，而且大幅度提高了磁瓦產品合格率，詳細的實驗數據如表2所示。

3.2 磨加工方法

為了保證產品尺寸的控制一致性，確保關鍵尺寸的工序來控制過程能力指數CPK值，我們在設備選型過程選用雙工位磨床等設備(臨界機器能力指數CMK＞1.33)的加工制造設備。

3.3 分檢控制

為了能夠提高磁瓦產品的尺寸一致性從而降低磁瓦在電機中的運轉抖動和噪聲高，我們不僅在原料入庫、球磨、成型、燒結工序中控制產品的一致性，同時為了控制磁瓦單片重量不均，我們在分檢工序中增加一道配重環節，每片磁瓦稱重，相同重量的產品放在一個包裝盒內，確保每一盒產品的重量不能超過0.2g。

3.4 注塑控制

由于采用模具設計方案3設計的模具解決了內弧由于特殊的磁力線而產生的暗裂紋問題，因此磁瓦在電機裝配注塑強度較好，此外優化轉子注塑成型脫模用的頂針數量與位置，解決了產品充磁后注塑時脫膠開裂的問題。

3.5 裝機實驗

本研究開發的磁瓦裝配好的電機已通過日本客戶的裝機實驗，加入負載后轉子運轉平穩，基本消除電機的抖動現象，轉速達到設計目標，輸出功率符合要求，整機噪音降低，電機裝配注塑工序的脫膠開裂的缺陷徹底解決。

4 結論

1)通過對模具及磁路設計，改變原有模具的結構及磁路的鑲嵌方式，提高了磁瓦外弧的表面磁通密度，優化了磁瓦表面磁場特性分布，滿足了直流變頻洗衣機用磁瓦的磁性能及表面磁通密度要求。2)設計了直流變頻洗衣機用磁瓦的特殊磨加工和分檢的控制方法。3)解決了磁瓦在轉子裝配注塑脫膠的問題，提高了電機運行的穩定性。4)直流變頻洗衣機用磁瓦裝配好的電機已通過日本客戶的裝機實驗，滿足客戶要求。

參考文獻

[1]張世遠.磁性材料基礎[M].北京:科學出版社，1988．

[2]王會宗.磁性材料及其應用[M].北京:國防工業出版社，1989．

[3]屈華昌.塑料成型工藝與模具設計[M].北京:機械工業出版社，2007.

[4]攀喜平.永磁鐵氧體磁瓦模具制造技術[J].模具制造，2008.