永磁同步電機(jī)臥裝軸向磁拉力的計(jì)算及平衡措施

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(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì)044502)

0 引言

永磁同步電機(jī)的總裝配一直是個(gè)工藝難點(diǎn)。裝有磁鋼的轉(zhuǎn)子吸附力極強(qiáng)，定轉(zhuǎn)子氣隙較小，裝配時(shí)因定、轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生極大的徑向單邊磁拉力而發(fā)生碰撞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子吸附在一起難以分開，甚至報(bào)廢，容易造成人身傷害[1]。永磁同步電機(jī)的總裝配方案主要有立式裝配、臥式裝配兩種方案。立式裝配使用專用的工裝保證定子、轉(zhuǎn)子的同軸度，利用轉(zhuǎn)子的自重使定子、轉(zhuǎn)子鐵心軸向最終對(duì)齊。臥式裝配有兩種方案：方案一是使用類似鏜床改制的非標(biāo)永磁電機(jī)總裝機(jī)，將轉(zhuǎn)子連接延長工藝軸安裝于主軸頂尖和尾座頂尖之間，定子安裝于總裝機(jī)滑臺(tái)上，移動(dòng)滑臺(tái)，使定子、轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)R來完成裝配。方案二是將定子固定于安裝平臺(tái)上，使用專用工裝保證定子、轉(zhuǎn)子的同軸度，轉(zhuǎn)子兩端軸向不固定，通過軸向推進(jìn)轉(zhuǎn)子使定子、轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)R。臥式裝配方案二具有明顯的優(yōu)勢(shì)：一方面避免了立式裝配時(shí)定子、轉(zhuǎn)子及整機(jī)繁瑣翻轉(zhuǎn)工藝的過程以及翻轉(zhuǎn)過程中的安全隱患等缺點(diǎn)；另一方面解決了臥式裝配方案一中頂尖之間支撐的跨度大，大功率永磁電機(jī)裝配時(shí)轉(zhuǎn)軸和延長工藝軸變形大，容易導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子吸附在一起，導(dǎo)致裝配失敗的問題。但臥式裝配方案二中，由于轉(zhuǎn)子軸向不固定，裝配時(shí)必須考慮永磁電機(jī)的軸向磁拉力，否則容易出現(xiàn)裝配時(shí)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)，輕者造成定、轉(zhuǎn)子軸向碰撞，嚴(yán)重時(shí)還可能產(chǎn)生裝配人員的人身傷害。因此，研究軸向磁力對(duì)大功率永磁同步電機(jī)的臥式裝配具有十分重要的意義。

1 軸向磁拉力的機(jī)理

根據(jù)麥克斯韋定理，作用在被磁化鐵磁物體上的電磁力，其大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比[2]。如果磁感應(yīng)強(qiáng)度沿磁極表面均勻分布，則磁拉力基本公式為

(1)

式中，F(xiàn)—磁拉力(N)；Bg—?dú)庀洞鸥袘?yīng)強(qiáng)度(T)；S—?dú)庀睹娣e(m2)；μ0—空氣磁導(dǎo)率(4π×10-7H/m)。

當(dāng)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子建立氣隙磁場(chǎng)后，定子、轉(zhuǎn)子間便產(chǎn)生磁拉力。正常情況下，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子鐵心對(duì)齊，磁拉力作用于徑向且相互平衡，不會(huì)產(chǎn)生軸向磁拉力。但是在永磁同步電機(jī)總裝配過程中，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子未完全對(duì)齊時(shí)，定、轉(zhuǎn)子之間的端部的磁力線與正常情況相比相當(dāng)于被拉長，由于磁力線的通行路徑優(yōu)先選擇磁阻最小的路徑，而通過氣隙的距離越短，磁阻越小，當(dāng)磁力線試圖以最短的距離通過氣隙時(shí)，就產(chǎn)生了軸向磁力分量，即軸向磁拉力。

2 軸向磁拉力的計(jì)算

工程計(jì)算中，異步電機(jī)采用磁化電流值和鐵心的有效長度來計(jì)算軸向磁拉力，同時(shí)考慮磁力的飽和效應(yīng)和氣隙的邊際效應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行一定的修正。軸向磁拉力的實(shí)用計(jì)算公式如下[2]

(2)

圖1 有效鐵心長度對(duì)軸向位移的變化率

但該公式不適應(yīng)于永磁同步電機(jī)軸向磁拉力的計(jì)算，需要將式(2)中的E、Im用永磁同步電機(jī)已知的參數(shù)替代才便于計(jì)算。下面對(duì)永磁同步電機(jī)總裝配的軸向磁拉力計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，可知相關(guān)參數(shù)的關(guān)系如下

(3)

AT=ATt1+ATt2+ATc2+ATc2+ATg

(4)

ATg=0.8Bgg

(5)

E=2.22fZφ1Kdp1Φ

(6)

(7)

Sg=τpL

(8)

(9)

為方便及簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為相電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，定子鐵心不飽和，取

AT=1.3ATg

(10)

(11)

式中，AT—總安匝；p—極數(shù)；m—相數(shù)；Zφ1Kdp1—每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；Bg—?dú)庀洞琶?T)；g—?dú)庀堕L度(mm)；Φ—每極磁通(Wb)。

將式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)、式(11)代入式(2)中，且為簡(jiǎn)化計(jì)算將實(shí)際鐵心長度與有效鐵心長度認(rèn)為相等，得出適用于永磁同步電機(jī)軸向磁拉力的計(jì)算公式

(12)

式中，F(xiàn)a—軸向磁拉力(N)；Bg—?dú)庀洞琶?T)；g—?dú)庀堕L度(mm)；D—定子內(nèi)徑(mm)，為有效的鐵心長度對(duì)軸向位移的變化率(見圖1)，由以上計(jì)算可知，永磁同步電機(jī)裝配時(shí)的軸向磁拉力與氣隙磁密的二次方、氣隙長度、定子內(nèi)徑成正比。因此對(duì)于低速永磁同步電機(jī)(呈扁平狀)，裝配時(shí)其軸向磁拉力非常大。

3 軸向磁拉力測(cè)量驗(yàn)證

為了驗(yàn)算式(12)的正確性，本文對(duì)某型號(hào)永磁同步電機(jī)裝配過程中的最大軸向磁力進(jìn)行了測(cè)量計(jì)算。該電機(jī)主要參數(shù)及與軸向磁拉力計(jì)算相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 主要性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)表1可知，氣隙長度g=3.5mm，氣隙磁密Bg=0.833T，定子內(nèi)徑D=1620mm。

=0.08125×0.833×0.833×3.5×1620×0.95

=3036.8N

由計(jì)算結(jié)果可知該電機(jī)裝配過程中最大軸向磁拉力已經(jīng)達(dá)3036.8N，裝配時(shí)必須采取措施平衡永磁電機(jī)的軸向磁拉力，否則容易出現(xiàn)裝配時(shí)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)，造成定、轉(zhuǎn)子軸向碰撞。本文中的電機(jī)裝配時(shí)采用臥裝方案，使用兩個(gè)M30螺栓平衡裝配時(shí)的軸向磁拉力，如圖2所示。

圖2 電機(jī)臥裝軸向磁拉力平衡

裝配時(shí)使用力矩扳手測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)M30螺栓所用的力矩約為110 N·m。按下式可以計(jì)算出螺栓在該力矩下的軸向力。

(13)

式中，T—螺栓力矩( N·mm)；K—擰緊力矩系數(shù)，取0.2；d—螺栓公稱直徑(mm)；Fa1—螺栓軸向力(N)。

可計(jì)算出軸向力為

從上面分析可以看出，理論計(jì)算值于實(shí)際的測(cè)量值很接近。說明理論計(jì)算是可行的，理論計(jì)算的公式對(duì)工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

4 軸向磁拉力的平衡

永磁同步電機(jī)臥裝時(shí)，特別是大功率永磁電機(jī)裝配時(shí)，其軸向磁拉力非常大。裝配時(shí)必須采取措施平衡永磁電機(jī)的軸向磁拉力，否則容易出現(xiàn)裝配時(shí)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)，造成定、轉(zhuǎn)子軸向碰撞，嚴(yán)重時(shí)還可能造成裝配人員的人身傷害。采用類似鏜床改制的非標(biāo)永磁電機(jī)總裝機(jī)進(jìn)行臥裝時(shí)，由于轉(zhuǎn)子連接延長工藝軸后安裝于主軸頂尖和尾座頂尖之間，定子安裝于滑臺(tái)上，轉(zhuǎn)子無法軸向移動(dòng)，采用轉(zhuǎn)動(dòng)與滑臺(tái)連接的絲杠來移動(dòng)定子，使定子、轉(zhuǎn)子軸向?qū)R來完成裝配。裝配過程中的軸向磁拉力由與滑臺(tái)連接的絲杠來平衡。采用電機(jī)定子與安裝平臺(tái)連接，轉(zhuǎn)子可以軸向移動(dòng)的臥裝方案時(shí)，轉(zhuǎn)子必須與絲杠連接，用絲杠來平衡軸向磁拉力，或者在電機(jī)端蓋上增加工藝螺孔，利用長螺桿來平衡軸向磁拉力。

5 結(jié)語

永磁同步電機(jī)裝配時(shí)的最大軸向磁拉力與氣隙長度、定子內(nèi)徑成正比。電機(jī)裝配時(shí)的軸向磁拉力非常大，特別是在轉(zhuǎn)子軸向不固定的裝配方案中，裝配時(shí)必須考慮永磁電機(jī)的軸向磁拉力，否則容易出現(xiàn)裝配時(shí)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)，造成定、轉(zhuǎn)子軸向碰撞，嚴(yán)重時(shí)還可能造成裝配人員的人身傷害。所以在電機(jī)生產(chǎn)制造過程中，對(duì)其應(yīng)予以充分關(guān)注。