永磁同步电机卧装轴向磁拉力的计算及平衡措施

, ,

(中车永济电机有限公司，山西永济044502)

0 引言

永磁同步电机的总装配一直是个工艺难点。装有磁钢的转子吸附力极强，定转子气隙较小，装配时因定、转子偏心产生极大的径向单边磁拉力而发生碰撞，严重时导致定、转子吸附在一起难以分开，甚至报废，容易造成人身伤害[1]。永磁同步电机的总装配方案主要有立式装配、卧式装配两种方案。立式装配使用专用的工装保证定子、转子的同轴度，利用转子的自重使定子、转子铁心轴向最终对齐。卧式装配有两种方案：方案一是使用类似镗床改制的非标永磁电机总装机，将转子连接延长工艺轴安装于主轴顶尖和尾座顶尖之间，定子安装于总装机滑台上，移动滑台，使定子、转子铁心轴向对齐来完成装配。方案二是将定子固定于安装平台上，使用专用工装保证定子、转子的同轴度，转子两端轴向不固定，通过轴向推进转子使定子、转子铁心轴向对齐。卧式装配方案二具有明显的优势：一方面避免了立式装配时定子、转子及整机繁琐翻转工艺的过程以及翻转过程中的安全隐患等缺点；另一方面解决了卧式装配方案一中顶尖之间支撑的跨度大，大功率永磁电机装配时转轴和延长工艺轴变形大，容易导致定、转子吸附在一起，导致装配失败的问题。但卧式装配方案二中，由于转子轴向不固定，装配时必须考虑永磁电机的轴向磁拉力，否则容易出现装配时转子轴向窜动，轻者造成定、转子轴向碰撞，严重时还可能产生装配人员的人身伤害。因此，研究轴向磁力对大功率永磁同步电机的卧式装配具有十分重要的意义。

1 轴向磁拉力的机理

根据麦克斯韦定理，作用在被磁化铁磁物体上的电磁力，其大小与磁力线穿过磁极的总面积及气隙中磁感应强度的平方成正比[2]。如果磁感应强度沿磁极表面均匀分布，则磁拉力基本公式为

(1)

式中，F—磁拉力(N)；Bg—气隙磁感应强度(T)；S—气隙面积(m2)；μ0—空气磁导率(4π×10-7H/m)。

当电机定子、转子建立气隙磁场后，定子、转子间便产生磁拉力。正常情况下，电机的定子、转子铁心对齐，磁拉力作用于径向且相互平衡，不会产生轴向磁拉力。但是在永磁同步电机总装配过程中，当定、转子未完全对齐时，定、转子之间的端部的磁力线与正常情况相比相当于被拉长，由于磁力线的通行路径优先选择磁阻最小的路径，而通过气隙的距离越短，磁阻越小，当磁力线试图以最短的距离通过气隙时，就产生了轴向磁力分量，即轴向磁拉力。

2 轴向磁拉力的计算

工程计算中，异步电机采用磁化电流值和铁心的有效长度来计算轴向磁拉力，同时考虑磁力的饱和效应和气隙的边际效应，对其进行一定的修正。轴向磁拉力的实用计算公式如下[2]

(2)

图1 有效铁心长度对轴向位移的变化率

但该公式不适应于永磁同步电机轴向磁拉力的计算，需要将式(2)中的E、Im用永磁同步电机已知的参数替代才便于计算。下面对永磁同步电机总装配的轴向磁拉力计算公式进行推导，根据文献[3]，可知相关参数的关系如下

(3)

AT=ATt1+ATt2+ATc2+ATc2+ATg

(4)

ATg=0.8Bgg

(5)

E=2.22fZφ1Kdp1Φ

(6)

(7)

Sg=τpL

(8)

(9)

为方便及简化计算，认为相电压与感应电动势相等，定子铁心不饱和，取

AT=1.3ATg

(10)

(11)

式中，AT—总安匝；p—极数；m—相数；Zφ1Kdp1—每相有效串联导体数；Bg—气隙磁密(T)；g—气隙长度(mm)；Φ—每极磁通(Wb)。

将式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)、式(11)代入式(2)中，且为简化计算将实际铁心长度与有效铁心长度认为相等，得出适用于永磁同步电机轴向磁拉力的计算公式

(12)

式中，Fa—轴向磁拉力(N)；Bg—气隙磁密(T)；g—气隙长度(mm)；D—定子内径(mm)，为有效的铁心长度对轴向位移的变化率(见图1)，由以上计算可知，永磁同步电机装配时的轴向磁拉力与气隙磁密的二次方、气隙长度、定子内径成正比。因此对于低速永磁同步电机(呈扁平状)，装配时其轴向磁拉力非常大。

3 轴向磁拉力测量验证

为了验算式(12)的正确性，本文对某型号永磁同步电机装配过程中的最大轴向磁力进行了测量计算。该电机主要参数及与轴向磁拉力计算相关的结构参数见表1。

表1 主要性能及结构参数

根据表1可知，气隙长度g=3.5mm，气隙磁密Bg=0.833T，定子内径D=1620mm。

=0.08125×0.833×0.833×3.5×1620×0.95

=3036.8N

由计算结果可知该电机装配过程中最大轴向磁拉力已经达3036.8N，装配时必须采取措施平衡永磁电机的轴向磁拉力，否则容易出现装配时转子轴向窜动，造成定、转子轴向碰撞。本文中的电机装配时采用卧装方案，使用两个M30螺栓平衡装配时的轴向磁拉力，如图2所示。

图2 电机卧装轴向磁拉力平衡

装配时使用力矩扳手测量转动1个M30螺栓所用的力矩约为110 N·m。按下式可以计算出螺栓在该力矩下的轴向力。

(13)

式中，T—螺栓力矩( N·mm)；K—拧紧力矩系数，取0.2；d—螺栓公称直径(mm)；Fa1—螺栓轴向力(N)。

可计算出轴向力为

从上面分析可以看出，理论计算值于实际的测量值很接近。说明理论计算是可行的，理论计算的公式对工程应用具有一定的参考价值。

4 轴向磁拉力的平衡

永磁同步电机卧装时，特别是大功率永磁电机装配时，其轴向磁拉力非常大。装配时必须采取措施平衡永磁电机的轴向磁拉力，否则容易出现装配时转子轴向窜动，造成定、转子轴向碰撞，严重时还可能造成装配人员的人身伤害。采用类似镗床改制的非标永磁电机总装机进行卧装时，由于转子连接延长工艺轴后安装于主轴顶尖和尾座顶尖之间，定子安装于滑台上，转子无法轴向移动，采用转动与滑台连接的丝杠来移动定子，使定子、转子轴向对齐来完成装配。装配过程中的轴向磁拉力由与滑台连接的丝杠来平衡。采用电机定子与安装平台连接，转子可以轴向移动的卧装方案时，转子必须与丝杠连接，用丝杠来平衡轴向磁拉力，或者在电机端盖上增加工艺螺孔，利用长螺杆来平衡轴向磁拉力。

5 结语

永磁同步电机装配时的最大轴向磁拉力与气隙长度、定子内径成正比。电机装配时的轴向磁拉力非常大，特别是在转子轴向不固定的装配方案中，装配时必须考虑永磁电机的轴向磁拉力，否则容易出现装配时转子轴向窜动，造成定、转子轴向碰撞，严重时还可能造成装配人员的人身伤害。所以在电机生产制造过程中，对其应予以充分关注。