一种改善磁瓦波形结构的模具设计方法

陈婉琼

摘要： 随着国际技术交流、技术合作的不断扩展，我国磁性产品在生产工艺、技术水平、工装设备上逐步与国际最高水平缩小差距。磁瓦模具设计形状与产品的性能有着举足轻重的关系，影响着由磁性产品为主要部件的直流电机的噪音、震动和使用寿命。本文着重介绍了如何在湿式成型模具设计中巧妙应用不导磁材料，改变模具加工形状，控制磁性材料产品的充磁取向，以达到降低电机运行时的震动和噪音，延长电机使用寿命的目的。

Abstract： With the continuous expansion of international technical exchanges and technical cooperation， China's magnetic products have gradually narrowed the gap with the highest international level in terms of production technology， technical level， and tooling equipment. The design shape of the magnet tile mold has a pivotal relationship with the performance of the product， which affects the noise， vibration and service life of the DC motor whose main component is magnetic products. This article focuses on how to cleverly apply non-magnetic materials in the design of wet forming molds， change the shape of the mold， and control the magnetization orientation of the magnetic material products to achieve the purpose of reducing the vibration and noise of the motor during operation and prolonging the service life of the motor.

關键词： 模具形状;噪音;磁力线

Key words： mold shape;noise;magnetic lines of force

中图分类号：TM277+.5           文献标识码：A              文章编号：1674-957X（2021）17-0078-03

0  引言

随着国际技术交流、技术合作的不断扩展，流行电机的变频技术，直流电机可以大幅度降低能耗和电器运行中的噪音，磁性材料产品充磁后的表磁分布——我们称之为磁瓦的波形，是影响电流电机噪音和震动大小的重要因素，而磁瓦的波形由成型时模具里取向磁场的方向决定的，因此湿式模具结构设计非常关键。

1  提出问题

单位接到一款磁瓦订单需求，但是送过多次样品，都没有达到客户要求，随着转产日期的临近，客户要求交货的需求非常强烈。磁瓦不能达到客户要求主要是体现在电机噪音和震动问题。

2  原因分析

通过与国外同类型电机磁瓦的材料性能与波形对比，我们发现我们磁瓦的材料性能与国外的基本相同，波形上却有较大差异，本单位磁瓦波形基本上是矩形形状，国外的是正弦波形状;由波形图我们可以模拟出两种磁瓦的磁力线分布，见图1和图2。

图1的磁瓦磁力线走向基本上是平行Y轴线的方向，中间部位磁力线与转子表面垂直，磁场利用率高，但是两铡磁力线方向与转子表面形成一定的夹角，磁性能的利用率明显下降，导致了电机反电动势的下降。图2的磁力线走向是集中到圆心的放射状方向，中间及两侧与转子表面相垂直，磁瓦磁性能的利用率达到最大化，因此电机的反电动势也就相应会提高，这就是为什么我们磁瓦与国外同类型磁瓦在材料性能和外形尺寸基本相同的情况下，反电动势比别人低的主要原因。另一方面，由于矩形波磁瓦的两边磁场较强，转子在通过两片磁瓦间隙时所受到的扭力瞬间有一个较大的由强→零→强的突变，所以容易产生转子的震动，转子在高速转动时就会产生严重的噪音;而正弦波磁瓦的两边磁场较弱，转子在通过两片磁瓦的间隙时所受到的扭力较小，基本上能有一个较为平缓的过渡，这就是国外磁瓦比我们的装配成电机时噪音较小的主要原因。

3  措施与对策

在制定对策之前，先要解释一下，为什么我们的磁瓦表磁分布会是矩形的形状？湿法磁场成型是将二次球磨后的料浆置于模具中，在加压力成型的同时施加一定方向（垂直或平行于压力方向）的强磁场，使单畴颗粒作定向排列，同时用真空泵抽水，通过上模板的钻孔将水排出，当压制压力达到一定程度时，料浆就会粘结在一起被固化成模具设计的形状，而单畴颗粒亦不能再作转动，磁瓦的磁场方向也就相当于模具成型腔中的外加磁场方向。

图3是我们传统湿式磁瓦生产的模具示意图，图中简单的画出了成型过程中模具内外加磁场的磁路走向，即由机台下底座10→模具底座5→中心轴9→下模冲底板8→下模冲7→产品6→上模板2→机台上底座1，最后通过机台的四根导柱形成一个封闭的回路。其中料腔4和型腔板3是采用无磁钢材料制作，起磁场屏蔽作用，以保证线圈产生的外加磁场能最大限度的作用在产品上，提高产品的取向度。根据磁电相通的原理，电路中电流是沿着电阻小的方向流动，同样地，磁场也会是沿着磁阻比较小的方向构成回路。传统的模具结构中，由于产品在模具中的左、中、右三个方向的磁阻比较接近，因此，磁瓦的波形就是一个矩形形状，多个磁瓦组成电机，电机的波形就是一个矩形波。

为了达到国外同类型磁瓦的磁力线分布呈放射状的目的，我们需要对模具的形状进行设计，最有效的部位就是磁瓦的上、下两个面的接触部位，即上模板和下模冲部件。

3.1 上模板  如图4所示，我们在原来上模板的成型位置正上方挖一梯形的空穴，然后用不導磁性材料焊接、填满挖出来的梯形空穴，梯形尺寸的设计是按照成型部位中间磁阻大、两边磁阻小，兼顾由大向小转变时不要形成突变的原则，以避免磁瓦外观由于突变磁场引起的外观不良。这样由于成型位置上方中间磁阻大、两边磁阻小，外加磁场的走向被迫由原来的平行状走向改变成向两边发散的放射状，在这样的外加磁场作用下，成型后的磁瓦的磁场方向也就变成了放射状的形状，由于之前原因分析中我们知道，这种磁场形状的磁瓦对于电机反电动势的提高有相当的作用。

3.2 下模冲  在改变上模板结构的基础上，我们对下模冲也作出了如图5的改变。图5中主要针对下模冲的不导磁材料结构作出改变，原来下模冲不导磁性材料是平行成型R位的结构，主要目的是将外加磁场的突变由成型产品位置改变到不导磁性材料中来，改善磁瓦外观。现阶段我们在这基础上将不导磁性材料由平行成型R位状，改变成一个类似字母“C”的形状，使得成型位置中间的磁阻小、两边磁阻大，这样，成型位置中间的外加磁场就高，两边的磁场低，根据我们在原因分析中讲到的，磁瓦表磁分布中，两边磁场越低，其对电机转动时造成的震动越小，电机的谐波就越小。

改进后磁瓦电机的反电动势达到了99.4V，符合客户99±4V的标准，但是电机的5次谐波为2.5～2.7%之间，距离≤2.3%的要求还有一定差距，这说明我们改进后磁瓦的波形波峰还不够尖，也就是模具成型腔内外加磁场的偏转力度还不够，再通过增加上模板不导磁材料中间的厚度难度比较大，毕竟焊接层越厚，加工过程发热就越多，上模板的变形就越大，而下模冲由于其在模具结构中所处位置是在取向磁场线圈的中部，其对外加磁场的走向影响较小，一下子，改善计划陷入了一个瓶颈的状态，就差一点点了。其实我们在日常生活当中经常遇到这样的情况：在正常途径下很难增加外加推力的时候，我们逆向思维一下，不能增加推力，我们还可以减少阻力，同样达到推动物体的目的，这就是本文要介绍的改进步骤3.3。

3.3 型腔板  如图6所示，我们对不导磁材料的型腔板成型R位两边镶嵌上导磁性材料的插条，由于导磁材料插条靠近成型位置，左右两边的磁阻减小，型腔内的外加取向磁场会沿着两边偏转，形成型腔内磁场呈放射状的走向，与改进步骤3.1的作用近似。三种改进过后磁瓦的表磁分布如表1所示：改变后磁瓦的电机反电动势和5次谐振波与原来磁瓦和国外同类型磁瓦的数据对比，见表2。

4  效果与分析

由表1及表2数据我们发现，改变后磁瓦的9点表磁数据中，中间部位的磁值比原来提高了约6.0%，两边部位的磁值比原来降低了37.4%，电机的反电动势提高了4.4%，谐波降低了66.3%，这就说明了电机的反电动势和谐波与磁瓦的表磁分布（亦即波形）有很大关系，中间表磁大，两边表磁小的正弦波对于提高电机的反电动势和降低电机谐波有积极作用，而且中间表磁越大，两边表磁越小，即正弦波峰越尖，电机的反电动势就越大、谐波越小。结果完全符合客户要求，产品也已经进入量产阶段，月产量达2万片左右，预计下一年将迎来井喷的生产期。

5  结论

磁瓦的表磁分布由成型时的外加取向磁场的方向决定，而外加取向磁场的方向由模具形状决定。通过对磁瓦模具形状的设计：模具的上模板、下模冲和型腔板结构。生产出的磁瓦表磁分布越来越接近正弦分布，尖峰越高，其反电动势越大、5次谐波越小。因此，改变模具形状对于改善直流电机的反电动势和5次谐波，显得犹为有效，同时也满足了客户对电机的噪音和震动要求。

6  结束语

本模具设计思路的改善效果显著，但是过程几经曲折，一度还处在迷惘的边缘，幸好有企业领导和同事们的大力支持和鼓励，特别是客户领导在挫折过程中亲自到公司参与分析原因，采用头脑风暴法，积极配合样机的测试及相关的评估工作。

参考文献：

[1]机械设计手册.

[2]磁性材料及器件.

[3]关键工艺技术资讯.

[4]先进成形制造实用技术.