高速永磁电机制造工艺特点及相关技术

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高速永磁电机制造工艺特点及相关技术

与传统的电机相比，永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高等优点，因此在高速机床[1]、鼓风机[2]、压缩机[3]、透平式膨胀机[4]、微型燃气轮机[5]等领域具有广阔的应用前景，其涵盖了各种功率等级的场合，已成为当前国内外电机领域的一个研究热点。高速永磁电机的制造仍然遵循基本的电机工艺，但随着永磁电机往大容量、高速集成化方向发展，其带来的一系列问题需要进行深入研究。一方面高速永磁电机的转子强度、转子支承是制造的难点之一，其导致振动噪声问题突出；另一方面高速永磁电机的功率密度大，定、转子温升高为电机的绝缘提出了挑战。
国内的沈阳工业大学[6]、哈尔滨理工大学[7] [8]、哈尔滨工业大学[9]、北京交通大学[10]等科研院所以及国外的一些科研机构[11] [12]对高速永磁电机设计与分析技术等进行了深入研究，但鲜有从制造工艺的角度研究振动噪声及绝缘问题的报道。
高速永磁电机振动噪声受转子装配质量的影响较大。按照永磁体安装方式，永磁电机转子可分为内嵌式和表贴式两种类型。内嵌式结构的转子冲片中设置有磁钢槽，磁钢装在槽内[13] [14] [15]，受冲片材质强度限制，电机转速不高，主要用于低速电动机。表贴式永磁电机的转子磁路的永磁体，通常采用瓦片状磁钢结构[16]。为防止高速线速度下磁钢不至脱开转轴或产生松动导致电机振动噪声大，需对磁钢进行固定。瓦片状磁钢的固定方式主要有螺钉、粘结剂粘结、无纬带绑扎、转子磁钢套、燕尾槽、极间压条、以及转子端板固定等[17]，上述固定工艺各有利弊，需针对性的进行分析和改进。
高速永磁电机振动噪声受电机机械结构加工精度的而影响较大[18]。电机机械结构包括定子、转子、轴承、机座等。一方面，当由于加工精度较差导致定转子间气隙不均匀，引起单边磁拉力导致电机高速运行时的振动恶化。以端盖式滑动轴承座为例，影响电机气隙均匀度的因素包括：定子铁心内圆对定子两端止口公共基准的径向圆跳动、转子铁心外圆对两端轴承档公共基准轴线的径向圆跳动、端盖轴承孔对止口基准轴线的径向圆跳动、轴承内圈对外圈的径向圆跳动、机壳两端止口端面对两端面止口公共基准轴线的端面圆跳动(即垂直度)。另一方面，当由于加工精度较差导致转子质量不对称时，转子剩余不平衡量大，引起离心力导致电机高速运行时的振动恶化。影响转子质量不对称的因素有转轴加、磁钢和护套的加工精度，以及磁钢装配精度。对此，需从定子冲片及叠压、机座及止口加工[19] [20]、定子铁心套入机座、转子加工及动平衡[21]、轴承加工等方面，对高速永磁电机机械结构加工工艺进行分析和改进。
定子耐高温、耐高压是高速永磁电机绝缘的重中之重，要求绝缘材料具备较高的抗电晕性和耐瞬间高电压冲击，为此需不断提高绝缘等级，目前国内永磁电机绝缘等级大多为 E 级和 B 级，并逐步向 F 级和 H 级发展[22]。永磁电机定子绝缘工艺主要包括电机冲片绝缘、绕组嵌线以及绕组绝缘。