稀土永磁直流电动机的加工工艺研究

【摘 要】 稀土永磁直流电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。本文对其特殊材料进行了说明，包括电机的制造工艺，工艺方案的评价，并作了其工艺性分析。

【关键词】 稀土永磁直流电机 制造工艺 工艺方案

永磁电机和磁滞电机是驱动微电机中的两个重要分支。永磁体和磁滞材料铁心的制造工艺与普通电磁式电机的铁心制造截然不同。

永磁体制造常用的永磁材料有铸造铝镍钴系、粉末烧结铝镍钴系、铁氧体和稀土钴等几类。其中除稀土钴永磁材料只有各向异性系列外，其余各类材料均有各向同性与各向异性系列之分。铸造铝镍钴系永磁材料用铸造法制成。其剩磁较大，磁感应温度系数很小，居里温度高，其矫顽力和最大磁能积可达到中等以上水平，组织结构稳定，是电机工业中较早使用的一种永磁材料。粉末烧结铝镍钴系永磁材料是用粉末冶金方法制成的，不产生铸造缺陷。其合金组成和热处理工艺与铸造铝锌钴系永磁材料相同，但磁性能略低，宜作体积小或要求工作磁通均匀分布的永磁体。这种永磁体表面光滑，不需要磨削加工，密度小，原料消耗少。铁氧体永磁材料的矫顽力较高。回复磁导率较小，密度小，电阻率大，其最大磁能积不大，但最大回复磁能积却较大。其缺点是剩磁较低，磁感应温度系数较高。常用于永磁点火电机及其他小功率的永磁电机。稀土永磁材料中已成批生产的是稀土钴永磁材料。稀土钴永磁材料是由部分稀土金属和钴形成的一种金属同化合物。主要有RCo5和R2Co17等，其中R表示稀土元素。常用的一类稀土钴永磁材料有衫钴（SmCo5）、镨钻（PrCo5）、钐镨钴（SmPrCo5）等，其磁能积达到80～196kJ/m3。另一类为混合稀土钴，如Sm2（CoCuFeZr）17等，其磁能祝达到196～240kJ/m3。稀土钴磁材料的剩磁、矫顽力和最大磁能积都有很高的数值，去磁曲线为线性，回复直线与去磁曲线基本重台，不怕去磁。但钴矿源不足，价格昂贵。近来，国内外己研制出不含钻的钕铁永磁材料。这种无钴稀土永磁合金的磁性能更高，磁能积可达320kJ/m3，甚至更高。剩磁达到1.3T，矫顽力大于640kA/m，机械性能也比稀土钴永磁材料好，其成本低于稀土钴和铝镍钴材料只是目前允许使用的温度较低。其中常用的有钕铁硼等稀土永磁材料。稀土永磁材料的缺点，是居里温度较低，磁感应温度系数较大，不宜在200。以上工作。

1 电机工艺规程的制订原则

电机的制造过程一般包括生产准备（如原材料的运输和保管等）、毛坯制造、机械加工、铁心制造、绕组制造、装配、检试、油漆和包装等几个过程。对工艺规程的基本要求是，在一定的条件下，以最少的劳动消耗和最低的费用，按照规定的进度可靠地制造出合格的零件、部件和产品。为此，制订工艺规程时，应遵循以下几个原则：

技术上先进。工艺规程应能全面满足产品图样的技术要求，保证产品质量稳定可靠。在选择加工方案和加工方法时，要采用正确的工序安排和适当的工艺装备，以达到规定的技术要求。一般不宜过份依赖工作者的技术水平，从而使工艺规程具有技术先进性。

经济上合理。要用最经济的手段达到图样所规定的技术要求。要从本厂现有的生产条件出发，制订符合生产实际的工艺规程。不可盲目追求贵重的专用机床和专用工艺装备，以免造成浪费。

劳动条件安全和良好。制订工艺规程时，应特别注意技术安全和改善劳动条件，不能采用损害工作人员健康或加大劳动强度的工艺方法，去猎取经济效果和达到技术要求。

2 工艺方案的经济评价

在制订零件加工的工艺规程时，一般可拟定出几个不同的方案，都能满足零件加工的质量要求，但是它们的经济性可能不相同，因此要进行工艺方案的经济评价，从中选择一个符合生产规模的最佳方案。工艺方案的经济分析就是分析计算各种方案的工艺费用。在一定的生产规模下，工艺费用最少的工艺方案就是最佳方案。为便于进行经济分析，常将零件加工的工艺费用分为两类，即可变费用与不变费用。可变费用是与年产量成正比的费用，用V表示。它包括材料费、工人的工资、通用机床与通用夹具的折旧费和维修费、以及刀具费等。不变费用是与年产量无直接关系的费用，用C表示。它包括专用机床调整工人的工资、专用机床的折旧费和维修费、专用夹具的设计制造费和维修费等。对两种工艺方案进行经济评价时，一般分为两种情况：（1）两种工艺方案的基本投资相近，或在现在设备条件下，工艺费用即可作为衡量两种工艺方案经济性的依据。假设两种工艺方案全年工艺费用分别为：

Sy1=V1*N+C1

Sy2=V2*N+C2

两种工艺方案全年工艺费用与年产量的关系，如图1所示。

由两直线的交点C便可确定两种工艺方案在全年工艺费用相条件下的年产量Nc。若假设上述两种工艺方案全年工艺费用相等，即Sy1= Sy2，则可由解析法求出年产量Nc，其值为由图可看出：① 各工艺方案的优劣与零件的年产量有密切关系。②当年产量为Nc时，两种工艺方案的工艺费用相等。③当年产量小于Nc时，第一种工艺方案比较经济。④当年产量大于Nc时，第二种工艺方案比较经济。（2）两种工艺方案的基本投资相差较大时。假设第一种工艺方案采用生产效率较高、价格较贵的机床和工艺装备，其基本投资额K1大，而工艺费用Sy1则较低；第二种工艺方案采用生产效率较低、价格较便宜的机床和工艺装备，其基本投资而额K2小，而工艺费用Sy2则较高。就是说，这时工艺费用的降低是由于增加基本投资而获得的。在这种情况下，单纯比较工艺费用显然是不合理的，必须同时考虑两种方案基本投资差额的回收期限。回收期限是指第一种方案多花费的投资由工艺费用降低收回所需的时间。回收期限可用下式计算

τ=（K 1-K2）/（S y2-Sy1）= K/Sy

式中 τ—回收期限（年）；

K—基本投资差额（元）；

Sy—全年工艺费用差额（元/年）；

回收期限愈短，则经济性愈好。当回收期限小于所用机床或工艺费用的使用年限且小于国家规定的标准回收期限时，第一种工艺方案才是比较经济的。新夹具的标准回收期限为2～3年，新机床的标准回收期限为4～6年。

3 工艺性分析，电枢工艺流程如下

（1）电枢嵌线并头。①先将线圈下层边下到槽底，再用划线板将上层边划入槽内。②嵌入槽中的导线和线圈端部都应该排列整齐，无严重交叉，以防止槽满率降低，下线困难及导线之间绝缘击穿。③ 线圈出现头的极性和头尾应正确无误。④嵌线时，在层间和端部也注意各相绕组之间线圈的布置对称性。⑤须将选配好的线圈组按照绕组展开图的要求依次将线圈下到各槽中。⑥将每槽中的线圈分为三个虚槽，每四个导体数相并接。

（2）绕组扎绑。嵌线后，其端部需要绑扎紧固，采用耐高温的高强度无纬带绑扎。

（3）焊接（搪锡）。电枢绕组与换向片间的锡焊在搪锡中进行。

（4）车锡堆。

（5）检验。①短路：嵌线后用感应电压法检查有无匝间短路，利用其波形比较法来判断。②电压降：将电枢绕组通电，然后用电压表依次测量相邻的换向片电压值，看测得的电压值是否相差不多，来证明其焊接处是否存在焊接问题（如虚焊、夹杂等）。③耐压：在工频交流1700V，维持1分钟高压试验，看是否击穿。

（6）浸漆。①预热②浸渍③烘干④浸渍处理的质量检查⑤涂覆盖漆⑥最后烘干。

（7）车换向器、电枢外圆。

（8）磨外圆、轴颈。

（9）下刻云母片：为了防止产生环火现象、减小电刷磨损，需要下刻云母片，深刻约1.5倍的云母片厚度，并适当倒角。

（10）动平衡。

（11）喷漆：用红氧化铁漆喷于电枢铁心端部和表面，以防止其生锈。

（12）垫压轴承。

（13）精车换向器。

（14）换向器的清理、去毛刺：用细永磨砂纸打磨。

（15）换向器抛光。

（16）检验：①短路：检查精车换向器外圆后，在云母槽和退刀槽中是否留有铜屑；下刻和倒角后，云母槽中的铜屑是否清除干净；是否有残留的焊锡在片中。②外表：塑料表面应有光泽，无裂痕、聚胶、气泡、疏松和缺料等缺陷。切削加工表面上应涂有绝缘漆。③绝缘电阻：在涂漆烘干后，换向器温度为130℃时，测量换向器对地的绝缘电阻，其值应不低于20MΩ。④耐压试验：对金属套管的塑料换向器，在压入转轴后进行对地面耐压试验。⑤机械强度检查：超速试验、低温试验。

提高工艺制造水平，工艺人员除应熟悉已有的工艺方法外，还应注意新结构、新材料、新技术、新工艺的研究和推广，努力提高工厂的技术水平，以便进一步提高产品质量、提高劳动生产率和降低生产成本。