陳婉瓊

摘要： 隨著國(guó)際技術(shù)交流、技術(shù)合作的不斷擴(kuò)展，我國(guó)磁性產(chǎn)品在生產(chǎn)工藝、技術(shù)水平、工裝設(shè)備上逐步與國(guó)際最高水平縮小差距。磁瓦模具設(shè)計(jì)形狀與產(chǎn)品的性能有著舉足輕重的關(guān)系，影響著由磁性產(chǎn)品為主要部件的直流電機(jī)的噪音、震動(dòng)和使用壽命。本文著重介紹了如何在濕式成型模具設(shè)計(jì)中巧妙應(yīng)用不導(dǎo)磁材料，改變模具加工形狀，控制磁性材料產(chǎn)品的充磁取向，以達(dá)到降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)和噪音，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命的目的。

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(guān)鍵詞： 模具形狀;噪音;磁力線(xiàn)

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM277+.5? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0078-03

0? 引言

隨著國(guó)際技術(shù)交流、技術(shù)合作的不斷擴(kuò)展，流行電機(jī)的變頻技術(shù)，直流電機(jī)可以大幅度降低能耗和電器運(yùn)行中的噪音，磁性材料產(chǎn)品充磁后的表磁分布——我們稱(chēng)之為磁瓦的波形，是影響電流電機(jī)噪音和震動(dòng)大小的重要因素，而磁瓦的波形由成型時(shí)模具里取向磁場(chǎng)的方向決定的，因此濕式模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

1? 提出問(wèn)題

單位接到一款磁瓦訂單需求，但是送過(guò)多次樣品，都沒(méi)有達(dá)到客戶(hù)要求，隨著轉(zhuǎn)產(chǎn)日期的臨近，客戶(hù)要求交貨的需求非常強(qiáng)烈。磁瓦不能達(dá)到客戶(hù)要求主要是體現(xiàn)在電機(jī)噪音和震動(dòng)問(wèn)題。

2? 原因分析

通過(guò)與國(guó)外同類(lèi)型電機(jī)磁瓦的材料性能與波形對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)我們磁瓦的材料性能與國(guó)外的基本相同，波形上卻有較大差異，本單位磁瓦波形基本上是矩形形狀，國(guó)外的是正弦波形狀;由波形圖我們可以模擬出兩種磁瓦的磁力線(xiàn)分布，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1的磁瓦磁力線(xiàn)走向基本上是平行Y軸線(xiàn)的方向，中間部位磁力線(xiàn)與轉(zhuǎn)子表面垂直，磁場(chǎng)利用率高，但是兩鍘磁力線(xiàn)方向與轉(zhuǎn)子表面形成一定的夾角，磁性能的利用率明顯下降，導(dǎo)致了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的下降。圖2的磁力線(xiàn)走向是集中到圓心的放射狀方向，中間及兩側(cè)與轉(zhuǎn)子表面相垂直，磁瓦磁性能的利用率達(dá)到最大化，因此電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)也就相應(yīng)會(huì)提高，這就是為什么我們磁瓦與國(guó)外同類(lèi)型磁瓦在材料性能和外形尺寸基本相同的情況下，反電動(dòng)勢(shì)比別人低的主要原因。另一方面，由于矩形波磁瓦的兩邊磁場(chǎng)較強(qiáng)，轉(zhuǎn)子在通過(guò)兩片磁瓦間隙時(shí)所受到的扭力瞬間有一個(gè)較大的由強(qiáng)→零→強(qiáng)的突變，所以容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的震動(dòng)，轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音;而正弦波磁瓦的兩邊磁場(chǎng)較弱，轉(zhuǎn)子在通過(guò)兩片磁瓦的間隙時(shí)所受到的扭力較小，基本上能有一個(gè)較為平緩的過(guò)渡，這就是國(guó)外磁瓦比我們的裝配成電機(jī)時(shí)噪音較小的主要原因。

3? 措施與對(duì)策

在制定對(duì)策之前，先要解釋一下，為什么我們的磁瓦表磁分布會(huì)是矩形的形狀？濕法磁場(chǎng)成型是將二次球磨后的料漿置于模具中，在加壓力成型的同時(shí)施加一定方向（垂直或平行于壓力方向）的強(qiáng)磁場(chǎng)，使單疇顆粒作定向排列，同時(shí)用真空泵抽水，通過(guò)上模板的鉆孔將水排出，當(dāng)壓制壓力達(dá)到一定程度時(shí)，料漿就會(huì)粘結(jié)在一起被固化成模具設(shè)計(jì)的形狀，而單疇顆粒亦不能再作轉(zhuǎn)動(dòng)，磁瓦的磁場(chǎng)方向也就相當(dāng)于模具成型腔中的外加磁場(chǎng)方向。

圖3是我們傳統(tǒng)濕式磁瓦生產(chǎn)的模具示意圖，圖中簡(jiǎn)單的畫(huà)出了成型過(guò)程中模具內(nèi)外加磁場(chǎng)的磁路走向，即由機(jī)臺(tái)下底座10→模具底座5→中心軸9→下模沖底板8→下模沖7→產(chǎn)品6→上模板2→機(jī)臺(tái)上底座1，最后通過(guò)機(jī)臺(tái)的四根導(dǎo)柱形成一個(gè)封閉的回路。其中料腔4和型腔板3是采用無(wú)磁鋼材料制作，起磁場(chǎng)屏蔽作用，以保證線(xiàn)圈產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)能最大限度的作用在產(chǎn)品上，提高產(chǎn)品的取向度。根據(jù)磁電相通的原理，電路中電流是沿著電阻小的方向流動(dòng)，同樣地，磁場(chǎng)也會(huì)是沿著磁阻比較小的方向構(gòu)成回路。傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)中，由于產(chǎn)品在模具中的左、中、右三個(gè)方向的磁阻比較接近，因此，磁瓦的波形就是一個(gè)矩形形狀，多個(gè)磁瓦組成電機(jī)，電機(jī)的波形就是一個(gè)矩形波。

為了達(dá)到國(guó)外同類(lèi)型磁瓦的磁力線(xiàn)分布呈放射狀的目的，我們需要對(duì)模具的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，最有效的部位就是磁瓦的上、下兩個(gè)面的接觸部位，即上模板和下模沖部件。

3.1 上模板? 如圖4所示，我們?cè)谠瓉?lái)上模板的成型位置正上方挖一梯形的空穴，然后用不導(dǎo)磁性材料焊接、填滿(mǎn)挖出來(lái)的梯形空穴，梯形尺寸的設(shè)計(jì)是按照成型部位中間磁阻大、兩邊磁阻小，兼顧由大向小轉(zhuǎn)變時(shí)不要形成突變的原則，以避免磁瓦外觀由于突變磁場(chǎng)引起的外觀不良。這樣由于成型位置上方中間磁阻大、兩邊磁阻小，外加磁場(chǎng)的走向被迫由原來(lái)的平行狀走向改變成向兩邊發(fā)散的放射狀，在這樣的外加磁場(chǎng)作用下，成型后的磁瓦的磁場(chǎng)方向也就變成了放射狀的形狀，由于之前原因分析中我們知道，這種磁場(chǎng)形狀的磁瓦對(duì)于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的提高有相當(dāng)?shù)淖饔谩?/p>

3.2 下模沖? 在改變上模板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們對(duì)下模沖也作出了如圖5的改變。圖5中主要針對(duì)下模沖的不導(dǎo)磁材料結(jié)構(gòu)作出改變，原來(lái)下模沖不導(dǎo)磁性材料是平行成型R位的結(jié)構(gòu)，主要目的是將外加磁場(chǎng)的突變由成型產(chǎn)品位置改變到不導(dǎo)磁性材料中來(lái)，改善磁瓦外觀?，F(xiàn)階段我們?cè)谶@基礎(chǔ)上將不導(dǎo)磁性材料由平行成型R位狀，改變成一個(gè)類(lèi)似字母“C”的形狀，使得成型位置中間的磁阻小、兩邊磁阻大，這樣，成型位置中間的外加磁場(chǎng)就高，兩邊的磁場(chǎng)低，根據(jù)我們?cè)谠蚍治鲋兄v到的，磁瓦表磁分布中，兩邊磁場(chǎng)越低，其對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)造成的震動(dòng)越小，電機(jī)的諧波就越小。

改進(jìn)后磁瓦電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到了99.4V，符合客戶(hù)99±4V的標(biāo)準(zhǔn)，但是電機(jī)的5次諧波為2.5～2.7%之間，距離≤2.3%的要求還有一定差距，這說(shuō)明我們改進(jìn)后磁瓦的波形波峰還不夠尖，也就是模具成型腔內(nèi)外加磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)力度還不夠，再通過(guò)增加上模板不導(dǎo)磁材料中間的厚度難度比較大，畢竟焊接層越厚，加工過(guò)程發(fā)熱就越多，上模板的變形就越大，而下模沖由于其在模具結(jié)構(gòu)中所處位置是在取向磁場(chǎng)線(xiàn)圈的中部，其對(duì)外加磁場(chǎng)的走向影響較小，一下子，改善計(jì)劃陷入了一個(gè)瓶頸的狀態(tài)，就差一點(diǎn)點(diǎn)了。其實(shí)我們?cè)谌粘Ｉ町?dāng)中經(jīng)常遇到這樣的情況：在正常途徑下很難增加外加推力的時(shí)候，我們逆向思維一下，不能增加推力，我們還可以減少阻力，同樣達(dá)到推動(dòng)物體的目的，這就是本文要介紹的改進(jìn)步驟3.3。

3.3 型腔板? 如圖6所示，我們對(duì)不導(dǎo)磁材料的型腔板成型R位兩邊鑲嵌上導(dǎo)磁性材料的插條，由于導(dǎo)磁材料插條靠近成型位置，左右兩邊的磁阻減小，型腔內(nèi)的外加取向磁場(chǎng)會(huì)沿著兩邊偏轉(zhuǎn)，形成型腔內(nèi)磁場(chǎng)呈放射狀的走向，與改進(jìn)步驟3.1的作用近似。三種改進(jìn)過(guò)后磁瓦的表磁分布如表1所示：改變后磁瓦的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和5次諧振波與原來(lái)磁瓦和國(guó)外同類(lèi)型磁瓦的數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表2。

4? 效果與分析

由表1及表2數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，改變后磁瓦的9點(diǎn)表磁數(shù)據(jù)中，中間部位的磁值比原來(lái)提高了約6.0%，兩邊部位的磁值比原來(lái)降低了37.4%，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)提高了4.4%，諧波降低了66.3%，這就說(shuō)明了電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和諧波與磁瓦的表磁分布（亦即波形）有很大關(guān)系，中間表磁大，兩邊表磁小的正弦波對(duì)于提高電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和降低電機(jī)諧波有積極作用，而且中間表磁越大，兩邊表磁越小，即正弦波峰越尖，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)就越大、諧波越小。結(jié)果完全符合客戶(hù)要求，產(chǎn)品也已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，月產(chǎn)量達(dá)2萬(wàn)片左右，預(yù)計(jì)下一年將迎來(lái)井噴的生產(chǎn)期。

5? 結(jié)論

磁瓦的表磁分布由成型時(shí)的外加取向磁場(chǎng)的方向決定，而外加取向磁場(chǎng)的方向由模具形狀決定。通過(guò)對(duì)磁瓦模具形狀的設(shè)計(jì)：模具的上模板、下模沖和型腔板結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)出的磁瓦表磁分布越來(lái)越接近正弦分布，尖峰越高，其反電動(dòng)勢(shì)越大、5次諧波越小。因此，改變模具形狀對(duì)于改善直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和5次諧波，顯得猶為有效，同時(shí)也滿(mǎn)足了客戶(hù)對(duì)電機(jī)的噪音和震動(dòng)要求。

6? 結(jié)束語(yǔ)

本模具設(shè)計(jì)思路的改善效果顯著，但是過(guò)程幾經(jīng)曲折，一度還處在迷惘的邊緣，幸好有企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和同事們的大力支持和鼓勵(lì)，特別是客戶(hù)領(lǐng)導(dǎo)在挫折過(guò)程中親自到公司參與分析原因，采用頭腦風(fēng)暴法，積極配合樣機(jī)的測(cè)試及相關(guān)的評(píng)估工作。

參考文獻(xiàn)：

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