Kodėl variklio projektai žlunga dėl magnetų surinkimo
Kiekvienas variklio projektas galiausiai patenka į surinkimo stendą. Magnetai yra nurodyti, surūšiuoti ir tinkamai padengti. Rotoriaus laminatės yra apdirbamos pagal brėžinį. Ir tada kažkas negerai: magnetas užsifiksuoja ant plieninės armatūros tvarkant ir susmulkina arba išmatuotas oro tarpas skiriasi 0,3 mm aplink perimetrą, o variklis vibruoja esant pilnai apkrovai, arba trijų iš dvidešimties rotorių atgalinės EMF bangos formos neatitinka modeliavimo, nes magnetai pasislinko kietėjant klijams.
Šiuos gedimus sukelia ne blogi magnetai. Juos sukelia surinkimo procesai, sukurti neatsižvelgiant į tai, ką iš tikrųjų daro NdFeB magnetai, kai jie yra šalia plieno ir vienas kito. Dėl medžiagų savybių, dėl kurių NdFeB yra naudingas – didelis išliekamumas, didelė koercicija, labai didelis BHmax – taip pat yra tikrai pavojingas naudoti ir negailestingas surinkimas. Šiame straipsnyje aptariami konkretūs tolerancijos ir proceso sprendimai, atskiriantys surinkimo sėkmę pirmojo žingsnio metu nuo nuolatinio pertvarkymo.
1. Magnetinė jėga surinkimo metu: skaičiai, kurių dauguma inžinierių nepaiso
Patrauklioji jėga tarp sukepinto NdFeB magneto ir feromagnetinio paviršiaus keičiasi kartu su tarpo atstumo kvadratu, o tai reiškia, kad jėga didėja greitai, kai tarpas užsidaro, o ne tiesiškai. 40 mm × 20 mm × 5 mm N42 magneto traukos jėga lygiu plieniniu paviršiumi yra maždaug 14 kg, kai jis visiškai liečiasi. Esant 5 mm atstumui, ši jėga jau yra 6–8 kg, priklausomai nuo paviršiaus ploto. Esant 1 mm, jis artimas visai kontakto vertei.
Tai svarbu, nes surinkimo armatūra, įrankiai ir šalia esantys komponentai beveik visada yra feromagnetiniai. Technikas, laikantis magnetą 100 mm atstumu nuo rotoriaus stebulės, beveik nieko nejaučia. Esant 20 mm, trauka tampa pastebima. Esant 5 mm, magnetas išsitrauks iš rankos be pirštinių ir dideliu greičiu atsitrenks į rotoriaus paviršių. Sukepinto NdFeB lusto gedimo režimas yra gerai dokumentuotas: medžiagos tempiamasis stipris yra maždaug 80 MPa, bet gniuždymo stipris yra tik apie 1100 MPa įmagnetinimo kryptimi ir yra daug silpnesnis kitomis kryptimis. Greitai veikiant, susidaro kampų drožlės ir briaunos, kurios yra nematomos po nikelio danga, tačiau sumažina efektyvų magnetinį tūrį 2–8 % ir sukuria įtempių koncentracijos taškus ilgalaikiam nuovargiui.
Praktinė taisyklė: bet kokiai surinkimo operacijai, kai magnetas yra 50 mm atstumu nuo feromagnetinio paviršiaus, reikalingas nemagnetinis įtaisas, kontroliuojamo požiūrio įtaisas, ribojantis uždarymo greitį, arba abu. Aliuminis ir austenitinis nerūdijantis plienas (304, 316) yra standartinės tvirtinimo medžiagos. Armatūra turi būti suprojektuota taip, kad magnetas artėtų prie rotoriaus kišenės išilgai numatytos galutinės ašies – šoninė apkrova surinkimo metu yra antra dažniausia lustų pažeidimo priežastis po smūgio.
2. Tolerancijos kaupimas sujungtuose magnetiniuose mazguose
Dauguma nuolatinių magnetų variklių sujungia magnetus į rotoriaus kišenes, naudodami anaerobinius klijus, epoksidą arba struktūrinį akrilą. Sujungta jungtis skirta dviem tikslams: ji išlaiko magnetą padėtyje esant išcentrinei apkrovai ir suteikia matmenų atskaitą, nustatančią oro tarpą. Kai sujungta jungtis yra oro tarpo atskaitos taškas, tolerancijos didinimas tampa labai svarbus.
Apsvarstykite tipišką radialinio srauto rotoriaus kišenės konstrukciją: kišenės gylio tolerancija yra ±0,05 mm (pasiekiama sukant CNC), magneto storio paklaida yra ±0,05 mm (standartas sukepintam NdFeB), o lipniosios sujungimo linijos storis prideda dar ±0,03 mm, jei kontroliuojamas. Blogiausias atvejis yra ±0,13 mm radialinis magneto paviršiaus padėties pokytis. Varikliui, kurio oro tarpas yra 0,5 mm, tai yra ±26 % tarpo kitimas. Varikliui, kurio oro tarpas yra 0,8 mm, tai yra ±16%. Abu skaičiai yra per dideli tiksliam servo pavarai – jie sukuria atgalinį EMF harmoninį turinį, kuris tiesiogiai virsta sukimo momento virpėjimu esant elektros dažnio kartotiniams.
Yra trys būdai tai valdyti. Pirma, šlifuodami priveržkite magneto storio leistiną nuokrypį iki ±0,02 mm – tai padidina sąnaudas, bet yra standartinė tiksliųjų servomotorinių magnetų. Antra, aiškiai nurodykite klijų sujungimo linijos storį (paprastai 0,05–0,10 mm) ir naudokite tvirtinimo įtaisą, kuris jį valdo kietėjimo metu. Trečia, atlikite rotoriaus išorinio paviršiaus šlifavimą po surinkimo, kad visi magnetai būtų į tą pačią radialinę padėtį – tai įprasta didelio polių skaičiaus servo rotoriams, kur magneto paviršius yra oro tarpo atskaitos paviršius. Kiekvienas metodas turi skirtingą kainą ir proceso sudėtingumą; teisingas pasirinkimas priklauso nuo variklio oro tarpo specifikacijos ir gamybos apimties.
3. Priešpriešinis ir pomagnetinimo surinkimas
Sukepintą NdFeB galima surinkti kaip visiškai įmagnetintą dalį arba kaip neįmagnetintą ruošinį. Pasirinkimas lemia, kokių įrankių, atsargumo priemonių ir kokybės patikrų reikia kiekviename etape. Tai nėra savavališkas sprendimas – jis turi tiesioginių pasekmių derliui ir proceso rizikai.
Iš anksto įmagnetintų magnetų surinkimas (labiausiai paplitęs būdas mažiems gamybos etapams) reiškia, kad kiekvienas apdorojimo veiksmas apima gyvą magnetinę jėgą. Aukščiau aprašyta tvarkymo rizika galioja kiekviename etape. Privalumas yra tas, kad įmagnetinimo vienodumą galima patikrinti įeinančiame magnete prieš jam patenkant į variklį – tai nesudėtinga naudojant srauto matuoklį arba Hall zondo masyvą. Trūkumas yra tas, kad surinkimo armatūra turi būti visiškai nemagnetinė, o gretimi rotoriaus magnetai turi būti apkraunami po vieną, taikant kontroliuojamą poliškumo seką, kad būtų išvengta atstūmimo jėgos iš polių į polius į šonus montuojant.
Assembling unmagnetized blanks and magnetizing after assembly eliminates most handling hazards. The magnets are inert during bonding and fixture operations. Magnetization is done in a single fixture pass using a pulsed magnetizer, which simultaneously magnetizes all poles to the correct orientation. The disadvantage is that post-assembly magnetization requires a magnetizing fixture designed specifically for that rotor geometry - this is a non-trivial tooling investment, and the fixture must be validated to confirm saturation of all poles evenly. For high-pole-count rotors (>16 polių), dėl tarppolių srauto nuotėkio įmagnetinimo metu kai kurie poliai gali būti neįmagnetinti, jei įmagnetinimo įtaiso konstrukcija nėra kruopščiai optimizuota.
Daugumos variklių gamintojų perėjimo taškas yra apie 500–1000 vienetų per metus. Esant mažesniam kiekiui, iš anksto įmagnetinto surinkimo ir kruopštaus tvarkymo bendros išlaidos paprastai yra mažesnės. Virš šio tūrio, įmagnetinimo po surinkimo kokybės nuoseklumas ir valdymo efektyvumas paprastai pateisina investicijas į armatūrą.
4. Magnetinių jungčių klijų parinkimas ir kietėjimo procesas
Magnetinė jėga tarp sujungto magneto ir plieninės rotoriaus kišenės neišnyksta klijų kietėjimo metu – ji yra ir veikia visą laiką. Daugumoje klijų sistemų jungtis susidaro, kai magnetinė išankstinė apkrova laiko magnetą liesti kišenės paviršių. Tai iš tikrųjų naudinga: magnetas savaime prisitvirtina prie kišenės apačios, užtikrindamas vienodą gylio padėtį be specialios tai ašies tvirtinimo.
Matmenys, kuriuos reikia valdyti, yra šoninė padėtis – tangentinis išlygiavimas kišenėje lemia polių ir polių atstumo vienodumą, o tai turi įtakos atgalinės EMF bangos formos simetrijai. Standartinis būdas yra naudoti kišenės geometriją, kuri mechaniškai apriboja šoninę padėtį (sandarus šoninis tarpas liečiamuose kišenės paviršiuose), o klijų tarpas kontroliuojamas radialiniame paviršiuje. Kišenėje esantis 0,05–0,10 mm prošvaisa kiekvienoje pusėje leidžia įkelti rankiniu būdu nesurišant, o šoninės padėties tikslumas yra didesnis nei bendras 0,1 mm.
Klijų pasirinkimas yra svarbesnis nei dauguma variklių dizainerių supranta. Anaerobiniai klijai (Loctite 638, 648) gerai tinka plieno ir magneto jungtims esant iki 150 laipsnių temperatūrai, greitai kietėja kontroliuojamomis sąlygomis ir turi gerą atsparumą išcentriniam įtempių režimui (šlyčiai išilgai jungties paviršiaus). Epoksidinės medžiagos (Araldite 2011, 3M DP420) pasižymi didesniu atsparumu temperatūrai (iki 180 laipsnių) ir patikimiau užpildo didesnius sujungimo tarpelius, tačiau reikalauja ilgesnio kietėjimo laiko ir tvirtinimo laikymo. Varikliams, nuolat dirbantiems aukštesnėje nei 120 laipsnių temperatūroje, epoksidinė derva yra teisingas pasirinkimas – anaerobiniai junginiai suminkštėja esant aukštai temperatūrai ir gali leisti magnetui judėti esant išcentrinei apkrovai esant dideliam greičiui.
5. Apžiūra po surinkimo: ką matuoti ir kodėl
Trys matavimai, kurie numato, ar sujungtas magnetinis rotorius veiks pagal specifikaciją, yra šie: atgalinė EMF bangos forma esant etaloniniam greičiui, magneto paviršiaus nutekėjimas (TIR ant rotoriaus OD matuojamas skersai magneto paviršių) ir srauto balansas tarp priešingų polių.
Atgalinis EMF, išmatuotas esant 500–1000 aps./min., palyginti su etalonine apvija, duoda bendrą visų surinkimo leistinų nuokrypių rezultatą – srauto pokytis nuo polių iki polių, kampinio atstumo paklaidos ir įmagnetinimo netolygumas – visa tai yra bangos formos harmoninis turinys. Gerai sumontuoto rotoriaus 5-oji harmoninė amplitudė turi būti mažesnė nei 1 % pagrindinės. Didesnės nei 2–3 % reikšmės rodo sistemingą surinkimo problemą, kurią verta ištirti prieš varikliui pereinant į apvijos ir korpuso stadiją.
Magneto paviršiaus nutekėjimas (TIR), išmatuotas ciferblatu per magneto paviršius, tiesiogiai matuoja radialinės padėties nuoseklumą. Jei oro tarpai yra 0,5 mm ar didesni, TIR mažesnis nei 0,05 mm yra pasiekiamas ir tinkamas. Jei oro tarpai yra mažesni nei 0,4 mm (tikslūs servo įrenginiai), TIR yra mažesnis nei 0,03 mm – tam paprastai reikia atlikti 2 skirsnyje nurodytą šlifavimo operaciją po surinkimo.
HIMAGNET tiekia variklių magnetams patikros ataskaitas, įskaitant remanencijos, koercicijos ir matmenų patikrinimą. Taip pat bendradarbiaujame su klientais dėl montavimo armatūros projektavimo ir įmagnetinimo įrankių patvirtinimo po surinkimo. Susisiekite su mumis ir nurodykite savo rotoriaus geometriją ir gamybos apimtį, kad gautumėte rekomendaciją dėl proceso.
