1.引言

由于城市地區(qū)排放量和噪音水平高，全球范圍內(nèi)的環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，注意力正越來越多地轉(zhuǎn)向無排放和近乎無噪音的電動(dòng)機(jī)。如今，“永磁(PM)電動(dòng)機(jī)”在電動(dòng)車領(lǐng)域被全球廣泛采用，并且正在不斷接受研究。這些電動(dòng)機(jī)依靠能夠維持自身恒定磁場(chǎng)的磁體工作。其中，稀土磁體，即由稀土金屬制成的強(qiáng)力磁體，通常被用于這一用途稀土磁體并非特別稀有，它們只是恰好屬于被稱為稀土金屬的金屬材料類別。還有其他一些金屬，只有在被電場(chǎng)磁化時(shí)才會(huì)產(chǎn)生磁性，而且只有在電場(chǎng)存在的情況下才會(huì)保持磁化狀態(tài)。這一概念是永磁電機(jī)工作原理的核心。

填隙是一種新的方法，旨在使永磁體在運(yùn)行過程中保持在轉(zhuǎn)子段內(nèi)完好無損。該方法正處于研究階段，正由戴姆勒和埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)(德國)的工程師們進(jìn)行測(cè)試。在永磁電機(jī)中，當(dāng)電流通過線圈時(shí)，線圈會(huì)充當(dāng)電磁鐵。電磁線圈被永久磁鐵吸引，而這種吸引力正是導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。當(dāng)電源被切斷時(shí)，線圈失去其磁性，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。通過這種方式，永磁電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)可以被一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所管理，該驅(qū)動(dòng)器控制通電的時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而通過電磁體實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

圖1.永磁電機(jī)裝配。

圖1展示的是永磁電機(jī)，或稱“PM”電機(jī)。轉(zhuǎn)子內(nèi)包含永磁體，這也是PM電機(jī)得名的原因。永磁步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理與混合電機(jī)相同，但采用了略有不同的幾何設(shè)計(jì)，PM轉(zhuǎn)子的磁極是徑向磁化的，南北極沿著轉(zhuǎn)子的圓周交替分布。PM電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子組件都是光滑的。永磁體價(jià)格高昂，因?yàn)樗鼈兒邢⊥两饘?，如和，而這些稀土金屬主要產(chǎn)自中國。隨著對(duì)這些材料需求的增加，其價(jià)格也將隨之上漲。

2.永磁電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造

永磁電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成。正如其名所示，定子為靜態(tài)部件，而轉(zhuǎn)子則為旋轉(zhuǎn)部件。轉(zhuǎn)子由多個(gè)轉(zhuǎn)子段組成，每個(gè)轉(zhuǎn)子段由若干層疊片堆疊而成。疊片之間通過膠合緊密相連，形成完美的結(jié)合。

常規(guī)的轉(zhuǎn)子是通過將永磁體放置在轉(zhuǎn)子段上的槽內(nèi)來組裝的，而磁體與轉(zhuǎn)子段槽之間的空隙則被熔融的塑料樹脂填充，從而確保磁體與轉(zhuǎn)子段之間實(shí)現(xiàn)永久固定。

裝配過程涉及兩個(gè)步驟，在第一步中，磁鐵被小心地定位在轉(zhuǎn)子段上，在第二步中，通過將熔融的塑料樹脂注入磁鐵與轉(zhuǎn)子段之間的空隙，將磁鐵固定在轉(zhuǎn)子段上。然后，轉(zhuǎn)子段被堆疊在一起以形成轉(zhuǎn)子。

3. 密封過程

填隙是一種機(jī)械連接工藝，用于牢固地將兩個(gè)部件結(jié)合在一起。在電動(dòng)機(jī)中，可以通過在轉(zhuǎn)子段內(nèi)填隙來將永久磁鐵牢固地固定住。填隙是通過使用工具鋼制成的沖孔工具在轉(zhuǎn)子段上施加表面壓力，從而對(duì)轉(zhuǎn)子層壓材料進(jìn)行塑性變形來實(shí)現(xiàn)的。材料發(fā)生變形并向磁鐵方向流動(dòng)，同時(shí)壓靠在磁鐵表面上。凸起轉(zhuǎn)子段與磁鐵之間的壓縮力在操作過程中將磁鐵牢牢固定在轉(zhuǎn)子內(nèi)。

填隙是一種正向鎖定機(jī)制，意味著兩個(gè)部件或金屬之間沒有使用粘合劑或連接材料而直接粘合。這有助于提高電機(jī)的效率，因?yàn)榇朋w和轉(zhuǎn)子之間的氣隙被顯著縮小。

這消除了使用不環(huán)保的塑料樹脂的做法，同時(shí)也消除了傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)組裝過程中采用的二步組裝工序，從而降低了制造成本。灌封工藝的效率主要取決于工具幾何形狀、灌封深度以及灌封位置。

4.范圍

為了達(dá)到有效的填縫效果，需要預(yù)測(cè)最佳的工具幾何形狀、填縫位置以及填縫深度需要找到上述參數(shù)的合理組合，以確保填縫完成后磁體完好無損且沒有裂紋，同時(shí)磁體從轉(zhuǎn)子段上拆卸所需的施加力落在指定的最佳范圍內(nèi)。工具幾何形狀在填縫過程中扮演著重要角色，因?yàn)槠湫螤顣?huì)影響磁體中的應(yīng)力集中。填縫位置以及最終的填縫深度則影響填縫過程中所需的力，從而有助于估算工具壽命。

4.1工具幾何形狀

工具幾何形狀在填隙過程中發(fā)揮著有效作用。不同的工具幾何形狀以不同的方式置換轉(zhuǎn)子材料。有效的材料置換決定了磁體和轉(zhuǎn)子段之間的配合。被置換的材料不應(yīng)過于尖銳，以免在磁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成損壞;同時(shí)，被置換的材料也不應(yīng)過于寬泛，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致組件之間的接觸壓力減小，從而在運(yùn)行過程中導(dǎo)致磁體滑動(dòng)。目前，有3種不同的工具被用于密封模擬，并且它們的效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子段和磁體的影響正被研究。

圖3.工具橫截面。

圖3展示了用于填隙的不同工具幾何形狀(橫截面)。第一個(gè)工具是金字塔形，第二個(gè)工具是圓形，第三個(gè)工具也是圓形但邊緣經(jīng)過平滑處理。每種工具都對(duì)填隙過程有著各自的影響。為了達(dá)到最佳的填隙效果，需要確定這三款工具中最好的一款。

5.密封模擬

如前所述，填隙模擬涉及層壓材料的巨大塑性變形，因此需要專門的軟件才能得出收斂解。進(jìn)行模擬的必要性在于永久磁鐵成本高昂且市場(chǎng)供應(yīng)稀缺。在實(shí)際的硬件填隙工藝測(cè)試中，過高的填隙力可能會(huì)損壞磁鐵，從而需要投入大量資金進(jìn)行測(cè)試。更明智的做法是先進(jìn)行模擬，以找到最佳的填隙參數(shù)，然后再進(jìn)行硬件測(cè)試。

5.1 模型數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)子段被建模為一系列厚度均為0.3毫米的層壓板。每一層壓板都通過摩擦接觸與相鄰層壓板相連接，從而更貼近現(xiàn)實(shí)地模擬了轉(zhuǎn)子段。隨后，根據(jù)所需的橫截面，對(duì)工具進(jìn)行了建模。轉(zhuǎn)子段材料被建模為非線性，而磁體材料則被建模為線性。

在轉(zhuǎn)子段的頂部和底部使用了止擋板，以模擬硬件測(cè)試設(shè)置。由于該模型在本質(zhì)上具有循環(huán)對(duì)稱性，為了縮短模擬時(shí)間，分析時(shí)僅考慮了轉(zhuǎn)子段的對(duì)稱部分。

通過應(yīng)用恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，如轉(zhuǎn)子段側(cè)面的循環(huán)對(duì)稱性以及止動(dòng)面上的平移約束，來復(fù)制測(cè)試設(shè)置。

圖4.模擬模型設(shè)置。

工具被建模為剛性元件，并在工具和層壓板之間應(yīng)用了通用接觸。

5.2 分析

Abaqus Explicit被用于模擬該模型，因?yàn)樗軌蚍€(wěn)健地解決涉及接觸和塑性變形的問題。最初，該模型是用市場(chǎng)上其他現(xiàn)有的常規(guī)顯式求解器進(jìn)行模擬的。但無法在限定時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)果。沒有Abaqus/Explicit的幫助，就不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)填縫過程模擬的解決方案。與Abaqus/Implicit相比，擬結(jié)果所需的空間也非常小。

整個(gè)模型使用了通用接觸。通用接觸交互通常通過指定默認(rèn)由Abaqus/Explicit自動(dòng)生成的表面的自接觸來定義。通用接觸算法中使用的所有表面可以跨越多個(gè)未附體體，因此該算法中的自接觸并不局限于單個(gè)體與自身之間的接觸。通過通用接觸算法，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)在每個(gè)增量?jī)?nèi)可以觀察到與多個(gè)面之間的接觸。

這樣有助于解決涉及經(jīng)歷巨大塑性變形的組件間相互作用的問題。該組件由層壓板層層堆疊而成，磁體被放置在轉(zhuǎn)子段提供的槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子段與磁體接觸面之間采用一般接觸方式。工具被定位在轉(zhuǎn)子段表面之上。在第一步中，以指定速率對(duì)工具施力。在第二步中，

隨后將工具移回原位，以便在轉(zhuǎn)子段內(nèi)實(shí)現(xiàn)回彈。第三和第四步是對(duì)另一側(cè)工具重復(fù)前兩步的操作。

圖5.磁鐵柱密封膠中的應(yīng)力。

從圖5中可以觀察到在填縫模擬后的磁體上的應(yīng)力分布。磁體中的應(yīng)力取決于工具幾何形狀、穿透深度以及填縫位置。

5.3 裝配完整性

一個(gè)成功的填縫作業(yè)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一是填縫后的轉(zhuǎn)子段磁體是否完好無損。磁體不僅在裝配過程中必須保持完好，在電機(jī)的快速運(yùn)行階段也應(yīng)如此。即使磁體與轉(zhuǎn)子段之間存在輕微的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也可能在運(yùn)行過程中引發(fā)災(zāi)難。為了避免這種情況，必須進(jìn)行檢查。

在高操作速度下抽出磁體所需的力。最有效的做法是在磁體上方施加位移控制，并檢查反作用力。如果該力在安全限值內(nèi)，則可得出結(jié)論:磁體被安全地固定在轉(zhuǎn)子段中。

圖6.磁體提取。

圖6顯示了為磁體抽出而繪制的力 vs位移圖表。該圖表有助于找出由一組參數(shù)組合實(shí)現(xiàn)的填隙效果。

6.結(jié)論

通過檢查磁體中的應(yīng)力以及組件的完好性，成功借助Abaqus/Explicit找到了最合適的參數(shù)組合，從而避免了磁體承受過高應(yīng)力或組件完好性降低的情況。通過模擬，找到了最理想的工具幾何形狀、工具切入深度以及填充位置，并在硬件測(cè)試中予以了實(shí)施。測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果很好地吻合。