普通转速磁钢与高速电机转子磁钢的固定方法

    永磁同步电机，特别是高速永磁同步电机， 如何固定磁钢，防止磁钢飞出去，一直是工程师们关注的重点。细分起来，磁钢固定其实是两个子问题。第一个如何设计一个安全结构来克服离心力？第二个就是如何防止磁钢微观的轻微晃动？第一个问题好理解，第二个问题则是内行人才晓得的门道。其实很多磁极结构，虽然能克服离心力，但在磁钢槽内是磁钢是微观半自由态，磁钢可以轻微晃动，当在突然加速、电流突变的状态下，磁钢的力平衡会被破坏，产生冲击、振动。 这种振动会对磁钢产生寿命上的影响的，因此要求高可靠性的结构中，需要防止这种振动发生。
    

    显然第一个问题是较宏观的认知，第二个问题涉及更细的工程面，属于细颗粒度的知识。都说细节决定成本，做一个好产品，不仅仅需要开认知地图，还要掌握细颗粒度的知识。为了增强对细颗粒度知识的了解，我们请到了蜗牛研习社骨干成员，拥有十几年产品开发经验的向前老师，听听他的经验和看法。 

    永磁同步电机转子的磁极结构有很多，其转子线速度也大小不同，普通通转速（6000rpm以内）、高速（20000rpm以内）、超高速 三种。每类转子的固定方法也不尽相同。先从普通转速的永磁同步电机说起：

    普通转速的磁钢固定方法

    一字内插式磁极结构是常见的永磁电机结构，广泛的应用于功率输出型场合，比如低速的电动汽车、空气压缩机、水泵等等。一字型磁钢槽不旦保护磁钢免受碰撞，还提供了克服离心力的反力，一字槽就是其主要的固定结构。

    随着这种结构的发展成熟，相应的辅助固定方法也陆续出现，比如下图的环氧灌封技术，它不但能够隔绝磁钢和空气，避免磁钢氧化，还能够增加缓冲阻尼，降低磁钢振动失效的风险。在此基础上会配合一些轴向辅助固定，比如说端压板。
    
     也有人应用了中间凸台的辅助固定技术：在一个磁极槽中间设置凸台，它不旦把磁钢分成了左右两块，降低了退磁的风险。而且通过小过盈，在沿一字方向形成了一定的预紧力，紧固了磁钢。
    

    向高速结构发展

    V字结构是后来发展出的一种新的结构，较一字型有更高的磁阻转矩，备受工程师们的青睐。随着电机向高速化发展，V字结构本身也出现了演变。关键是主固定结构得以加强。普瑞斯混动EV驱动电机的发展很好的诠释了这个过程。他们在2004年产品用V字替代了早先的一字结构，电机的转矩密度得以上升，但最高转速仅有6000rpm。在2010年发展出的V字结构，最高转速达到了13500rpm转速翻了一番还多，其关键是增设了中间磁桥，而且边缘磁桥也变的更厚，因此磁极的主固定结构可承受更高的离心力。

    高速V结构的辅助固定措施

    丰田普瑞斯的实践证明了V字结构能可靠的实现高速化，随着这种结构在EV领域的应用也越来越广泛。辅助固定结构设计也逐渐发展成熟：其中有两种比较常见，一个是轴向压板技术，利用轴向预紧力把磁钢压紧，防止其串动。但这种方法不是很可靠，特别是在磁钢轴向分多段时，很难控制预紧量。因此另外一种弹性凸台技术发展起来，和一字结构的中间凸台类似，弹性的凸台也能起到沿磁钢宽度方向的预紧力，从而起到辅助固定的作用。

    机械固定对加工精度要求较高，有一定的工艺能力限制。日本人发展起来一种注塑技术，通过向磁极注射一定压力的塑胶材料(比如下图这家公司的材料叫EME)。EME材料填充满了磁钢槽的所有缝隙，不但如此，连硅钢片的片间缝隙也能渗入，因此磁钢和转子铁芯能够充分接触了，而这种EME材料又是良好的导热材料。这样除了固定之外还带来了一个额外的优点：这就大大提高磁钢热量外传速度，降低了磁钢的温升。

    更高转速的磁钢固定技术

    如果想获得更高转子线速度， V字结构还是有一定局限的。因此前辈们又发展出了新的结构。下图是一个SPOKE结构，50kw的功率最大能够做14000rpm，虽然不算很高，但有两个亮点值得一说。
    

    第一个就是磁钢具备自锁功能，菱型磁钢的由上下两个梯型构成，其中上面那个梯型，越向外移动和绿色的磁极接触的就越紧，从而能起到自锁功能。再加上胶水以及辅助固定槽锲，共同构成了一套固定系统。

    第二个亮点就是，分块的磁极采用锯齿形状，其目的是降低应力集中，提升转速上限。这种结构是细节设计的典范，值得大家学习。

    SPOKE结构的转速还是有一定限制，前文说到丰田普瑞斯的最新版本的设计，转速有了进一步提升，到了17000rpm，其磁极结构如下图所示：这是一种高速V一结构，为了克服更高的离心力，在主固定方面增设了更多的分流磁桥以分流应力流，该结构的辅助固定由凸台来实现。

    
    普瑞斯的实践证明磁钢由单层发展到双层能够提高转速上限。类似的，通用公司发展出来一系列的新型磁极结构，也是往多层化方向发展。为了获得更高的转速结构强度，他们采用的三层或两层磁钢，每层的磁钢又分成多块，在每块磁钢之间设置磁桥，以此来分流应力。其辅助固定措施也选择了凸台。

    超高速电机的固定方式

    如果转速进一步的升高，进入超高速的领域，内嵌式结构始终会遇到瓶颈，这就必须采用表贴式磁极结构，其固定的方法有如下几种：非导磁护套、玻璃纤维护套、碳纤维护套。其中最有发展潜力的为碳纤维护套。

    碳纤维是通过缠绕的方式包裹在转子表面的，这样将离心力转换成了线的拉应力。对比玻璃纤维、芳纶纤维，碳纤维的抗拉强大很高的可以达到7GPa，许用设计强度也可以达到3GPa，因此能大大提升对永磁体的固定能力。碳纤维拥有这种优异性能，因此具备很大应用空间，现在各专业厂家正在攻关缠绕效率低、碳纤维隔热等问题。

    实践者心得体会；

    作为一个久经沙场实践者，向前老师最后总结了他的实践体会,这里分享给大家：

    尽量采用以机械结构固定为主，粘结剂固定为辅的方法；

    第一：可以降低成本，省去胶水及涂胶设备的成本；

    第二：可以减少失效风险，胶水的 粘结强度受诸多因素影响且不具探测性。

    第三：胶水存在老化风险，影响电机使用寿命。

    文章来自蜗牛研习社，由电机磁钢厂家卡瑞奇整理编辑，只为分享，喜欢的可以自行微信关注原作者。

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