Tại sao lắp ráp nam châm là nơi các dự án động cơ thất bại
Mọi dự án động cơ cuối cùng đều đi đến khâu lắp ráp. Các nam châm được chỉ định, phân loại và phủ chính xác. Các lớp rôto được gia công theo bản vẽ. Và sau đó có sự cố xảy ra: một nam châm chộp vào một vật cố định bằng thép trong quá trình xử lý và phoi hoặc khe hở không khí đo được thay đổi 0,3mm xung quanh chu vi và động cơ rung ở mức đầy tải hoặc ba trong số hai mươi rôto có dạng sóng EMF ngược không khớp với mô phỏng vì nam châm dịch chuyển trong quá trình xử lý bằng chất kết dính.
Những hư hỏng này không phải do nam châm xấu gây ra. Chúng được gây ra bởi các quy trình lắp ráp được thiết kế mà không tính đến tác dụng thực sự của nam châm NdFeB khi chúng ở gần thép và nhau. Các đặc tính vật liệu làm cho NdFeB trở nên hữu ích - độ dư cao, độ kháng từ cao, BHmax rất cao - cũng khiến nó thực sự nguy hiểm khi xử lý và không thể tha thứ về kích thước khi lắp ráp. Bài viết này đề cập đến các quyết định về dung sai và quy trình cụ thể giúp phân biệt thành công của quá trình lắp ráp lần đầu với việc làm lại thường xuyên.
1. Lực từ trong quá trình lắp ráp: Những con số mà hầu hết các kỹ sư đều bỏ qua
Lực hấp dẫn giữa nam châm NdFeB thiêu kết và bề mặt sắt từ tỷ lệ với bình phương của khoảng cách khe hở - nghĩa là lực tăng nhanh khi khe hở đóng lại, không tuyến tính. Nam châm N42 40mm × 20 mm × 5 mm có lực kéo khoảng 14kg so với bề mặt thép phẳng khi tiếp xúc hoàn toàn. Ở khoảng cách 5mm, lực đó đã là 6–8kg tùy thuộc vào diện tích bề mặt. Ở mức 1mm, nó gần bằng giá trị tiếp xúc đầy đủ.
Điều này quan trọng vì các thiết bị lắp ráp, dụng cụ và các bộ phận lân cận hầu như luôn có tính sắt từ. Một kỹ thuật viên cầm một nam châm cách xa trục rôto 100mm hầu như không cảm thấy gì. Ở 20mm, lực hút trở nên đáng chú ý. Ở mức 5 mm, nam châm sẽ rút ra khỏi bàn tay không đeo găng và tác động lên bề mặt rôto với vận tốc. Chế độ hỏng chip trên NdFeB thiêu kết đã được ghi chép đầy đủ: vật liệu có độ bền kéo khoảng 80 MPa nhưng cường độ nén chỉ khoảng 1100 MPa theo hướng từ hóa và yếu hơn nhiều theo các hướng khác. Tác động ở tốc độ tạo ra các mảnh vụn ở góc và các vết nứt ở cạnh không thể nhìn thấy được dưới lớp phủ niken nhưng làm giảm thể tích từ tính hiệu dụng từ 2–8% và tạo ra các điểm tập trung ứng suất gây mỏi lâu dài.
Quy tắc thực tế: bất kỳ thao tác lắp ráp nào trong đó nam châm nằm cách bề mặt sắt từ trong phạm vi 50mm đều cần có vật cố định không từ tính, đồ gá tiếp cận có kiểm soát để giới hạn tốc độ đóng hoặc cả hai. Nhôm và thép không gỉ austenit (304, 316) là vật liệu cố định tiêu chuẩn. Các thiết bị cố định phải được thiết kế sao cho nam châm tiếp cận túi rôto dọc theo trục cuối cùng dự định của nó - tải trọng bên trong quá trình lắp ráp là nguyên nhân phổ biến thứ hai gây hư hỏng chip sau khi va chạm.
2. Dung sai tăng lên trong các cụm nam châm liên kết
Hầu hết các động cơ nam châm vĩnh cửu liên kết nam châm vào các túi rôto bằng chất kết dính kỵ khí, epoxy hoặc acrylic kết cấu. Khớp liên kết phục vụ hai mục đích: nó giữ nam châm ở vị trí dưới tải trọng ly tâm và nó cung cấp tham chiếu kích thước để thiết lập khe hở không khí. Khi mối nối được liên kết là tham chiếu khe hở không khí, việc xếp chồng dung sai trở nên quan trọng.
Hãy xem xét một thiết kế túi rôto thông lượng xuyên tâm điển hình: dung sai độ sâu của túi là ± 0,05mm (có thể đạt được khi tiện CNC), dung sai độ dày nam châm là ± 0,05mm (tiêu chuẩn cho NdFeB thiêu kết) và độ dày đường liên kết dính tăng thêm ± 0,03mm nếu được kiểm soát. Ngăn xếp trong trường hợp xấu nhất là sai số hướng tâm ±0,13mm ở vị trí bề mặt nam châm. Đối với động cơ có khe hở không khí 0,5 mm, độ chênh lệch khe hở đó là ±26%. Đối với động cơ có khe hở không khí 0,8 mm, tỷ lệ này là ±16%. Cả hai số liệu đều quá lớn đối với một bộ truyền động servo chính xác - chúng tạo ra nội dung hài hòa ngược EMF chuyển trực tiếp thành gợn sóng mô-men xoắn ở bội số tần số điện.
Có ba cách để quản lý việc này. Đầu tiên, siết chặt dung sai độ dày nam châm đến ±0,02 mm bằng cách mài - điều này làm tăng thêm chi phí nhưng là tiêu chuẩn cho nam châm động cơ servo chính xác. Thứ hai, chỉ định rõ ràng độ dày đường liên kết dính (thường là 0,05–0,10 mm) và sử dụng thiết bị cố định để kiểm soát nó trong quá trình xử lý. Thứ ba, sử dụng thao tác mài sau khi lắp ráp trên rôto OD để đưa tất cả các nam châm đến cùng một vị trí hướng tâm - điều này thường xảy ra đối với rôto servo có số cực cao trong đó bề mặt nam châm là bề mặt tham chiếu khe hở không khí. Mỗi phương pháp có chi phí và độ phức tạp của quy trình khác nhau; sự lựa chọn đúng đắn phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật khe hở không khí của động cơ và khối lượng sản xuất.
3. Lắp ráp trước và sau từ hóa
NdFeB thiêu kết có thể được lắp ráp dưới dạng bộ phận được từ hóa hoàn toàn hoặc dưới dạng phôi không được từ hóa. Sự lựa chọn sẽ xác định những dụng cụ, biện pháp phòng ngừa xử lý và kiểm tra chất lượng nào được yêu cầu ở mỗi giai đoạn. Đây không phải là một quyết định tùy tiện - nó có những hậu quả trực tiếp đối với rủi ro về năng suất và quy trình.
Lắp ráp nam châm được từ hóa trước (phương pháp phổ biến nhất cho hoạt động sản xuất nhỏ) có nghĩa là mọi bước xử lý đều liên quan đến lực từ trực tiếp. Các rủi ro xử lý được mô tả ở trên áp dụng ở mọi giai đoạn. Ưu điểm là tính đồng nhất từ hóa có thể được xác minh trên nam châm đi vào trước khi nó đi vào động cơ - việc này dễ dàng thực hiện bằng máy đo từ thông hoặc dãy đầu dò Hall. Điểm bất lợi là các thiết bị lắp ráp phải hoàn toàn không có từ tính và các nam châm liền kề trên rôto phải được nạp từng cái một với trình tự phân cực được kiểm soát để tránh lực đẩy giữa các cực làm nam châm bị lệch sang một bên trong quá trình lắp đặt.
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 cực), rò rỉ từ thông giữa các cực trong quá trình từ hóa có thể khiến một số cực bị từ hóa kém nếu thiết kế bộ cố định từ hóa không được tối ưu hóa cẩn thận.
Điểm giao nhau của hầu hết các nhà sản xuất động cơ là khoảng 500–1000 chiếc mỗi năm. Dưới khối lượng đó, việc lắp ráp từ hóa trước với việc xử lý cẩn thận thường có tổng chi phí thấp hơn. Trên mức đó, tính nhất quán về chất lượng và hiệu quả xử lý của từ hóa sau lắp ráp thường chứng minh cho việc đầu tư vào thiết bị cố định.
4. Quy trình lựa chọn và xử lý chất kết dính cho các mối nối từ
Lực từ giữa nam châm liên kết và túi rôto thép không biến mất trong quá trình xử lý chất kết dính - nó hiện diện và hoạt động xuyên suốt. Đối với hầu hết các hệ thống kết dính, liên kết hình thành trong khi tải trước từ tính giữ nam châm tiếp xúc với bề mặt túi. Điều này thực sự hữu ích: nam châm tự định vị ở đáy túi, mang lại khả năng định vị độ sâu nhất quán mà không cần thiết bị cố định chuyên dụng cho trục đó.
Kích thước cần điều khiển là vị trí bên - căn chỉnh tiếp tuyến trong túi xác định độ đồng đều khoảng cách giữa các cực, ảnh hưởng đến tính đối xứng dạng sóng EMF phía sau. Một cách tiếp cận tiêu chuẩn là sử dụng hình dạng túi để hạn chế vị trí bên một cách cơ học (khe hở cạnh chặt trên các mặt tiếp tuyến của túi), với khe dính được kiểm soát trên mặt hướng tâm. Khoảng hở bên túi là 0,05–0,10mm mỗi bên cho phép tải thủ công mà không bị ràng buộc trong khi mang lại độ chính xác định vị bên tốt hơn tổng cộng 0,1mm.
Việc lựa chọn chất kết dính quan trọng hơn hầu hết các nhà thiết kế động cơ nhận ra. Chất kết dính kỵ khí (Loctite 638, 648) hoạt động tốt cho các liên kết thép với nam châm ở nhiệt độ lên tới 150 độ, xử lý nhanh trong điều kiện được kiểm soát và có khả năng chống chịu tốt với chế độ ứng suất ly tâm (cắt dọc theo mặt liên kết). Epoxies (Araldite 2011, 3M DP420) có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn (lên tới 180 độ) và lấp đầy các khoảng trống liên kết lớn hơn một cách đáng tin cậy hơn, nhưng yêu cầu thời gian xử lý lâu hơn và khả năng giữ vật cố định lâu hơn. Đối với động cơ hoạt động liên tục ở nhiệt độ trên 120 độ, epoxy là lựa chọn chính xác - chất kỵ khí mềm ra ở nhiệt độ cao và có thể cho phép nam châm chuyển động dưới tải ly tâm ở tốc độ cao.
5. Kiểm tra sau lắp ráp: Cần đo lường cái gì và tại sao
Ba phép đo dự đoán liệu rôto nam châm liên kết có hoạt động theo thông số kỹ thuật hay không là: dạng sóng EMF ngược ở tốc độ tham chiếu, độ đảo bề mặt nam châm (TIR trên OD rôto được đo trên các mặt nam châm) và cân bằng từ thông giữa các cực đối diện.
Back-EMF được đo ở tốc độ 500–1000 RPM so với cuộn dây tham chiếu cho kết quả tổng hợp của tất cả dung sai lắp ráp - sự biến đổi từ thông giữa các cực, lỗi khoảng cách góc và độ không đồng nhất từ hóa đều xuất hiện dưới dạng nội dung hài trong dạng sóng. Đối với một rôto được lắp ráp tốt, biên độ hài bậc 5 phải dưới 1% biên độ cơ bản. Giá trị trên 2–3% cho thấy có vấn đề về lắp ráp hệ thống đáng được điều tra trước khi động cơ bước vào giai đoạn cuộn dây và vỏ.
Độ đảo bề mặt nam châm (TIR) được đo bằng đồng hồ quay số trên các mặt nam châm đo trực tiếp tính nhất quán của vị trí hướng tâm. Đối với khe hở không khí từ 0,5mm trở lên, TIR dưới 0,05mm là có thể đạt được và đầy đủ. Đối với các khe hở không khí dưới 0,4mm (các ứng dụng servo chính xác), mục tiêu là TIR dưới 0,03mm - điều này thường yêu cầu thao tác mài sau lắp ráp được đề cập trong Phần 2.
HIMAGNET cung cấp cho nam châm động cơ các báo cáo kiểm tra bao gồm từ dư, lực kháng từ và xác minh kích thước. Chúng tôi cũng làm việc với khách hàng về thiết kế đồ gá lắp ráp và xác nhận công cụ từ hóa sau lắp ráp. Hãy liên hệ với chúng tôi về hình dạng rô-to và khối lượng sản xuất của bạn để có đề xuất về quy trình.
