磁瓦波形結構模具設計方法

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摘要：隨著國際技術交流、技術合作的不斷擴展，我國磁性產品在生產工藝、技術水平、工裝設備上逐步與國際最高水平縮小差距。磁瓦模具設計形狀與產品的性能有著舉足輕重的關系，影響著由磁性產品為主要部件的直流電機的噪音、震動和使用壽命。本文著重介紹了如何在濕式成型模具設計中巧妙應用不導磁材料，改變模具加工形狀，控制磁性材料產品的充磁取向，以達到降低電機運行時的震動和噪音，延長電機使用壽命的目的。

關鍵詞：模具形狀；噪音；磁力線

隨著國際技術交流、技術合作的不斷擴展，流行電機的變頻技術，直流電機可以大幅度降低能耗和電器運行中的噪音，磁性材料產品充磁后的表磁分布———我們稱之為磁瓦的波形，是影響電流電機噪音和震動大小的重要因素，而磁瓦的波形由成型時模具里取向磁場的方向決定的，因此濕式模具結構設計非常關鍵。

1提出問題

單位接到一款磁瓦訂單需求，但是送過多次樣品，都沒有達到客戶要求，隨著轉產日期的臨近，客戶要求交貨的需求非常強烈。磁瓦不能達到客戶要求主要是體現在電機噪音和震動問題。

2原因分析

通過與國外同類型電機磁瓦的材料性能與波形對比，我們發現我們磁瓦的材料性能與國外的基本相同，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分布，見圖1和圖2。圖1的磁瓦磁力線走向基本上是平行Y軸線的方向，中間部位磁力線與轉子表面垂直，磁場利用率高，但是兩鍘磁力線方向與轉子表面形成一定的夾角，磁性能的利用率明顯下降，導致了電機反電動勢的下降。圖2的磁力線走向是集中到圓心的放射狀方向，中間及兩側與轉子表面相垂直，磁瓦磁性能的利用率達到最大化，因此電機的反電動勢也就相應會提高，這就是為什么我們磁瓦與國外同類型磁瓦在材料性能和外形尺寸基本相同的情況下，反電動勢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較強，轉子在通過兩片磁瓦間隙時所受到的扭力瞬間有一個較大的由強→零→強的突變，所以容易產生轉子的震動，轉子在高速轉動時就會產生嚴重的噪音；而正弦波磁瓦的兩邊磁場較弱，轉子在通過兩片磁瓦的間隙時所受到的扭力較小，基本上能有一個較為平緩的過渡，這就是國外磁瓦比我們的裝配成電機時噪音較小的主要原因。

3措施與對策

在制定對策之前，先要解釋一下，為什么我們的磁瓦表磁分布會是矩形的形狀？濕法磁場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施加一定方向（垂直或平行于壓力方向）的強磁場，使單疇顆粒作定向排列，同時用真空泵抽水，通過上模板的鉆孔將水排出，當壓制壓力達到一定程度時，料漿就會粘結在一起被固化成模具設計的形狀，而單疇顆粒亦不能再作轉動，磁瓦的磁場方向也就相當于模具成型腔中的外加磁場方向。圖3是我們傳統濕式磁瓦生產的模具示意圖，圖中簡單的畫出了成型過程中模具內外加磁場的磁路走向，即由機臺下底座10→模具底座5→中心軸9→下模沖底板8→下模沖7→產品6→上模板2→機臺上底座1，最后通過機臺的四根導柱形成一個封閉的回路。其中料腔4和型腔板3是采用無磁鋼材料制作，起磁場屏蔽作用，以保證線圈產生的外加磁場能最大限度的作用在產品上，提高產品的取向度。根據磁電相通的原理，電路中電流是沿著電阻小的方向流動，同樣地，磁場也會是沿著磁阻比較小的方向構成回路。傳統的模具結構中，由于產品在模具中的左、中、右三個方向的磁阻比較接近，因此，磁瓦的波形就是一個矩形形狀，多個磁瓦組成電機，電機的波形就是一個矩形波。為了達到國外同類型磁瓦的磁力線分布呈放射狀的目的，我們需要對模具的形狀進行設計，最有效的部位就是磁瓦的上、下兩個面的接觸部位，即上模板和下模沖部件。

3.1上模板

如圖4所示，我們在原來上模板的成型位置正上方挖一梯形的空穴，然后用不導磁性材料焊接、填滿挖出來的梯形空穴，梯形尺寸的設計是按照成型部位中間磁阻大、兩邊磁阻小，兼顧由大向小轉變時不要形成突變的原則，以避免磁瓦外觀由于突變磁場引起的外觀不良。這樣由于成型位置上方中間磁阻大、兩邊磁阻小，外加磁場的走向被迫由原來的平行狀走向改變成向兩邊發散的放射狀，在這樣的外加磁場作用下，成型后的磁瓦的磁場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，這種磁場形狀的磁瓦對于電機反電動勢的提高有相當的作用。

3.2下模沖

在改變上模板結構的基礎上，我們對下模沖也作出了如圖5的改變。圖5中主要針對下模沖的不導磁材料結構作出改變，原來下模沖不導磁性材料是平行成型R位的結構，主要目的是將外加磁場的突變由成型產品位置改變到不導磁性材料中來，改善磁瓦外觀?，F階段我們在這基礎上將不導磁性材料由平行成型R位狀，改變成一個類似字母“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就高，兩邊的磁場低，根據我們在原因分析中講到的，磁瓦表磁分布中，兩邊磁場越低，其對電機轉動時造成的震動越小，電機的諧波就越小。±4V的標準，但是電機的5次諧波為2.5~2.7%之間，距離≤2.3%的要求還有一定差距，這說明我們改進后磁瓦的波形波峰還不夠尖，也就是模具成型腔內外加磁場的偏轉力度還不夠，再通過增加上模板不導磁材料中間的厚度難度比較大，畢竟焊接層越厚，加工過程發熱就越多，上模板的變形就越大，而下模沖由于其在模具結構中所處位置是在取向磁場線圈的中部，其對外加磁場的走向影響較小，一下子，改善計劃陷入了一個瓶頸的狀態，就差一點點了。其實我們在日常生活當中經常遇到這樣的情況：在正常途徑下很難增加外加推力的時候，我們逆向思維一下，不能增加推力，我們還可以減少阻力，同樣達到推動物體的目的，這就是本文要介紹的改進步驟3.3。

3.3型腔板

如圖6所示，我們對不導磁材料的型腔板成型R位兩邊鑲嵌上導磁性材料的插條，由于導磁材料插條靠近成型位置，左右兩邊的磁阻減小，型腔內的外加取向磁場會沿著兩邊偏轉，形成型腔內磁場呈放射狀的走向，與改進步驟3.1的作用近似。三種改進過后磁瓦的表磁分布如表1所示：改變后磁瓦的電機反電動勢和5次諧振波與原來磁瓦和國外同類型磁瓦的數據對比，見表2。

4效果與分析

由表1及表2數據我們發現，改變后磁瓦的9點表磁數據中，中間部位的磁值比原來提高了約6.0%，兩邊部位的磁值比原來降低了37.4%，電機的反電動勢提高了4.4%，諧波降低了66.3%，這就說明了電機的反電動勢和諧波與磁瓦的表磁分布（亦即波形）有很大關系，中間表磁大，兩邊表磁小的正弦波對于提高電機的反電動勢和降低電機諧波有積極作用，而且中間表磁越大，兩邊表磁越小，即正弦波峰越尖，電機的反電動勢就越大、諧波越小。結果完全符合客戶要求，產品也已經進入量產階段，月產量達2萬片左右，預計下一年將迎來井噴的生產期。

5結論

磁瓦的表磁分布由成型時的外加取向磁場的方向決定，而外加取向磁場的方向由模具形狀決定。通過對磁瓦模具形狀的設計：模具的上模板、下模沖和型腔板結構。生產出的磁瓦表磁分布越來越接近正弦分布，尖峰越高，其反電動勢越大、5次諧波越小。因此，改變模具形狀對于改善直流電機的反電動勢和5次諧波，顯得猶為有效，同時也滿足了客戶對電機的噪音和震動要求。

6結束語

本模具設計思路的改善效果顯著，但是過程幾經曲折，一度還處在迷惘的邊緣，幸好有企業領導和同事們的大力支持和鼓勵，特別是客戶領導在挫折過程中親自到公司參與分析原因，采用頭腦風暴法，積極配合樣機的測試及相關的評估工作。

參考文獻：

[1]機械設計手冊.

[2]磁性材料及器件.

[3]關鍵工藝技術資訊.

[4]先進成形制造實用技術.

作者：陳婉瓊 單位：廣東南方職業學院