การประกอบแม่เหล็กของมอเตอร์: การเรียงซ้อนของเกณฑ์ความคลาดเคลื่อน การเลือกกาว และการตรวจสอบ

เหตุใดการประกอบแม่เหล็กจึงเป็นจุดที่โครงการมอเตอร์ล้มเหลว

ในที่สุดโครงการมอเตอร์ทุกโครงการก็มาถึงแท่นประกอบ แม่เหล็กมีการระบุ ให้คะแนน และเคลือบอย่างถูกต้อง การเคลือบโรเตอร์นั้นถูกกลึงให้เป็นแบบวาด แล้วเกิดข้อผิดพลาดขึ้น: แม่เหล็กยึดเข้ากับอุปกรณ์ที่เป็นเหล็กระหว่างการหยิบจับและเศษเหล็ก หรือช่องว่างอากาศที่วัดได้จะแตกต่างกันไป 0.3 มม. รอบๆ เส้นรอบวง และมอเตอร์จะสั่นที่โหลดเต็ม หรือโรเตอร์สามในยี่สิบตัวมีรูปคลื่น EMF ด้านหลังที่ไม่ตรงกับการจำลอง เนื่องจากแม่เหล็กเลื่อนระหว่างการแข็งตัวของกาว

ความล้มเหลวเหล่านี้ไม่ได้เกิดจากแม่เหล็กที่ไม่ดี เกิดจากกระบวนการประกอบที่ออกแบบมาโดยไม่คำนึงถึงสิ่งที่แม่เหล็ก NdFeB ทำจริงเมื่ออยู่ใกล้เหล็กและกันและกัน คุณสมบัติของวัสดุที่ทำให้ NdFeB มีประโยชน์ - มีความคงตัวสูง, มีแรงบังคับสูง, BHmax สูงมาก - ยังทำให้ถือถือและประกอบได้ยากในมิติที่อันตรายอย่างแท้จริง บทความนี้ครอบคลุมถึงความคลาดเคลื่อนเฉพาะและการตัดสินใจเกี่ยวกับกระบวนการ ซึ่งแยกความสำเร็จในการประกอบรอบแรกออกจากการทำงานซ้ำเรื้อรัง

1. แรงแม่เหล็กระหว่างการประกอบ: ตัวเลขที่วิศวกรส่วนใหญ่มองข้าม

แรงดึงดูดระหว่างแม่เหล็ก NdFeB เผาผนึกและพื้นผิวเฟอร์โรแมกเนติกจะสเกลตามกำลังสองของระยะห่างของช่องว่างที่ปิด ซึ่งหมายความว่าแรงจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อช่องว่างปิด ไม่ใช่เป็นเส้นตรง แม่เหล็ก N42 ขนาด 40 มม. × 20 มม. × 5 มม. มีแรงดึงประมาณ 14 กก. เมื่อเทียบกับพื้นผิวเหล็กแบนเมื่อสัมผัสกันเต็มที่ ที่ระยะห่าง 5 มม. แรงนั้นจะอยู่ที่ 6–8 กก. ขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิว ที่ 1 มม. ใกล้เคียงกับค่าหน้าสัมผัสทั้งหมด

เรื่องนี้สำคัญเนื่องจากอุปกรณ์ติดตั้งในการประกอบ เครื่องมือ และส่วนประกอบใกล้เคียงมักเป็นเฟอร์โรแมกเนติกเสมอ ช่างเทคนิคถือแม่เหล็กห่างจากดุมโรเตอร์ 100 มม. แทบไม่รู้สึกอะไรเลย ที่ระยะ 20 มม. แรงดึงดูดจะสังเกตเห็นได้ชัดเจน ที่ระยะ 5 มม. แม่เหล็กจะดึงออกจากมือที่ไม่ได้รับการดูแลและกระแทกพื้นผิวโรเตอร์ด้วยความเร็ว โหมดความล้มเหลวของชิปบน NdFeB เผาผนึกได้รับการบันทึกไว้อย่างดี: วัสดุมีความต้านทานแรงดึงประมาณ 80 MPa แต่มีกำลังรับแรงอัดเพียงประมาณ 1100 MPa ในทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็ก และอ่อนแอกว่ามากในทิศทางอื่น การกระแทกที่ความเร็วทำให้เกิดเศษมุมและการหลุดขอบที่มองไม่เห็นภายใต้การเคลือบนิกเกิล แต่ลดปริมาตรแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพลง 2-8% และสร้างจุดรวมความเครียดสำหรับความเมื่อยล้าในระยะยาว

กฎในทางปฏิบัติ: การประกอบใดๆ ที่แม่เหล็กอยู่ห่างจากพื้นผิวเฟอร์โรแมกเนติกไม่เกิน 50 มม. ต้องใช้ฟิกซ์เจอร์ที่ไม่ใช่แม่เหล็ก หรือจิ๊กควบคุมแนวทางที่จำกัดความเร็วการปิด หรือทั้งสองอย่าง อะลูมิเนียมและสเตนเลสออสเทนนิติก (304, 316) เป็นวัสดุฟิกซ์เจอร์มาตรฐาน อุปกรณ์จับยึดควรได้รับการออกแบบเพื่อให้แม่เหล็กเข้าใกล้ช่องโรเตอร์ตามแกนสุดท้ายที่ต้องการ - การโหลดด้านข้างระหว่างการประกอบเป็นสาเหตุที่พบบ่อยเป็นอันดับสองของความเสียหายของชิปหลังจากการกระแทก

2. ความคลาดเคลื่อนสะสมในชุดประกอบแม่เหล็กที่ถูกผูกมัด

มอเตอร์แม่เหล็กถาวรส่วนใหญ่จะติดแม่เหล็กเข้ากับช่องโรเตอร์โดยใช้กาวไร้ออกซิเจน อีพอกซี หรืออะคริลิกที่มีโครงสร้าง ข้อต่อที่ยึดติดนั้นมีจุดประสงค์สองประการ: ยึดแม่เหล็กให้อยู่ในตำแหน่งภายใต้ภาระแรงเหวี่ยง และให้การอ้างอิงมิติที่กำหนดช่องว่างอากาศ เมื่อข้อต่อที่ถูกยึดเหนี่ยวเป็นจุดอ้างอิงของช่องว่างอากาศ การสะสมพิกัดความเผื่อจะมีความสำคัญ

พิจารณาการออกแบบช่องโรเตอร์ฟลักซ์รัศมีทั่วไป: ค่าเผื่อความลึกของช่องคือ ±0.05 มม. (ทำได้ด้วยการกลึง CNC) ค่าเผื่อความหนาของแม่เหล็กคือ ±0.05 มม. (มาตรฐานสำหรับ NdFeB เผาผนึก) และความหนาของแนวยึดติดของกาวเพิ่มอีก ±0.03 มม. หากควบคุม สแต็กกรณีที่แย่ที่สุดคือความแปรผันในแนวรัศมี ±0.13 มม. ในตำแหน่งพื้นผิวแม่เหล็ก สำหรับมอเตอร์ที่มีช่องว่างอากาศ 0.5 มม. นั่นคือความแปรผันของช่องว่าง ±26% สำหรับมอเตอร์ที่มีช่องว่างอากาศ 0.8 มม. จะเป็น ±16% ตัวเลขทั้งสองมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับเซอร์โวไดรฟ์ที่มีความแม่นยำ - พวกมันสร้างเนื้อหาฮาร์มอนิก back-EMF ที่แปลโดยตรงเป็นแรงบิดกระเพื่อมที่ทวีคูณความถี่ไฟฟ้า

มีสามวิธีในการจัดการสิ่งนี้ ขั้นแรก ให้ขันค่าเผื่อความหนาของแม่เหล็กให้แน่นเป็น ±0.02 มม. ผ่านการเจียร - ซึ่งจะเพิ่มต้นทุน แต่เป็นมาตรฐานสำหรับแม่เหล็กเซอร์โวมอเตอร์ที่มีความแม่นยำ ประการที่สอง ระบุความหนาของแนวการยึดเกาะของกาวอย่างชัดเจน (โดยทั่วไปคือ 0.05–0.10 มม.) และใช้ฟิกซ์เจอร์ที่ควบคุมระหว่างการบ่ม ประการที่สาม ใช้การบดหลังการประกอบบนโรเตอร์ OD เพื่อนำแม่เหล็กทั้งหมดไปยังตำแหน่งรัศมีเดียวกัน ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับเซอร์โวโรเตอร์ที่มีจำนวนขั้วสูง โดยที่พื้นผิวแม่เหล็กเป็นพื้นผิวอ้างอิงช่องว่างอากาศ แต่ละวิธีมีค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนของกระบวนการที่แตกต่างกัน ทางเลือกที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับข้อกำหนดช่องว่างอากาศของมอเตอร์และปริมาณการผลิต

3. การประกอบก่อนและหลังการทำให้เป็นแม่เหล็ก

NdFeB เผาผนึกสามารถประกอบเป็นชิ้นส่วนที่มีแม่เหล็กทั้งหมดหรือเป็นชิ้นส่วนเปล่าที่ไม่ติดแม่เหล็กก็ได้ ตัวเลือกนี้จะกำหนดว่าต้องใช้เครื่องมือ ข้อควรระวังในการจัดการ และการตรวจสอบคุณภาพใดบ้างในแต่ละขั้นตอน นี่ไม่ใช่การตัดสินใจตามอำเภอใจ แต่มีผลกระทบโดยตรงต่อผลผลิตและความเสี่ยงในกระบวนการ

การประกอบแม่เหล็กสำเร็จรูป (วิธีการทั่วไปสำหรับการผลิตขนาดเล็ก) หมายความว่าทุกขั้นตอนการจัดการเกี่ยวข้องกับแรงแม่เหล็กที่มีชีวิต ความเสี่ยงในการจัดการที่อธิบายไว้ข้างต้นมีผลในทุกขั้นตอน ข้อดีคือสามารถตรวจสอบความสม่ำเสมอของการดึงดูดแม่เหล็กบนแม่เหล็กที่เข้ามาก่อนที่จะเข้าไปในมอเตอร์ ซึ่งทำได้ง่ายโดยใช้ฟลักซ์มิเตอร์หรืออาร์เรย์ฮอลล์โพรบ ข้อเสียคือ ฟิกซ์เจอร์การประกอบจะต้องไม่เป็นแม่เหล็กทั้งหมด และแม่เหล็กที่อยู่ติดกันบนโรเตอร์จะต้องโหลดทีละชิ้นโดยมีลำดับขั้วที่ควบคุม เพื่อหลีกเลี่ยงแรงผลักจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งที่หักแม่เหล็กไปด้านข้างระหว่างการติดตั้ง

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 ขั้ว) การรั่วไหลของฟลักซ์ระหว่างขั้วในระหว่างการทำให้เป็นแม่เหล็กอาจทำให้ขั้วบางขั้วอยู่ภายใต้ความเป็นแม่เหล็กได้ หากการออกแบบฟิกซ์เจอร์ที่เป็นแม่เหล็กไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างระมัดระวัง

จุดครอสโอเวอร์สำหรับผู้ผลิตมอเตอร์ส่วนใหญ่อยู่ที่ประมาณ 500–1,000 หน่วยต่อปี โดยทั่วไปการประกอบด้วยแม่เหล็กล่วงหน้าที่มีการจัดการอย่างระมัดระวังจะมีต้นทุนรวมต่ำกว่าหากต่ำกว่านั้น เหนือปริมาณนั้น ความสม่ำเสมอของคุณภาพและประสิทธิภาพการจัดการของการดึงดูดด้วยแม่เหล็กหลังการประกอบมักจะพิสูจน์ให้เห็นถึงการลงทุนด้านฟิกซ์เจอร์

4. การเลือกกาวและกระบวนการรักษาสำหรับข้อต่อแม่เหล็ก

แรงแม่เหล็กระหว่างแม่เหล็กที่ถูกยึดเหนี่ยวกับช่องโรเตอร์ที่เป็นเหล็กจะไม่หายไประหว่างการแข็งตัวของกาว แต่จะมีอยู่และทำงานตลอด สำหรับระบบกาวส่วนใหญ่ พันธะจะก่อตัวขึ้นในขณะที่พรีโหลดแม่เหล็กกำลังยึดแม่เหล็กไว้โดยสัมผัสกับพื้นผิวกระเป๋า สิ่งนี้มีประโยชน์จริงๆ: แม่เหล็กจะวางตำแหน่งเองกับก้นกระเป๋า ทำให้วางตำแหน่งความลึกได้สม่ำเสมอโดยไม่ต้องใช้ฟิกซ์เจอร์เฉพาะสำหรับแกนนั้น

มิติที่ต้องมีการควบคุมคือตำแหน่งด้านข้าง - การจัดตำแหน่งในแนวสัมผัสภายในกระเป๋าจะกำหนดความสม่ำเสมอของระยะห่างระหว่างขั้วถึงขั้ว ซึ่งส่งผลต่อความสมมาตรของรูปคลื่น back-EMF วิธีการมาตรฐานคือการใช้รูปทรงหลุมที่จำกัดตำแหน่งด้านข้างโดยกลไก (ระยะห่างด้านที่แน่นหนาบนผิวหน้าในแนวสัมผัสของหลุม) โดยมีการควบคุมช่องว่างกาวบนผิวหน้าแนวรัศมี ระยะห่างด้านข้างกระเป๋า 0.05–0.10 มม. ต่อด้านทำให้สามารถโหลดด้วยมือโดยไม่ต้องผูก ในขณะที่ให้ความแม่นยำในการวางตำแหน่งด้านข้างดีกว่ารวม 0.1 มม.

การเลือกกาวมีความสำคัญมากกว่าที่นักออกแบบมอเตอร์ส่วนใหญ่ตระหนัก กาวไร้อากาศ (Loctite 638, 648) ทำงานได้ดีสำหรับพันธะระหว่างเหล็กกับแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงถึง 150 องศา แห้งตัวเร็วภายใต้สภาวะที่ได้รับการควบคุม และมีความต้านทานที่ดีต่อโหมดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ (แรงเฉือนตามแนวหน้าพันธะ) อีพ็อกซี่ (Araldite 2011, 3M DP420) ให้ความต้านทานต่ออุณหภูมิที่สูงกว่า (สูงถึง 180 องศา ) และเติมเต็มช่องว่างของพันธะที่ใหญ่ขึ้นได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้น แต่ต้องใช้เวลาในการแข็งตัวและการยึดเกาะของฟิกซ์เจอร์ที่นานขึ้น สำหรับมอเตอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า 120 องศาอย่างต่อเนื่อง อีพ็อกซี่คือตัวเลือกที่ถูกต้อง - แอนาแอโรบิกจะอ่อนตัวลงที่อุณหภูมิสูง และยอมให้แม่เหล็กเคลื่อนที่ภายใต้ภาระแรงเหวี่ยงที่การทำงานที่ความเร็วสูง

5. การตรวจสอบหลังการประกอบ: สิ่งที่ต้องวัดและเพราะเหตุใด

การวัดสามแบบที่คาดการณ์ว่าโรเตอร์แม่เหล็กที่ยึดติดจะทำงานตามข้อกำหนดหรือไม่ ได้แก่ รูปคลื่น back-EMF ที่ความเร็วอ้างอิง การเบี่ยงเบนของพื้นผิวแม่เหล็ก (TIR บน OD ของโรเตอร์ที่วัดทั่วทั้งหน้าแม่เหล็ก) และความสมดุลของฟลักซ์ระหว่างขั้วตรงข้าม

Back-EMF ที่วัดที่ 500–1000 RPM เทียบกับขดลวดอ้างอิงจะให้ผลลัพธ์รวมของความคลาดเคลื่อนของการประกอบทั้งหมด - การแปรผันของฟลักซ์ระหว่างขั้วต่อขั้ว ข้อผิดพลาดในการเว้นระยะห่างเชิงมุม และความไม่สม่ำเสมอของการดึงดูดแม่เหล็ก ล้วนปรากฏเป็นเนื้อหาฮาร์มอนิกในรูปคลื่น สำหรับโรเตอร์ที่ประกอบอย่างดี แอมพลิจูดฮาร์มอนิกที่ 5 ควรต่ำกว่า 1% ของค่าพื้นฐาน ค่าที่สูงกว่า 2–3% บ่งชี้ถึงปัญหาการประกอบอย่างเป็นระบบซึ่งคุ้มค่าแก่การตรวจสอบก่อนที่มอเตอร์จะเข้าสู่ขั้นตอนการพันและตัวเรือน

การเบี่ยงเบนหนีศูนย์ของพื้นผิวแม่เหล็ก (TIR) ​​ที่วัดด้วยตัวบ่งชี้การหมุนทั่วใบหน้าแม่เหล็กจะวัดความสม่ำเสมอของตำแหน่งในแนวรัศมีโดยตรง สำหรับช่องว่างอากาศ 0.5 มม. ขึ้นไป TIR ต่ำกว่า 0.05 มม. สามารถทำได้และเพียงพอ สำหรับช่องว่างอากาศที่ต่ำกว่า 0.4 มม. (การใช้งานเซอร์โวที่มีความแม่นยำ) TIR ต่ำกว่า 0.03 มม. คือเป้าหมาย - โดยทั่วไปจะต้องมีการดำเนินการเจียรหลังการประกอบตามที่กล่าวไว้ในส่วนที่ 2

HIMAGNET จัดหาแม่เหล็กของมอเตอร์พร้อมรายงานการตรวจสอบ รวมทั้งการคงสภาพ การบีบบังคับ และการตรวจสอบมิติ นอกจากนี้เรายังทำงานร่วมกับลูกค้าในการออกแบบฟิกซ์เจอร์การประกอบและการตรวจสอบความถูกต้องของเครื่องมือที่ใช้แม่เหล็กหลังการประกอบ ติดต่อเราเพื่อแจ้งรูปทรงโรเตอร์และปริมาณการผลิตของคุณเพื่อขอคำแนะนำเกี่ยวกับกระบวนการ