一种永磁同步电机的结构及尺寸公差配合方案

一种永磁同步电机的结构及尺寸公差配合方案

沈国威

身份证号码： 441421199409165116

摘要：永磁同步电机相比一些传统的三相异步电机具有体积小、效率高、过载能力强等显著的优势特点。特别是现在能效问题及国家的碳中和目标的背景下，高效率的永磁同步电机就更加具备良好的工业应用前景，可替代一些效率较低的传统异步电机，提高设备的整体效率，助力企业节能减排。永磁同步电机的基本结构与传统异步电机基本一致，分为定子，转子和端盖等部件；最主要的不同点是电机的转子是由高性能永磁体材料组成磁极^[1]。本文以永磁同步电机为主要研究对象，讨论了永磁同步电机结构及一些适合生产制作的公差尺寸配合方案。

关键词：永磁同步电机；电机结构；公差配合；

永磁同步电机在国内的发展非常迅猛，普及的行业也越来越广。在传统的工业行业，许多设备厂家的动力源也从传统的三相异步电机更换为高效的永磁同步电机。例如注塑机、挤出机、油压机、机床等行业基本都采用了高效的永磁同步电机作为设备的主要动力源。特别在注塑机行业，由于永磁同步电机具备调频变速和超宽的效率平台，尤其适合作为注塑机设备的液压系统动力元件。特别在注塑机的保压工况下，在保持转矩输出的同时，调频降速使得此工况可以以较低的功率进行运作，降低了此时的工作电流，有效地提高了设备的节电率。本文主要以注塑机使用的液压伺服永磁同步电机为例进行主要结构介绍及相关的配合公差建议，以便可以给大家在进行永磁同步电机设计时提供一点建议和参考。

1 永磁同步电机结构

1.1永磁同步电机的冷却方式

永磁同步电机为了防止运行温升过高和结合成本经济性等各方面的综合考虑，会选择一种合适的冷却方式来帮助电机进行散热降温，避免电机内部的绕组、永磁体及轴承等部件在长时间高温状况下损坏。

当下主流的电机冷却方式有以下几类：1、自冷式：即电机不添加任何冷却措施，让电机在自然环境条件下，依靠自身和环境进行热交换来实现电机的冷却。2、风冷冷却：风冷冷却方式又可分为他扇冷式和自扇冷式，现较多的异步电机就是采用后者冷却方式，而永磁同步电机因其体积控制和为了经济性等考虑会选择前者作为冷却方式。一般会在电机的尾部配置一个轴流风机或者涡流离心风机进行强制吹风冷却。3、内部冷却：这种冷却方式是在电机的机壳或者铁芯和转轴等内部布置一个管道式的冷却系统，由此可以向电机内部通入油、水或者其他介质的冷却液体来带走电机产生的热量实现电机的散热降温 ^[2]。当下较多的新能源汽车使用的驱动电机一般会采取此类冷却方式，特别是国外的特斯拉新能源汽车内部的驱动电机更是将此冷却方式运用地非常极致，极大地提高了电机的功率密度。

综合来说，这几种冷却方式各有优势利弊，设计者可以根据使用环境和设备的安装结构等条件去选择合适的冷却方式。在本文中主要讲解第2种适用于较多注塑机设备的强制风冷式永磁同步电机为主。

1.2永磁同步电机的结构

永磁同步电机根据转子内部磁钢的位置可以分为内嵌式电机和表贴式电机，其中表贴式的转子结构还因为旋转部位的区分可以分为外转子式和内转子式。本文主要介绍内嵌式永磁同步电机的结构为主。

如下图1所示的，永磁同步电机主要由定子、转子、前后端盖及前后轴承还有编码器反馈元件组成，另外在电机尾部装有强制冷切风机，在电机的定子外表面布有风罩板形成一个散热风道。当电机运行时，冷却风机通电开始工作，可在机座与风罩板之间的风道形成一个强力的风流，对电机进行散热降温。使得电机整体的温升可以控制在使用要求范围内，确保电机稳定运行。

此外，附图所示的电机前端轴承处设计了一个比较巧妙的结构，在电机的轴承前端增加了一个轴承紧固挡圈，同时在轴承后端设有一个轴承内盖，通过图示可以看到，电机前轴承的内外圈均被部件牢牢固定，这样可以有效防止电机的转子前后窜动。此结构有两方面的好处：一是可以防止电机的转子窜动，确保电机在运行过程中定转子铁芯在轴向方向对齐，使得实际使用的铁芯有效长与设计值一致。二是防止因电机转子窜动，导致后端的编码器转子位置改变而出现报警的情况，确保电机平稳运行。

图1 永磁同步电机结构

1.3永磁同步电机的材料选择

随着市场环境的竞争性越来越大，许多客户对于电机外观和经济性的要求也越来越高，因此选择合适的材料来制作电机的零部件也是电机设计者需要慎重考虑的。

在电机的定子方面，定子铁芯的材料以硅钢片为主，对于普通注塑机使用的电机来说，选择50DW600或者50DW470等牌号的硅钢片较为合适，绕组选择漆包圆铜线绕制后嵌入定子铁芯处，绝缘材料根据注塑机的工况选择F级绝缘材料，其经济性较为符合。机座的材料可以选择铝材，设计者可以根据结构要求设计合适的机座外框，然后采用挤拉工艺制作出铝型材机座后，再采用机加工的方式制成合适尺寸。采用挤拉铝型材作为定子外壳的一大优点是可以自由选择所需的机座长度，可以一个模具通用整个机座号系列产品；同时挤拉铝型材的密度较好，没有任何气隙缩孔等，导热性能更加优越。另外风罩板也可以采用此工艺选择铝材制作。

电机的转子方面，转轴采用40Cr或者45#，一是成本经济性及加工制作工艺性均比较符合要求，同时性能也可以满足多数用户的需求。在转子的永磁体选择方面，可以选择35UH~40UH牌号的永磁体作为电机的磁极材料，一是基本可以覆盖此类电机的性能要求，另一方面是成本也较低。电机的前后端盖可以根据实际要求选择铸铁或者铸铝件，两者的成本也比较低，同时可以利用铸造工艺实现加工一个较为复杂及美观的端盖，有利于提高电机的整体外观性。

2 永磁同步电机结构的公差配合

永磁同步电机的结构设计完成后，各个零部件的公差选取也是非常重要的，这不仅会影响电机的整体性能和生产过程中的装配工艺外，也直接影响了电机零部件的加工要求和加工成本。

2.1定子的重要尺寸公差配合建议

定子的部件主要有定子铁芯及机座两大部件。定子铁芯是依靠冲压模具得到一片片的冲片后，再通过叠压模具叠压焊接而成，模具冲压冲片可以达到的公差等级为8级，内部槽型尺寸一般为10~12公差等级。冲片叠压成铁芯后，因毛刺和叠压模精度等考虑，外径一般比冲片大1~2丝。设计时冲片的外圆公差建议选择正公差，一是考虑尽可能利用材料，二是可以更好确定其与机座的配合尺寸。

冲片外圆公差确定后便可确定机座的内圆配合尺寸公差，内圆的公差等级在7级左右较为合理。铁芯和机座的配合是需要过盈配合的，考虑电机在运行过程中，铁芯内部的温升会比较高。由于铝和钢的受热膨胀系数不同，铝大概是钢的2倍膨胀尺寸^[3]，因此机座与铁芯的过盈量需要达到20~30丝左右时，才可以保证电机在运行过程中，不会因定子温升升高，铁芯与机座发生膨胀后，两者的尺寸配合从过盈配合转变为间隙配合而发生相对的旋转位移。同理，此大过盈量可以加热铝机座膨胀后套入铁芯实现装配。机座的长度根据装配要求，一般会选择h8作为公差带等级。综上所述，132机座号的定子部分的零件重要配合尺寸公差可以如下表1所示。

表1 定子的零部件公差选取

2.2转子的重要尺寸公差配合建议

转子的主要零部件有转子铁芯、轴、永磁体、转子压板及铁芯钢套。转子铁芯也是采用模具冲压后叠压而成，其冲压内外圆公差一般为7~8级。如图2所示，永磁体是内嵌至转子铁芯处的，他们之前应该留有足够的间隙，生产装配才可以顺利进行，也有利于生产自动化工艺。设计时可考虑永磁体尺寸较转子冲片孔尺寸的单边间隙为0.075mm。永磁体自身的制造公差考虑成本和精度要求，可取公差为标准尺寸的±0.05mm，转子冲片及铁芯孔可走正差，确保两者的间隙尺寸。转子铁芯与轴采用过盈配合，一是过盈配合可以更加有效地传递永磁体产生的热量，二是可以省去轴的键槽结构，节省加工成本。取过盈配合，轴和铁芯之前的装配采取压装的方式，设计者可在转子铁芯内圈设计一些圆弧槽孔，使得转子铁芯在压装到轴的过程中可通过槽孔排出两者间的气体，确保铁芯可以顺利装配到位。

图2 永磁同步转子剖面示意图

如下表2和表3所示，转子零部件中较为重要的配合尺寸可以按照下述参考选择：

表2 转子轴及铁芯配合公差

表3 转子铁芯及永磁体配合公差

转子压板是装配在铁芯两端用于固定铁芯及永磁体，考虑不导磁的要求可选用铝材加工；铁芯钢套则是装配在靠近轴尾端侧的转子压板后，用于防止铁芯及压板轴向移动。这两个零件与轴均采取过盈配合，平均过盈量需要在6~8丝左右，如表4所示：

表4 转子轴及铁芯配合公差

2.3其他零件尺寸公差配合建议

定转子尺寸公差确定后，就可以对应选取前后端盖止口与机座内圆的配合尺寸，两者之前选取过渡配合，端盖的止口公差等级可选取在6~7级，这样既可以确保定转子之前的同心度，也可以确保装配过程的操作性较好。此外机座的配合止口尺寸可与配合定子铁芯档的内径公差尺寸一致，这样可一次性精加工整个机座内径尺寸，减少加工工艺。

表5 端盖止口与机座内圆公差

电机的轴承公差配合也是一个非常重要的点，尺寸过松则轴承容易产生噪音，而过紧而容易使得轴承滚珠之前憋死，使用寿命不长。根据轴承手册及加工精度考虑，配合轴承内圈的轴档位直径尺寸可选取k6公差等级，配合轴承外圈的端盖内部轴承座孔可取H6公差等级^[4]。固定轴承轴向位置的挡圈尺寸公差配合可按照H7/t6过盈配合选取，此配合尺寸采取加热挡圈套入的工艺法可实现装配，两者的过盈量也能起到挡圈的固定作用，防止轴向窜动。

3 结语：

永磁同步电机结构随着材料及加工工艺的不断拓展，电机的结构性设计也越来越多样化，只有不断深入了解材料及加工工艺发展水平，才可以设计出更好的电机结构，使得电机的经济性更好、功率密度更高、电机的性能也更加符合用户的需求。此外，良好的结构也需要配对合适的尺寸公差，尺寸公差配合选取也需要设计者不断地积累经验。只有充分实践和验证，才可以得到更加适合电机零部件的公差配合尺寸，做出一个高性能的永磁同步电机。

参考文献：

[1] 邱国平. 永磁同步电机实用设计及应用技术[M].上海：上海科学技术出版社, 2020.

[2] 汤蕴璆. 电机学（第5版）[M].北京：机械工业出版社, 2014.

[3] 成大先. 机械设计手册（第5版）第1卷. [M].北京：化学工业出版社, 2008.

[4] 成大先. 机械设计手册（第5版）第2卷. [M].北京：化学工业出版社, 2008.