1号非晶电机的制作
文|籾井基之
编辑|闫妮
非晶合金的选择与电机开发的理念
有过世界节能行驶大赛(WEM)参赛经验的我,因看到MITSUBA YOISHOT车队带着独立开发的DD电机参赛并获得冠军很受触动。我当时的想法是,要想在比赛中夺冠,就不能使用已有的电机,必须独立开发、制作新的电机。这个电机必须是没有在市场上销售,而且其他WEM参赛队伍也都没有使用的,因此使用了非晶合金铁心的DD电机。使用非晶合金铁心可以降低电机的铁损,提高效率,为获得比赛冠军提供强大的动力,这就是当时我的想法。对了,DD是directdriver的简称,后面加上电机就是称为DD直驱电机。与传统的电机不同,该产品的大力矩使其可以直接与运动装置连接,从而省去了诸如减速器,齿轮箱,皮带轮等连接机构。
电机的设计
开始尝试设计电机时,首先要确定哪些内容呢?我对这些并不是很清楚。但目标是比MITSUBA车队使用的DD电机性能更好。
MITSUBA的DD电机铁心是硅钢片组成的。非晶合金虽然铁损更小,但是比起硅钢片铁心,它的饱和磁通密度也更小,磁通密度较小就会导致转矩不足。因此,最开始制作的电机直径比MITSUBA团队的DD电机要大一些。
同理(饱和磁通密度小),绕线的齿要更大一些。但现在来看,当时对磁路设计(针对磁体厚度,决定气隙最合适的大小)并没有完全理解。
经过一番犹豫、电机设计方针确定为:①让更多的磁通量通过铁心的齿;②减少线圈匝数。
这样,电阻就会减小,可以减小电机的铜损。为了防止磁体与铁心在电机旋转时发生碰撞,间隙设置为0.5mm。
为了防止磁通量饱和,我加大了铁心齿的尺寸,因此绕线空间变小了。量产的电机绕线都是由机器自动完成的,需要保留必要的间隙,但我当时乐观地认为手工绕线可以做到没有间隙,应该是可行的。
开始制作——非晶合金材料的加工
(1)薄、硬、脆的非晶合金材料该如何加工?
非晶合金材料很难作为一般材料使用的首要原因就是加工难度大。虽然我认为以片状使用是非常合适的。但是,作为块状使用时,由于非晶合金本身很薄,需要很多张叠起来使用,很不方便。再者,它又硬又脆,冲孔也很困难。
那该如何进行加工呢?自制电机的时候就要确定处理方法,并考虑之后的加工工序。
(2)决定采用线切割方式加工
首先,我就加工铁心的形状进行了研究。1号非晶电机的规格见表1。
表1:1号非晶电机的规格
A.激光切割
这是常用的硅钢片加工方法,但加工后去除毛刺的工作量较大。
B.蚀刻,溶化不需要的部分
这种加工方法的精度高,也不会产生毛刺,但是耗时长、成本高。
C.黏合为块状,然后进行水刀切割
我虽然听说过有采用这种方式加工的先例,但是在远离喷嘴的地方、水会扩散,加工出的成品多少会因此留有一定的斜度,无法达到0.01mm级的配合精度。
D.黏合为块状,然后进行线切割(电火花加工)
虽然这种加工方法的时间和费用成本很高,但可以一次性达到很高的加工精度。
以上四个方案中,我选择了方案D,并进行了试验。非晶合金材料铁心的制作过程如图1所示。
(3)手工逐张剪切铁心材料,共计1000张
图1 :切割1000张非晶合金材料
为了顺利进行线切割加工,要将非晶合金材料黏合成可以容纳铁心尺寸的正方形块。首先,将材料展开,展开长度要比材料辊筒稍长,然后进行切割(图1)。
铁心厚度设计为25mm,所以恰好需要1000张0.025mm厚的箔状(比电路板铜箔还要薄)非晶合金材料。这是一个需要很大耐心的作业,回过头来看,其实这还只是一个开始。
对铁板进行轧制时,其表面会附着油。我决定使用有机溶剂丙酮逐一仔细擦拭材料表面,用刷子清洁,避免表面附着残留物质。
(4)存在各向异性,叠层时需改变方向
本来,非晶合金材料为非晶质,并且是各向同性的。但在实际测量中发现,辊的铸造方向上和宽度方向上存在磁特性的差异,并且具有各向异性。
电机的铁心如果存在各向异性,就无法顺畅地转动,还有可能导致电机效率下降。既然是要制作前所未有的高性能电机,就不能轻易妥协,以免后悔。
如何改善了磁化方向一致性,趋于各向同性呢(详见非晶中国网站链接下载)。
进行材料叠层时,用橡胶刮刀将树脂涂敷在材料的每一个面,然后进行黏合。
并不是将1000张材料叠成一个材料块,而是每200张材料黏合一个材料块,厚度为5mm(图2)。
图2:涂敷黏合剂后叠层的非晶合金材料
(5)如何将黏合剂薄薄地涂敷在材料表面?
这里使用的树脂是CFRP成型模具上使用的耐热型环氧树脂。虽然它不适合黏合金属,但是用于结构部位的黏合剂为高黏度液体,无法大量且薄地涂敷在材料上,所以做了这样的选择。
将材料加工成块状时,自制的用于FRP板材成型的液压热压机发挥了很大的作用。使用这个工具对叠层材料块(黏合剂还没有硬化之前)加压,将多余树脂挤出的同时,通过加热使树脂硬化(图3)。
图3:使用液压热压机对非晶合金材料施加压力
实际上,控制黏合剂厚度是非常困难的。非晶合金材料之闻存在薄薄的树脂层,并实现绝缘,是最理想的状态。如果材料一个面上涂敷的树脂厚度为1µm,将1000张材料叠层,树脂的整体厚度就会增加到1mm。这样电机相关部位的设计尺寸就会发生变化(占积率变小,单位体积上的饱和磁通密度减小),线圈的周长变长,电阻增大。
(6)谨慎进行铁心形状的线切割加工
由于没有线切割加工的成功经验,加工进行地十分谨慎。为了防止失败导致一切都得从头再来。我将200张总计5mm厚的材料叠层形成一个材料块。这样的材料块有5个,线切割加工也是分开进行的。到此为止,非晶合金材料块就完成了。
图4:非晶合金材料块
线切割是电火花加工的一种,是在水中将细铜丝接近材料(重点是不直接接触)释放火花,一点一点地进行切割的加工方法。其特点是加工精度高,加工耗时长。在加工的过程中,出现了一次设备停止后机器突然做出设定以外的动作,导致铁心的齿被切割掉的加工事故。因此,重新制作了一个材料块进行加工,此后各项进展都比较顺利。
图5:线切割(电火花加工)
图6 :铁心切割(材料块加工)结束
线切割加工本身是很成功的,但某些部分的端部出现了黏合剂脱落的现象,组装时再一次使用树脂进行修补。
(7)材料块的组合
最后,将5个材料块组合成一个整体。这里也要使用黏合剂。操作场景如图7所示。
图7:铁心材料块组合
(8)铁心的绝缘处理
铁心制作完成后,接下来的操作就是绕线。在此之前需要对铜线的接触部位进行绝缘处理。通过驱动电机线圈的电流非常大,绕组线的绝缘层稍有剥落,就会与电机铁心短路,发生重大事故。
大型电机上,大多使用纤维纸进行电绝缘。但纤维纸无法适应复杂形状,不适合集中绕线。因此,从方便购买、适应性、耐热性、可操作性等方面考虑,最终使用的是特氟龙胶布(厚0.18mm)。
图8:在电机铁心上粘贴绝缘胶布
(9)绕线作业
为了达到想要的空载转速,线圈绕多少匝合适,我对此毫无概念。首先,使用细线试绕后进行驱动,验证匝数与转速的关系,最终确定绕线的匝数。
为了减少铜损,如何在铁心的有限空间里尽量多绕线是关键。方法有使用粗线绕制和使用细线紧密绕制两种。
使用粗线虽然可以减小导线涂层的占空,但是间隙变大,效率下降;使用细线紧密绕制,虽然可以减小间隙,但是匝数变多,涂层的占空也会变大。弯曲粗铜线需要很大的拉伸力,由于没有坚固的骨架,采用的是使用细铜线紧密绕制,提升占积率的方法。
图9:绕线作业完成
磁体和外壳
(1)定制钕磁体
永磁体(以下简称磁体)中,最具代表性的是铁氧体磁体与钕铁硼磁体(以下简称钕磁体)。这次我仿照电机制造商MITSUBA采用具有强磁力的钕磁体。
分段式钕磁体可以根据自己需要的尺寸来进行定制。它是线切割加工块状磁体并磁化而成的(图10)。它不是平板状的,而是根据电机的形状呈曲面形。这次制作的电机是20极的,内侧N极为10个,外侧S极为10个(各准备1个备用)。
图10:定制钕磁体
我的目的是制作在WEM大赛中发挥良好性能的电机,因此没有对磁体发热的状况进行考虑。
(2)磁体安装不进磁轭
将加工好的磁体固定在磁轭之前,进行拼装确认,发现最后一个磁体无法装入。因此,用砂纸对磁体的端部进行打磨(铁锉刀会被磁体吸住,很危险)。
安装不下的原因是防锈镀镍层过厚,对每块磁体都进行打磨,去除的厚度为干扰量除以磁体的数量。
(3)五金件的加工交给专业人士完成
所有的五金件加工都是由专业人士完成的。实施直径大、厚度小的钻床加工是很困难的,寻找适合从事这方面加工的专业人士也费了不少工夫。
图11:五金件
(4)电机外壳与辐条安装
外壳铝制部件采用A7075铝材。考虑到转子永磁体育轭的饱和磁通密度越高越好,其材质为含碳量低的S20C。
该电机为DD电机,因此电机的外侧直接与轮胎相连。本次开发的DD电机外径比轮胎内径要小,要用辐条对电机和车轮的轮毂进行连接。
为此,背轭也通常具有由铝材制成的可以安装幅条的轮毂形状,而且采用铝合金外壳从左右方向进行固定。
从外观上看,电机外壳与普通车轮没有什么区别,但是由很多零部件构成的。
图12:安装幅条
至此,采用非晶合金铁心的DD电机就制作完成了。
图13(a):非晶铁心DD电机全景
图13(b):电机部分放大
电机制作完成
(1)在WSBR中首次亮相
电机通过了同年8月在大潟村赛道举行的世界太阳能自行车赛(World Solar Bicycle Race,WSBR)的参赛审查,首度亮相。在100km比赛中获得第三名,用时1小时46分钟,平均速度为53km/h。
图14:采用非晶电机的参赛车辆
(2)超出预想的结果
首次制作的电机完成了比赛,可以说是一个巨大成果、但完成比赛只能说明电机实现了自身功能,与目标电机还有很大差距。比赛结束后,用手触摸电机,明显感到发热,即使不进行测量也知道电机的效率很低。
电机制造商MITSUBA给出的意见是,钕磁体的磁性很强,调大气隙,使之在宽度方向比铁心尺寸更小,可以减少磁通量。
也就是说,永磁体产生的通过定子铁心的磁通量比铁心饱和磁通密度还大。非晶合金材料的饱和磁通密度非常小,这是我早就知道的。但是,达到饱和时,为什么不行,会发生什么,这些都是当时没有意识到的。亲身感受到电机的发热,才真正理解磁通饱和原来会在这些方面产生不良影响。
发热的原因究竟是高磁通量导致的磁滞损耗,还是磁通饱和导致电感减小,无效电流导致的铜损,至今仍然不是很明确。
磁通饱和的电机的永磁体已经被磨损了,现在无法进行验证。但是以目前的经验来看,原因并不是上述两者之一,而是两者共同作用产生的发热。电机发热导致铜线的电阻增大,如此陷入了恶性循环。
(3)改良——将磁体变薄变窄
为了提高电机性能,我决定对电机进行改良。具体来说是,为了扩大转子与定子之间的气隙,对磁体的厚度进行打磨。当然,对磁体进行打磨是不可取的,但除此之外也别无他法了。
我用手转动转子的旋转轴,使用打磨棒对磁体进行了细致的打磨,扩大了间隙。宽度方向上,使磁体的宽度变为铁心宽度的2/3。
为了实现轻量化,我还对背轭的多余部分进行了打磨。
电机制作的感想与反思
(1)排除疑虑
使用首次制作的电机完成比赛,让我获得了"原来我也可以设计出可以运转的电机"的自信心。但是,我的目标是在节能行驶比赛中,以首例使用了非晶合金材料的高性能电机技惊四座,取得华丽的初场胜利。从这个层面来看,还是有些遗憾的。
从第一次制作电机的过程中获得的自信和遗憾,也成为了后续开发电机的动力。
(2)进一步改良——将导线由圆线改为扁线
将绕组线由圆线变为扁线后的电机如图15所示。通过这个改变,端子间的电阻大幅减小。
图15:圆线变扁线
扁线很容易弯曲,在铁心齿上缠绕时非常方便。但是,如果缠绕得不够整齐,就无法获得想要的匝数。另外,扁线在横向上很难缠绕,无法在绕好一个齿后继续缠绕下一个齿,需要一个一个绕好后再进行接线。
(3)局部铁心电机的制作
同一场比赛中,为何DD电机又大又重,普通(减速型)电机又小又轻?我产生了这样的疑问。
①DD电机:大转矩,低转速→大尺寸磁体和铁心;②减速电机:小转矩,高转速→小尺寸磁体和铁心+齿轮。
能否实现很轻的DD电机呢?我的方案是使用局部铁心结构。
当然,电机铁心的材质是非晶合金。第一次开发的电机虽然也采用了非晶合金材料,但是非晶合金材料的优势没有在高频领域得到体现,是一个转速较低的DD电机。
我对适合在更高频率范围内使用的DD电机遇行了思考。
通过图16可知,转子的直径为1号非晶电机的2倍,极数也是其2倍,达到40极。定子线圈的槽数变为了9槽。
图16(a):内部结构
图16(b):放大后的铁心
又一次遭遇了失败,局部铁心电机轮毂的外部如图17所示。
图17:轮毂的外部
预想的是,使用大直径、多极化的磁体和小尺寸铁心来应对高频应用。频率变高,感应电压增大,可以通过减少线圈匝数来减小电阻。
当时还没有完成测量对比,也没有留下正确的数据,在试跑中感觉没有获得预期的效果。准确来说,就是空载电流过大。
空载状态的电流过大,增加负荷后电流会更大,结果令人失望。
磁体是环形排列的,铁心却是局部的。从铁心侧来看是可以看见的。但是从磁体侧来看,与铁心相对的范围可以形成磁路,有磁通量通过没有铁心的部分,磁通量几乎为零。磁体与背轭中的磁通量在转动一周的过程中汇总,磁通量的变化增大,产生巨大的涡流,进而产生损耗。我是这样推测的。
现在,将磁体分割成小块,将背轭变为叠层结构,或许可以抑制涡流的产生。
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