1.引言

由于城市地区排放量和噪音水平高，全球范围内的环保意识日益增强，注意力正越来越多地转向无排放和近乎无噪音的电动机。如今，“永磁(PM)电动机”在电动车领域被全球广泛采用，并且正在不断接受研究。这些电动机依靠能够维持自身恒定磁场的磁体工作。其中，稀土磁体，即由稀土金属制成的强力磁体，通常被用于这一用途稀土磁体并非特别稀有，它们只是恰好属于被称为稀土金属的金属材料类别?；褂衅渌恍┙鹗?，只有在被电场磁化时才会产生磁性，而且只有在电场存在的情况下才会保持磁化状态。这一概念是永磁电机工作原理的核心。

填隙是一种新的方法，旨在使永磁体在运行过程中保持在转子段内完好无损。该方法正处于研究阶段，正由戴姆勒和埃尔朗根-纽伦堡大学(德国)的工程师们进行测试。在永磁电机中，当电流通过线圈时，线圈会充当电磁铁。电磁线圈被永久磁铁吸引，而这种吸引力正是导致电机旋转的原因。当电源被切断时，线圈失去其磁性，电机停止运转。通过这种方式，永磁电机的旋转和运动可以被一个电机驱动器所管理，该驱动器控制通电的时机和时长，进而通过电磁体实现电机的旋转。

图1.永磁电机装配。

图1展示的是永磁电机，或称“PM”电机。转子内包含永磁体，这也是PM电机得名的原因。永磁步进电机的运行原理与混合电机相同，但采用了略有不同的几何设计，PM转子的磁极是径向磁化的，南北极沿着转子的圆周交替分布。PM电机的转子和定子组件都是光滑的。永磁体价格高昂，因为它们含有稀土金属，如和，而这些稀土金属主要产自中国。随着对这些材料需求的增加，其价格也将随之上涨。

2.永磁电动机的构造

永磁电机主要由定子和转子两个部分组成。正如其名所示，定子为静态部件，而转子则为旋转部件。转子由多个转子段组成，每个转子段由若干层叠片堆叠而成。叠片之间通过胶合紧密相连，形成完美的结合。

常规的转子是通过将永磁体放置在转子段上的槽内来组装的，而磁体与转子段槽之间的空隙则被熔融的塑料树脂填充，从而确保磁体与转子段之间实现永久固定。

装配过程涉及两个步骤，在第一步中，磁铁被小心地定位在转子段上，在第二步中，通过将熔融的塑料树脂注入磁铁与转子段之间的空隙，将磁铁固定在转子段上。然后，转子段被堆叠在一起以形成转子。

3. 密封过程

填隙是一种机械连接工艺，用于牢固地将两个部件结合在一起。在电动机中，可以通过在转子段内填隙来将永久磁铁牢固地固定住。填隙是通过使用工具钢制成的冲孔工具在转子段上施加表面压力，从而对转子层压材料进行塑性变形来实现的。材料发生变形并向磁铁方向流动，同时压靠在磁铁表面上。凸起转子段与磁铁之间的压缩力在操作过程中将磁铁牢牢固定在转子内。

填隙是一种正向锁定机制，意味着两个部件或金属之间没有使用粘合剂或连接材料而直接粘合。这有助于提高电机的效率，因为磁体和转子之间的气隙被显著缩小。

这消除了使用不环保的塑料树脂的做法，同时也消除了传统电动机组装过程中采用的二步组装工序，从而降低了制造成本。灌封工艺的效率主要取决于工具几何形状、灌封深度以及灌封位置。

4.范围

为了达到有效的填缝效果，需要预测最佳的工具几何形状、填缝位置以及填缝深度需要找到上述参数的合理组合，以确保填缝完成后磁体完好无损且没有裂纹，同时磁体从转子段上拆卸所需的施加力落在指定的最佳范围内。工具几何形状在填缝过程中扮演着重要角色，因为其形状会影响磁体中的应力集中。填缝位置以及最终的填缝深度则影响填缝过程中所需的力，从而有助于估算工具寿命。

4.1工具几何形状

工具几何形状在填隙过程中发挥着有效作用。不同的工具几何形状以不同的方式置换转子材料。有效的材料置换决定了磁体和转子段之间的配合。被置换的材料不应过于尖锐，以免在磁体上产生应力集中而造成损坏;同时，被置换的材料也不应过于宽泛，因为这会导致组件之间的接触压力减小，从而在运行过程中导致磁体滑动。目前，有3种不同的工具被用于密封模拟，并且它们的效应对转子段和磁体的影响正被研究。

图3.工具横截面。

图3展示了用于填隙的不同工具几何形状(横截面)。第一个工具是金字塔形，第二个工具是圆形，第三个工具也是圆形但边缘经过平滑处理。每种工具都对填隙过程有着各自的影响。为了达到最佳的填隙效果，需要确定这三款工具中最好的一款。

5.密封模拟

如前所述，填隙模拟涉及层压材料的巨大塑性变形，因此需要专门的软件才能得出收敛解。进行模拟的必要性在于永久磁铁成本高昂且市场供应稀缺。在实际的硬件填隙工艺测试中，过高的填隙力可能会损坏磁铁，从而需要投入大量资金进行测试。更明智的做法是先进行模拟，以找到最佳的填隙参数，然后再进行硬件测试。

5.1 模型数据

转子段被建模为一系列厚度均为0.3毫米的层压板。每一层压板都通过摩擦接触与相邻层压板相连接，从而更贴近现实地模拟了转子段。随后，根据所需的横截面，对工具进行了建模。转子段材料被建模为非线性，而磁体材料则被建模为线性。

在转子段的顶部和底部使用了止挡板，以模拟硬件测试设置。由于该模型在本质上具有循环对称性，为了缩短模拟时间，分析时仅考虑了转子段的对称部分。

通过应用恰当的边界条件，如转子段侧面的循环对称性以及止动面上的平移约束，来复制测试设置。

图4.模拟模型设置。

工具被建模为刚性元件，并在工具和层压板之间应用了通用接触。

5.2 分析

Abaqus Explicit被用于模拟该模型，因为它能够稳健地解决涉及接触和塑性变形的问题。最初，该模型是用市场上其他现有的常规显式求解器进行模拟的。但无法在限定时间内获得结果。没有Abaqus/Explicit的帮助，就不可能实现对填缝过程模拟的解决方案。与Abaqus/Implicit相比，拟结果所需的空间也非常小。

整个模型使用了通用接触。通用接触交互通常通过指定默认由Abaqus/Explicit自动生成的表面的自接触来定义。通用接触算法中使用的所有表面可以跨越多个未附体体，因此该算法中的自接触并不局限于单个体与自身之间的接触。通过通用接触算法，每个从节点在每个增量内可以观察到与多个面之间的接触。

这样有助于解决涉及经历巨大塑性变形的组件间相互作用的问题。该组件由层压板层层堆叠而成，磁体被放置在转子段提供的槽内。转子段与磁体接触面之间采用一般接触方式。工具被定位在转子段表面之上。在第一步中，以指定速率对工具施力。在第二步中，

随后将工具移回原位，以便在转子段内实现回弹。第三和第四步是对另一侧工具重复前两步的操作。

图5.磁铁柱密封胶中的应力。

从图5中可以观察到在填缝模拟后的磁体上的应力分布。磁体中的应力取决于工具几何形状、穿透深度以及填缝位置。

5.3 装配完整性

一个成功的填缝作业的主要标准之一是填缝后的转子段磁体是否完好无损。磁体不仅在装配过程中必须保持完好，在电机的快速运行阶段也应如此。即使磁体与转子段之间存在轻微的相对运动，也可能在运行过程中引发灾难。为了避免这种情况，必须进行检查。

在高操作速度下抽出磁体所需的力。最有效的做法是在磁体上方施加位移控制，并检查反作用力。如果该力在安全限值内，则可得出结论:磁体被安全地固定在转子段中。

图6.磁体提取。

图6显示了为磁体抽出而绘制的力 vs位移图表。该图表有助于找出由一组参数组合实现的填隙效果。

6.结论

通过检查磁体中的应力以及组件的完好性，成功借助Abaqus/Explicit找到了最合适的参数组合，从而避免了磁体承受过高应力或组件完好性降低的情况。通过模拟，找到了最理想的工具几何形状、工具切入深度以及填充位置，并在硬件测试中予以了实施。测试结果与模拟结果很好地吻合。