关于盘式电机定转子铁心成型的探究

        盘式电机以其结构简单紧凑，轴向尺寸短，节约原材料，下线方面，能实现自身制动等优点而日益得到电机制造业的重视。而盘式电机的制造生产，其中最关键便是盘式电机的定转子铁心的制造。如图1所示，这种盘式电机的定转子，不同于传统电机的定转子，前者的下线槽是轴向通槽，而后者由于下线槽是开在圆柱体的端部，呈径向通槽。并且在同一台盘式电机，内外径尺寸相同，轴向尺寸不同的定子转子，他们的下线槽是不同的，定子槽都为辐射状直槽，转子槽都为朝某个方向倾斜的斜直槽。另外，转子的槽数通常又多于定子槽数。

图1 定转子机构简图

        正是由于盘式电机本身定转子的结构独特性，带来了定子和转子同传统电机定转子成形上的区别，传统电机定转子是用硅钢片先冲好槽，然后再一片片叠合。这种加工方法可见，而盘式电机定转子成型是用冲好槽的硅钢片带料卷绕而成，并且在专用卷绕设备上自动成型，本文主要阐述基于定转子本身的结构特点，在满足定转子成型工艺特点要求上，常见的几种卷绕自动成型方法，及其相应各种补偿机理，误差修正措施。 

1、定转子铁心成形工艺特点 

1.1定转子成型工艺要求 

        要把硅钢片带料，高质量，高效率卷绕成型成定转子，必须在专用的卷绕设备上成形，图2为国内常用的卷绕设备自动成型系统示意图。首先定转子坯料经校平后，由高速冲床冲好槽，冲好槽的带料经送料机构或者由卷绕设备本身提供的动力送至卷绕设备，卷绕自动成形。冲床上冲槽必须保证，每隔一段距离冲出相同的形状的槽，再经卷绕成形，要求卷绕好定转子的外观上槽孔要一一对齐。由于定转子圆周上卷绕时，每卷绕一周，带料到圆周中心的半径是不断的增大，那么每两个相邻的槽孔在不同的圆周卷绕层上的弧长是不断增大的，所以，这个弧长我们称之为相邻槽距，它将随着卷绕层数的不断增加而增大，且满足其相应的规律。这就是定转子成型工艺的要求。

图2  卷绕自动成型系统图

1.2  相邻槽距的变化规律 

        相邻槽距，即冲床冲两个槽之间的距离或送料机构所送料的带料的长度，满足随卷料半径的不断增大而增大，由于所用经轧制过的硅钢片的厚度是可以认为是等厚度的，那么定转子每相邻层的半径变化值等于硅钢片的厚度。若观察成形好的定转子的端部，各层之间所形成的曲线颇似阿基米德螺线，并且相邻槽距的角度可以根据槽数Z来确定，即2π/Z（π为圆周率）那么在每迭加这样的角度上卷料弧长便是槽距，根据西安交通大学赵升吨教授推导的公式可知      d=t÷（Z×Z）×2×π-------------d为槽距，t 为硅钢带料的厚度。 

显然d是常数，并随着定转子自动成型的过程的进行，冲床或送料结构所送料长度为等差数列值递增。 

2、定转子自动成形及其补偿方法 

2.1 定转子自动成形特点 

        高速冲床在冲每个相邻的两个槽距的时间为一个工作周期，在每一个工作周期内，冲床不但要保证冲出形状和尺寸相同的槽，同时，两槽之间的距离即槽距要符合一个为d的等差数列的递增值。若冲槽中心与卷料轮中心之间的距离称为冲裁距l，那么则在冲床每一个工作周期内，冲床冲好一个槽孔后，卷料轮在这段时间内迅速转过2π/Z的角度，正好完成送料结构送入规定长度的坯料，这样循环往复，直至完成对定转子的成形。但是，由于受冲床和卷绕机构结构上的限制，冲槽中心和卷绕中心不可能完全重合，故这个冲卷距是大于零。

        从图2中可以看出，卷绕轮在卷料过程中，卷料半径逐渐增大的，在冲床对已送进的坯料冲出孔数相等的前提下，l不为零时卷料轮所卷的坯料外径比l为零时小，此时，l不为零时卷料轮转过2π/Z角所产生的对冲床的送料长度比l为零时短，亦即l不为零时，卷料轮所转2π/Z角所产生的送料长度比冲床此时所需的送料长度短。很显然，定转子成形的关键是如何给冲床送料长度成等差数列递增的坯料。

2.2 成形方法

22.1 成形方法分类 

        定转子成形的关键在于保证送料结构给冲床送入长度呈等差数列递增数值的坯料。以便于在每一个工作周期中，冲床既能冲出形状相同的槽，又能保证两槽距成正确的理论值，这样卷绕时就能使坯料的槽孔在圆周中所有同一个方向的槽孔就能一一对齐。但是，正是由于存在着冲卷距l的数值，使的卷料轮转过2π/Z时所产生的送料长度比冲床此时所需的送料长度短，这时就需要一定的补偿值，针对这种补偿，通常有两种方法，一种是角度补偿，在卷料轮转过2π/Z角后，再附加转过一定的角度，以保证卷料轮此时转过的角度后带动坯料送料长度能满足冲床同一时刻上的送料长度要求。另外一种补偿方法便是长度补偿，即在卷料轮转过2π/Z角度后，能在冲槽中心和卷绕中心之间的水平距离附加一段长度，使的卷料轮转过2π/Z角度所带动的带料长度加上这一段长度成为总的送料长度，来满足冲床在每一工作周期上送料长度要求。

2.2.2角度补偿 

        不论是加工定子还是转子铁心。随着卷料轮起始半径r的增加，冲卷距l也随着线性增加，这就要求卷料机构在作等角度间歇回转外，还应附加一定转角补偿，使的冲卷距保持在恒定的长度下多出的长度由卷料轮附加的转角来补偿，从而使得冲卷距的数值恒定，即保证冲床中心和卷料中心在水平方向距离上恒定。针对此，福建农林大学机电工程研究所何聪惠教授做了深入的探讨，提出了一整套成熟的理论方法，现将结论摘自如下:

        定子铁心卷绕成形的步距补偿值为：△L=4π×△R      其中 △L为卷铁心转过转轴每转过一个等角度2π/Z时冲卷距l的增长量，△R为卷铁心每转过一个等角度2π/Z时半径的增量,且 △R=t÷Z，多出的△L长度转化为卷料轮的转角值。我们可以通过转过第N个2π/Z角时，其补偿角度值来反映，其大小为

        同样，对于转子铁心的每转2π/Z角度冲卷距l的增长量△L，由于转子上存在着斜槽角度为γ，则△L=(4π－y）×R ,则硅钢带相对于冲槽中心要被多拉过△L距离，此值即为转子铁心卷绕加工的步距补偿值。在采用转角补偿后，这部分长度转为卷料轮的转角可以通过转子铁心卷绕过第N个2π／Ｚ角度时来反映，其数值大小为

        从上可知，不论是定子铁心还是转子铁心，在保证冲卷距不断增大的前提下，要将冲卷距保持恒定值，需将多出的步距补偿值转化为转角补偿值，那么对在卷绕成形的自动化工程中，就需要对卷料轮有着特殊的要求。除定转角2π/Z外，每一个冲床工作行程中，卷料轮都要附加一定的转角补偿值。这种转角补偿值的补偿在实际的生产中，我们可以通过不同控制系统对步进电机或伺服电机的转角控制来实现，先将几种常见控制方法加以简介。

2.2.2.1送料轮和步进电机构成的送料方式 

        这种机构的主要特征在于，在冲床和卷绕机构之间，专门设置一套送料机构，该送料机构的动力由步进电机提供，且送料轮的大小值是恒定的。而且位置保持不变。他和步进电机同轴。在这种送料方式上，送料轮的转角补偿值就由步进电机转角提供，从而，保证冲卷距不变的情况，多出的步距值由送料轮的转角补偿，实现了所送出的送料长度呈一个等差数列递增的数值长度，同时满足了冲床和卷绕机构上铁心成形特点要求。据于这种送料方式的送料机构的优点是结构简单，工作可靠，所需的送料力和步进电机的扭矩不大，但对冲好孔的带料还需专用卷绕设备才能完成对定转子的成形。

2.2.2.2卷料轮和步进电机构成送料方式 

        这种送料方式机构的主要特征在于：卷料轮本身既完成卷料成型，同时又能自动补偿转角数值，卷料轮的动力直接由步进电机提供，随着卷料轮卷料的层数的增加，其半径大小也是不断的增大，其卷料轮的中心位置会随着卷绕的进行在垂直方向上不断向下移动。这时，对卷料轮本身的转角要求十分严格，卷料轮在完成每个2π/Z角度后，同时又要附加一定的转角补偿值，其数值大小由步进电机控制提供。据于这种自动成形方式的成形机构中，由于送料方式所需步进电机的扭矩就比前一种机构的大，并且由于卷绕叠合过程中，要求卷绕机构的刚度要大，那么该卷绕机构结构十分复杂。但是，正是冲床冲裁带料和卷绕是同步进行的，其生产效率高，并且可以实现生产在线误差修正，成形后的铁心成形质量相当高。 

2.2.2.3卷料轮和伺服电机构成的送料方式 

        这种送料方式机构的主要特征在于：卷料轮的转角和补偿值直接由直交流电机加伺服机构提供，由于使用伺服电机，其传动精度比较高，另外还可以使用高效能的交流永磁直流伺服电机直接驱动伺服装置，从而省掉中间传动机构，把直流电机和卷料轮做成一体化，可以使伺服传动达到更高的精度。其伺服装置可以直接由微机控制，前面的两种方法大多采用是单片机控制步进电机驱动器达到步进电机转动，但由于考虑到单片机都存在着不便显示，通讯。尤其不通用化和组成集散化控制。而采用微机作为数据处理核心，就可以较方便地应用在不同品种，不同生产规模的定转子铁心，以及要求在线监控的场合，有利于产品的系统化和系统功能的扩展。这些具体的功能，可以通过软件具体实现，并且可以形象地仿真演示，实现在线误差补偿修正等。

2.2.3长度补偿 

        在定转子的卷绕自动成形中，随着卷料轮的半径的不断增大，冲床所要求的送料长度是不断地变大，即冲卷距呈等差数列不断地递增，如将这种递增的数值不通过转角补偿，而是直接将冲槽中心和卷绕中心之间的距离水平拉大，从而达到补偿的效果，那么称为长度补偿。即卷料轮在转过2π/Z角度后，硅钢带料直接水平送出一段补偿值，从而达到所需要的送料长度，即符合冲卷距的递增规律。     对于定子铁心来说，其步距补偿值为△L=4π×△R，而转子铁心的步距补偿值为△L=(4π－γ）×△R，这些具体的数值，就是卷料轮在每转过2π/Z角度后，应水平距离增大△L数值，从而保证送料长度。具体生产过程中，这种水平距离的增大是通过纯机械方式来实现。这种机械机构构成的送料方式有两种，下面分别加于简介。 

2.2.3.1卷料轮水平移动和转动组成的送料方式 

        这种送料方式的结构区别于转角补偿中的送料方式机构在于：它的动力不是由步进电机或伺服电机提供，而是由冲床本身电机动力来提供。这种送料方式的基本原理是：将冲床的运动和力，通过机械机构的方式传递到卷料轮上，在卷料轮转动完成的送料过程中，卷料轮转动的角度是恒定的，即2π/Z，显然这个角度所带动的弧长比实际冲床冲两个槽所需要的距离来的短，为了补偿这个数值，让卷料轮的中心向远离冲床中心方向水平移动一段距离，从而达到补偿。这种送料长度l（即冲卷距l的等差数列递增的数值由卷料轮的水平移动和角度转动共同来完成实现），这种送料方式中卷料轮的平动和转动由冲床分出的运动结构来实现。

3、误差补偿和修正 

        在具体的定转子的自动成形生产过程中，必须考虑到硅钢带料的厚度对卷绕成形所产生的影响。由于带料通常是经轧制过的硅钢带料，由于轧制工艺和开盘工艺的上的不足，导致硅刚片的厚度是不均的，而带料的厚度不均就使得在卷绕过程中，卷绕轮每卷绕一周，卷绕轮所增加的半径值是不同的，即卷绕轮每卷绕相同的角度时，所卷绕的硅钢带料的弧长是不同的，这就使的在冲床的每一个工作行程中，所给予的送料长度是不同的，这就给定转子卷绕成形后的质量带来影响。在一文中，指出定转子取料，转轴斜移补偿法是减少由厚度引起加工误差的最佳方法。但是，实际生产中，仅考虑硅钢片的厚度不均是不全面的，实际生产中工作条件是千差万变的，任何工作过程中微小变动，都会给卷绕成形带来极大的影响。如：卷绕机构刚度不足，带料由于是单边裁剪，带料的受力有单边性，在卷绕过程中层与层之间存在着间隙，等等都会给最终的成形带来很大的影响。为了消除或减少这些影响，在实际生产中，必须给定一定的误差补偿和修正，常有两种补偿方法，一种是在线补偿，根据每冲出的槽距与理论值之间的偏差和卷绕层本身厚度或间隙导致槽孔对齐情况实时在线给予补偿，这种补偿用步进电机附加的正转角或负转角来补偿。另外一种补偿方法就是事先给予随机补偿。这种补偿只基于带料的厚度不均不可能是随机误差的基础上来补偿，从而来减少由于带料的厚度不均带来的成形质量的影响。 

4、存在问题 

        在实际生产中，正是由于冲裁工艺，卷绕工艺的种种不足，以及定转子铁心本身的机构的独特性，硅钢片的厚度极薄0.5~1.0mm，因而，在圆周自动成形上或多或少都存在着如下问题。 

4.1 外观呈“喇叭口”张开状 

        由于带料的冲槽呈单边性，卷绕变形也成单边性，那么在在一个定转子卷绕成形完毕后，下线槽是布置在单边的，点焊只能在实部，而不能在定转子的轭部，因而点焊后的铁心的受力也成单边性，那么在被卷绕成形已经存在内应力的情况下，被外在的单边力的作用下，定转子铁心成形后，对齐槽孔两边的硅钢片呈张开喇叭口状。

4.2 “压紧不实”的现象 

        在卷绕成形过程中，由于定转子铁心尺寸品种多，其不同尺寸品种铁心的槽孔未必都是通孔，其中有通孔，半通孔，盲孔等。基于其尺寸的独特性，另外在卷绕成形的过程中，层与层之间存在间隙是不可避免的。所以在卷绕机构的刚度不足的情况下，特别是对于大尺寸的定转子铁心在卷绕成形中，往往出现压紧不实的现象。 

4.3 在线误差补偿难 

        在卷绕成形过程中，实现在线误差控制并实现在线误差补偿及修正，由于受到卷绕机构可供安装检测的装置的空间较小，又受到定转子铁心本身的尺寸限制，在卷绕成形的槽孔对齐上，以及带料本身厚度的检测上比较难，故一定程度上的在线误差补偿和修正十分困难，这也给定转子铁心成形质量带来了影响。 

4.4 设备加工能力范围有限

        由于盘式电机的定转子铁心的品种很多，不同品种铁心的内外径尺寸变化较大，而在实际生产中，每台卷绕专机，在保证卷绕成形的工艺要求下，所能卷绕的定转子铁心的尺寸范围比较小，那么也就是说，定转子铁心的卷绕成形加工的能力受到卷料轮的轮毂直径的限制。所以专用卷绕设备大面积，高效率推广比较难。 

        正是居于以上种种在实际生产中存在的问题，虽然目前国内注册专利的各种专用卷绕机有好几个厂家和研究机构，但是，至今国内市场上还没有一台能按照上述自动成形方法制成的，能高效率满足生产的设备。都是从国外进口，且成本相当高！