如何解決轉(zhuǎn)子線包不良的問題

劉述平

(寧波大華電器有限公司，浙江寧波315400)

0 引 言

串激電機轉(zhuǎn)子的線包不良主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)前端齒板處漆包線離鐵心槽口外圓邊緣太近，通常稱之槽滿率過高，如圖1中a點所示。

(2)后端齒板處漆包線離轉(zhuǎn)軸太近，如圖1中b點所示。

(3)線包前端離換向器鉤太近，如圖1中c點所示。

(4)鐵心槽內(nèi)漆包線拱起，如圖1中d點所示。

(5)線包松散或布線不勻稱。

(6)繞線終了時最后一槽漆包線(一般位于端齒板前端位置)被繞線模擠壓變形。

圖1 線包不良示意圖

其中，現(xiàn)象(1)和(2)會使爬電距離不夠或電氣強度不足;現(xiàn)象(3)離換向器點焊處焦化的漆包線過近易造成匝間短路的風險;現(xiàn)象(1)和(4)會在插槽楔時入片刀碰傷漆包線而產(chǎn)生匝間短路的可能;現(xiàn)象(5)既使線包過大，也會影響到轉(zhuǎn)子初始不平衡量的大小;現(xiàn)象(6)不但線包外觀不良而且也影響到轉(zhuǎn)子初始不平衡量的大小。因此，繞線環(huán)節(jié)中對線包的控制是一個比較重要的工藝。那么如何控制線包呢?首先從產(chǎn)品設(shè)計時就要充分考慮到線徑、匝數(shù)、鐵心槽口插過絕緣紙后的有效容積(一般該有效容積的60%～70%是可利用的嵌線容積)、換向器與前端齒板之間的有效尺寸等，其次主要是通過繞線模具的設(shè)計和繞線設(shè)備的調(diào)試調(diào)整來解決。本文根據(jù)線包不良的幾種現(xiàn)象，主要介紹繞線設(shè)備在調(diào)試調(diào)整過程中和繞線模具在設(shè)計過程中要注意的一些問題。

1 適合的繞線張力是解決線包不良問題的最基本要素之一

設(shè)備調(diào)試調(diào)整時，若繞線張力調(diào)整的不當，都會產(chǎn)生上述的幾種線包不良的現(xiàn)象，因此，適合的繞線張力是解決線包不良的最基礎(chǔ)且最重要的方法之一。繞線張力的大小與線包的大小成反比，即繞線張力越大繞線后的轉(zhuǎn)子線包越小，反之，繞線張力越小繞線后的轉(zhuǎn)子線包越大，顯然，為減小線包的一個途徑是增大繞線張力。雖然過小的張力不利于繞線掛鉤和不利于繞線后的線包形狀，但過大的繞線張力或者說超出某一標準范圍的繞線張力更不利于整個電機質(zhì)量，因為:其一，對于整個繞線過程中繞線張力屬于同一個張力值的繞線設(shè)備，若張力過大，使漆包線在換向器掛鉤的折彎處過分受損，而埋下電機在高速運轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子換向器掛鉤處產(chǎn)生飛線的隱患(詳見《微特電機》2010年第10期《關(guān)于串激電機在高速運轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生“飛線”的分析與探討》);其二，由于過大的繞線張力使漆包線線徑變小，即漆包線的截面積變小而電阻增大，根據(jù)公式則在相同電壓下電機功率會減小，電機的溫升相對增加。因此，繞線張力必須要適合。所謂適合的繞線張力，就是要使繞線后的線包既緊湊，線與線之間的氣隙較小，又要使線徑不會被拉伸后變細。一般制定出的繞線張力是一個范圍值，對于掛鉤張力和繞線張力可獨立分離設(shè)置與調(diào)整的繞線設(shè)備，繞線張力范圍值的上限可以規(guī)定在線徑變細時的臨界狀態(tài)下的最大張力值的90%左右，下限可根據(jù)線包是否緊湊和槽滿率是否符合要求來確定。而對于整個繞線過程中張力值屬于同一張力的設(shè)備，繞線張力的上限值則要根據(jù)掛鉤處可承受的最大張力來定?？傊?，在滿足掛鉤良好、排線緊湊均勻、槽滿率和爬電距離等符合工藝要求的前提下，繞線張力越小越好。近年來，許多全自動轉(zhuǎn)子繞線設(shè)備整個繞線過程中的張力調(diào)整分為繞線架機械部分調(diào)整和電氣部分調(diào)整。

1.1 電氣部分的張力調(diào)整

電氣部分即電子磁粉張力器的張力可設(shè)置成幾個階段的張力，例如:待機張力、掛鉤張力、掛鉤后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到繞線位的張力、繞線加速時的張力、繞線減速時的張力、最高速繞線時的張力(即正常繞線階段時的張力)等，輔之繞線加速時間、繞線減速時間、繞線速度等，涉及到線包好壞的張力就是待機張力、繞線加速時張力、繞線減速時張力、最高速繞線時張力及其輔助的繞線加速時間、繞線減速時間、繞線速度等。根據(jù)不同規(guī)格線徑規(guī)定好這些參數(shù)值便可達到以機械部分為基礎(chǔ)的電氣部分調(diào)整張力的目的。設(shè)置參數(shù)時要注意以下幾點:

(1)須明確在設(shè)備觸摸屏上設(shè)置的張力參數(shù)值并非實際張力值，而是一個在繞線架機械部分的張力不變的前提下用彈簧拉力器從飛叉處實際檢測到的總拉力值所對應(yīng)的數(shù)值，該數(shù)值的大小與實際檢測到的拉力值呈線性變化，即設(shè)置參數(shù)的大小與實際檢測到的拉力值成正比，控制原理上是觸摸屏經(jīng)PLC、恒流源再到電子磁粉張力器的數(shù)模轉(zhuǎn)換，使電子張力器的輸出張力恒定且與觸摸屏上所設(shè)置的參數(shù)值相對應(yīng)。

(2)一般將繞線加速時張力參數(shù)設(shè)置得比最高速繞線張力參數(shù)要小一點。因為飛叉旋轉(zhuǎn)繞線時有一個加速度的過程，這個過程也就是一個從靜態(tài)張力到動態(tài)張力的變化過程，靜態(tài)時各過線輪阻力要比動態(tài)時的大，所以在這一過程中為了避免漆包線被拉細要將該加速時段的張力參數(shù)設(shè)置得比最高速時的張力參數(shù)要小一些，約為最高速繞線張力的83% ～93%。

(3)利用彈簧拉力器來檢測最高速繞線階段的張力時若對于最高速繞線階段的張力不能強制輸出的設(shè)備，則要將待機張力參數(shù)值臨時設(shè)置成與最高速繞線階段的張力參數(shù)值一致，因為飛叉處于高速運轉(zhuǎn)時無法手持彈簧拉力器來檢測張力，而只有在飛叉處于靜態(tài)條件下方可進行檢測。當臨時設(shè)置的待機張力參數(shù)值與最高速繞線階段的張力參數(shù)值一致時所測量到的待機張力值也就是最高速繞線階段的張力值，如果該拉力值超出工藝范圍，則同時更改待機張力值和最高速繞線階段的張力值或檢查線架的機械部分的張力機構(gòu)是否異常，直至測得的張力值滿足工藝要求為止。待最高繞線階段的張力值符合要求后應(yīng)及時將待機張力值恢復到其原來的數(shù)值。

(4)一般將待機張力值和繞線減速時的張力值都設(shè)置得比最高速繞線時的張力值要小。以下提供了幾種規(guī)格線徑的漆包線用彈簧拉力器檢測的合格拉力范圍值供參考(如表1所示)，彈簧拉力器測量拉力時的方法按圖2所示，先將飛叉最前端過線輪上的漆包線纏繞于拉力器的彎鉤上并將拉力器刻度值歸零，再在順延飛叉V型過線輪中心且使過線輪兩邊的漆包線構(gòu)成90°夾角的條件狀態(tài)下勻速拉拉力器讀出實際測量值。

表1 漆包線線徑與彈簧秤合格拉力對照表

圖2 繞線架

1.2 繞線架機械部分的張力調(diào)整

除電子磁粉張力器的參數(shù)設(shè)置以外，繞線架的機械結(jié)構(gòu)部分的張力調(diào)整也是一個比較重要的環(huán)節(jié)，更是電氣部分張力調(diào)整的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，若該基礎(chǔ)環(huán)節(jié)未調(diào)整好，就不能確保終端輸出的總張力值的穩(wěn)定。

如圖2所示，通過調(diào)整羊毛氈壓緊裝置、調(diào)整張力壓簧裝置、調(diào)節(jié)拉簧下面固定桿上下行程位置或拉簧上面固定桿前后位置等都可以達到調(diào)整漆包線的張力的目的，但為達到最佳調(diào)整狀態(tài)需注意幾點:

(1)明確羊毛氈壓緊裝置的主要功能不是用來調(diào)整張力用的，而是以一定的壓緊力壓住羊毛氈，使通過羊毛氈的漆包線與羊毛氈之間既有一定的摩擦力又能被羊毛氈去臟，如果該裝置壓緊力調(diào)得過大，即便暫時達到增大張力的作用，但待羊毛氈內(nèi)表面臟了以后，該部分的張力就不穩(wěn)定了。

(2)張力調(diào)整用壓簧裝置是機械部分調(diào)整張力的部件之一，通過調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)陶瓷夾片上的壓簧的壓緊力達到調(diào)整漆包線的張力之目的。但通過該部件的漆包線的張力不宜過大或過小，如果從該部件處輸出的張力過大，則有必要減小電子磁粉張力器處輸出的張力或減小張力調(diào)整用拉簧的前后行程位置(或上下行程位置)，若兩者都減小會導致繞線時掛拉簧的繞線桿一直擱在其下限位檔桿的位置，這種情況下的繞線張力不是非常穩(wěn)定的，雖然我們在靜態(tài)條件下用彈簧秤從飛叉端檢測到的張力滿足工藝要求，但此情形下的實際繞線過程中其張力的變化過程是伴隨線被拉動起來后至高速繞線時張力會由大變小;相反，如果從張力調(diào)整用壓簧裝置處輸出的張力過小，則要增大電子磁粉張力器處輸出的張力或增大張力調(diào)整用拉簧的前后行程位置(或上下行程位置)，此種情況的繞線張力也是不太穩(wěn)定的，因為繞線過程中當繞線桿擱在其上限位檔桿位置且由于電子磁粉張力器輸出張力過大故而包攬在張力器輪子上的線會打滑，導致所繞的線包排線不緊湊，形成線包不良。實踐證明:漆包線從穿過羊毛氈和陶瓷夾片后輸出的張力應(yīng)為飛叉終端輸出的總張力的10%～30%為佳。

(3)張力調(diào)整用拉簧的上下位置和在繞線桿上的前后位置要配合電子磁粉張力器、張力調(diào)整用壓簧裝置和羊毛氈壓緊裝置來調(diào)整，調(diào)整后的最佳效果是在整個繞線過程中要確保掛拉簧的繞線桿在上下限位檔桿范圍內(nèi)擺動但不會碰到上下限位檔桿，這樣在掛鉤和繞線的全過程中拉簧的拉力始終和繞線桿線輪上的漆包線的拉力相平衡，既有利于掛鉤又可以使線包排線緊湊且達到使線包形狀小的目的。

(4)當漆包線線徑小于0.25 mm時有必要選用專門用于繞細線的線架，當線徑大于0.7 mm時，有必要增大過線輪和繞線桿及增粗拉簧，但繞線架的調(diào)整方法相同。

2 轉(zhuǎn)子在繞線模內(nèi)的前后位置及推線管前面管口端面與繞線模之間的距離對線包形狀有一定影響

2.1 轉(zhuǎn)子在繞線模內(nèi)的前后位置

轉(zhuǎn)子在繞線模內(nèi)的前后位置對線包的影響突出表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子前端齒板處鐵心槽口外邊緣部分，如圖1中a點所示。在線徑粗匝數(shù)多的情況下，轉(zhuǎn)子前端齒板與繞線模前擋板內(nèi)側(cè)間的距離越大，則繞線結(jié)束時的最后兩槽的槽滿率就越高，即漆包線就越靠近鐵心槽口外圓邊緣。通過調(diào)整轉(zhuǎn)位支承座(即繞線時帶動轉(zhuǎn)子分度的機座)的前后位置，即可達到調(diào)整轉(zhuǎn)子在繞線模內(nèi)的前后位置的目的，進而達到部分改善最后兩槽的槽滿率高的問題。調(diào)整該距離時要注意避免距離過小時繞線模前擋板擠壓線包，一般在不擠壓線包的前提下繞線模前擋板內(nèi)側(cè)到轉(zhuǎn)子前端齒板的距離在1～1.5 mm范圍內(nèi)比較適合。這種調(diào)整方法較適合一定規(guī)格范圍內(nèi)的產(chǎn)品換型時無需更換繞線模的情形，例如轉(zhuǎn)子外徑相同而鐵心疊厚不同的幾種規(guī)格的產(chǎn)品可在同一規(guī)格尺寸的繞線模下生產(chǎn)，但為確保繞線線包的良好性，需要調(diào)整好上述的1～1.5 mm尺寸。而這個1～1.5 mm尺寸始來源于實踐，然后在設(shè)計模具時給予量化。例如:若已知轉(zhuǎn)子鐵心疊厚為32 mm，端齒板的厚度尺寸為2.5 mm，再把轉(zhuǎn)子在繞線模內(nèi)的前后空間尺寸1.5 mm+1.5 mm考慮進去，則設(shè)計繞線模時繞線模前擋板內(nèi)側(cè)到后擋板內(nèi)側(cè)的距離L(即繞線模模腔的寬度尺寸或繞線模中間內(nèi)模板的尺寸)則為:L=32+2.5+2.5+3=40 mm。誠然，若按鐵心疊厚為32 mm來設(shè)計的繞線模在生產(chǎn)該規(guī)格產(chǎn)品時基本上無需調(diào)整轉(zhuǎn)子在繞線模內(nèi)的前后位置，而生產(chǎn)鐵心疊厚為20～31 mm的產(chǎn)品則有必要調(diào)整該位置，已確保線包的良好性。

2.2 推線管前面管口端面與繞線模之間的距離

推線管前面管口端面與繞線模之間的距離對線包的成型也有一定的影響，一般管口端面離繞線模距離尺寸越大，成型的線包不良率可減少，但細長的線包前面部分越易接近換向器的鉤部，如圖1中c點所示。反之，則不良率有所增多。因此該距離尺寸需視線包形狀結(jié)合繞線掛鉤的情況可作必要的調(diào)整。

3 模具設(shè)計方面要注意的幾點

繞線模在設(shè)計上除了考慮上述的模腔寬度尺寸(又稱中間內(nèi)模板尺寸)以外，還要考慮繞線模的前后模板的導向繞線斜面角度、導向繞線的小平臺尺寸及角度、內(nèi)外圓弧尺寸、護模和中間內(nèi)模板蓋住鐵心槽口邊緣的尺寸等等。如圖3所示。

(1)導向斜面角度(繞線模導向斜面與鉛垂面的夾角)不宜過大，一般為25°～27°。

圖3 繞線模前擋板

(2)繞線時嵌入鐵心槽內(nèi)的漆包線的排列相當重要，因此模具設(shè)計時需設(shè)計有一個能正確導向嵌入漆包線的軌跡－“小平臺”，能使漆包線順延鐵心槽的中心有規(guī)律的嵌入，即有效避免漆包線沿著槽口內(nèi)壁堆積性的排列上去而產(chǎn)生槽滿率高的情形。小平臺的長度尺寸近似為槽深的尺寸，小平臺與導向斜面之間需圓滑過渡，小平臺與槽口內(nèi)壁間的角度為槽口兩內(nèi)壁夾角的1/2。

(3)繞線模的內(nèi)圓弧部位的功能是配合小平臺將漆包線順延槽口中心導入后就地收緊，該內(nèi)圓弧尺寸過大會使漆包線緊貼槽口內(nèi)壁堆積排列而產(chǎn)生槽滿率高，過小會在繞線末尾擠壓線包。一般該圓弧所構(gòu)成的圓大于所有槽口底部邊緣所構(gòu)成的圓1～1.5 mm即可，如圖3中2R12.5－Φ24=1 mm;繞線模的外圓弧之功能從限位的角度上起著限制位于轉(zhuǎn)子前后端齒板處線包的最高點離鐵心槽口內(nèi)邊緣有一定的距離，該距離即為通常所說的“爬電距離”。例如有的工藝規(guī)定爬電距離不得小于2 mm，則在設(shè)計外圓弧時就要根據(jù)轉(zhuǎn)子鐵心尺寸來確保這個2 mm，如果該外圓弧設(shè)計過大或修模時修得過多，則會影響繞線末尾階段的最后兩到三槽的布線，使漆包線沿著槽口內(nèi)壁邊緣排列，從而導致爬電距離的不足，如圖1中a點所示。如果外圓弧設(shè)計過小，則會擠壓繞線末尾階段的最后兩槽的漆包線。

(4)對于分體式的繞線模前后擋板之間是模腔主體和中間內(nèi)模板，內(nèi)模板和護模的作用在于繞線嵌線時蓋住轉(zhuǎn)子鐵心槽口的上邊緣而不會傷及漆包線，如果內(nèi)模板和護膜蓋住鐵心槽口邊緣過多，即嵌線的空間不足，勢必會導致以下兩個結(jié)果:

(a)結(jié)合較大繞線張力的情況下使漆包線在前、后擋板與內(nèi)模板及護模的交合處受損，導致轉(zhuǎn)子匝間短路。

(b)由于嵌線受阻后落入鐵心槽內(nèi)的漆包線沒有被迅速拉緊，使槽內(nèi)的漆包線布線不緊湊，如圖1中的d點所示。為既能滿足漆包線嵌入槽口的空間足夠大，又能滿足嵌線時漆包線不會蹭到鐵心槽口邊緣傷及漆包線(通常稱為“掉漆皮”)，因此該護模和內(nèi)模板蓋住鐵心槽口邊緣0.2～0.3 mm便可。但蓋住槽口邊緣如此小的尺寸，要在生產(chǎn)過程中保持穩(wěn)定就必須確保設(shè)備的穩(wěn)定，例如:在繞轉(zhuǎn)子時繞線模初始分度定位必須調(diào)整得當且準確;繞線模合模時模腔不能過分擠壓轉(zhuǎn)子鐵心;夾住轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸分度的彈性夾頭夾緊力足夠不打滑等。在此不作撰述。

4 結(jié) 語

綜上所述，解決轉(zhuǎn)子線包不良的途徑是在滿足電機工藝要求的前提下，以電機轉(zhuǎn)子設(shè)計和繞線模具設(shè)計為基礎(chǔ)，設(shè)備調(diào)試調(diào)整方法為手段的。因此，電機設(shè)計者、模具設(shè)計者和設(shè)備調(diào)試調(diào)整者都要充分考慮到引起轉(zhuǎn)子線包不良的各個因素。