用實驗法確定疊繞鐵芯回彈量的研究

楊 光 陳圣林 石文敏 馮大軍 彭明星

(1.國家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢：430080；2.武鋼股份有限公司硅鋼事業(yè)部 湖北 武漢：430081)

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用實驗法確定疊繞鐵芯回彈量的研究

楊 光1陳圣林1石文敏1馮大軍1彭明星2

(1.國家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢：430080；2.武鋼股份有限公司硅鋼事業(yè)部 湖北 武漢：430081)

疊繞鐵芯在彎曲成圓的工藝過程中會產(chǎn)生塑性回彈，由此造成的橢圓度和整形應(yīng)力會影響電機效率。為了經(jīng)濟、快捷地獲得回彈量，在試樣表面涂敷自粘接涂料后疊片，利用線切割加工出定子輪廓，進行回彈實驗，結(jié)果表明：在實驗范圍內(nèi)不同加工尺寸及疊片工藝對回彈量的影響不大，通過補償回彈角度的方法，可以制作出接近標準圓的定子鐵芯，該方法簡單易行，有利于電機新工藝的推廣、應(yīng)用。

疊繞鐵芯；自粘接涂層；線切割；回彈量；角度補償

0 引言

定子鐵芯是電機的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量好壞直接影響電機性能和使用壽命[1]。傳統(tǒng)的沖片式定子鐵芯工藝流程雖然比較簡單，但材料利用率低。在工業(yè)發(fā)達國家，一些電機的定子鐵芯(如汽車發(fā)電機)，主要采用直列式制造工藝：硅鋼片分條后沖出直列型齒條，疊裝繞線后彎曲成圓。該工序雖然增加了彎曲、整形裝置，但材料利用率大幅度提高，而且不需要鉚扣連接，層間空隙更小，可減少電磁噪聲[2]；另外，在疊裝成排時可以先在磁極齒上裝上線圈，大幅度提高定子繞組占空系數(shù)，降低繞組端部高度，減小電阻，達到提高效率的目的[3]；但是這種加工方式在彎曲成圓過程中存在材料的塑性回彈，不利于該工藝的推廣，雖然彎曲后有整形裝置，但回彈造成的橢圓度和整形應(yīng)力也會降低電機效率[4]。

直列疊繞鐵芯的彎曲成圓是一個非常復(fù)雜的彈塑性變形過程，在材料發(fā)生彎曲時既有塑性變形又有彈性變形，其作用力也不是固定在一個方向，力的作用點也隨著帶料的彎曲而不斷變化。回彈量的確定，在國內(nèi)外基本上采用傳統(tǒng)實驗的方法來獲得相關(guān)參數(shù)，即使用模具沖片后進行彎曲實驗，這種方法由于模具制作周期長，模型單一，不僅研發(fā)周期長，而且實驗成本高。有的文獻[5-11]提出計算變形中性層，并利用有限元等理論方法模擬研究變形規(guī)律，但這類研究是基于大量假設(shè)的基礎(chǔ)之上，存在一些不確定因素。

本文針對以上方法的不足，采用自粘接涂料疊片粘接，利用線切割加工模型，最終確定直列疊繞鐵芯的回彈量和進行補償回彈角度的計算。用帶有自粘接涂層的電工鋼制成的鐵芯固定牢靠，電機效率高，振動小，噪音低。線切割加工應(yīng)力小，可以減少加工過程的影響。

1 實驗過程

1.1 實驗?zāi)康?/p>

通過加工出連接部寬度為1mm，內(nèi)槽口口徑為1mm；定子軛部寬度為30mm，疊片高度為10片的定子鐵芯，研究疊繞式電機定子在彎曲成圓后的回彈情況。

1.2 實驗材料

實驗材料為0.27mm硅鋼成品板，主要成分為2.95%Si+0.08%Mn，力學(xué)性能和硬度見表1。

表1 實驗材料的力學(xué)性能和硬度

1.3 實驗方法

為了方便疊裝，在上述試樣表面涂敷一種自粘接涂料，加壓固定后進行250℃×2h固化退火。

線切割時，為了使鉬絲中心的加工軌跡反映出切割零件的輪廓，需要給定一定的間隙補償f，間隙補償?shù)臏蚀_與否將會直接影響加工工件的尺寸精度。常用經(jīng)驗公式f=0.5d+z(d為鉬絲直徑，z為單邊放電間隙)或者試切工件等方法來確定間隙補償。放電間隙與工件材料、結(jié)構(gòu)、鉬絲張緊情況、走絲速度、導(dǎo)輪運行狀態(tài)、工作液種類、供液情況和清潔程度、脈沖電源參數(shù)等因素有關(guān)，不確定性較大[12]。本文采用試切工件的方法來檢測f。

將10片用自粘接涂料粘接好的實驗料疊片整齊，切下兩組定子鐵芯樣片，每組各切6個連續(xù)的單元齒塊，齒塊的內(nèi)槽口口徑從0.8mm-2.3mm，每個相鄰槽口口徑增加0.3mm，槽口角度均為30°，連接部寬度分別為1mm及1.5mm；在顯微鏡下利用圖形分析系統(tǒng)測量加工后的實物尺寸，確定線切割的間隙補償；再對加工后實物進行彎曲實驗，確定回彈量與槽口口徑、連接部大小、疊片高度等的關(guān)系，通過測量彎曲后的間隙反算出鐵芯的回彈率；根據(jù)計算出的線切割間隙補償，加工出實際連接部為1mm，槽口直徑為1mm的鐵芯樣片，由彎曲實驗得出的回彈量，反算出能夠繞成標準圓的回彈角度，利用修正槽口角度的方法，使用兩組試樣，每組各6個連續(xù)單元齒塊，制作出在彎曲后無需額外整形，拼接成接近標準圓的定子鐵芯。線切割間隙補償檢測及不同工藝回彈量示意圖見圖1，補償回彈角度示意圖見圖2。

圖1 線切割間隙補償及不同工藝回彈量的示意圖

圖2 補償回彈角度的示意圖

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 線切割精度的確認

加工完成的試樣見圖3，在顯微鏡下觀察線切割后的形貌并測量尺寸見圖4。

圖3 加工完成的試樣

圖4 線切割后的形貌細節(jié)圖

表2為圓孔設(shè)計尺寸與實際尺寸的明細，可以看出不同槽口加工出的實際尺寸與設(shè)計尺寸的誤差基本相同。根據(jù)鉬絲走絲路徑的不同，加工內(nèi)圈孔徑偏大，加工外緣寬度偏小，誤差平均值即間隙補償值為0.360mm。連接部實際尺寸為設(shè)計尺寸-0.36mm，槽口實際尺寸為設(shè)計尺寸+0.36mm?？梢杂嬎愠鲂枰庸こ鲞B接部為1mm，槽口直徑為1mm需要設(shè)計連接部為1.36mm，槽口直徑為0.64mm。

表2 設(shè)計尺寸與實際尺寸明細

2.2 不同設(shè)計工藝對回彈的影響

為了研究不同設(shè)計工藝的回彈情況，對實驗料進行彎曲之后，在顯微鏡頭下進行觀察，圖5所示為設(shè)計加工孔徑0.8mm，連接部1mm疊片實驗彎曲后的回彈情況以及連接部附近的變形情況、圖6為彎曲后的效果圖、表3為回彈量間隙明細，通過觀察發(fā)現(xiàn)，6個單元齒塊無法彎曲成為半圓，每個齒塊間均存在一定的間隙，導(dǎo)致彎曲角度無法達到30°。

圖5 連接部附近結(jié)構(gòu)及彎曲后回彈

圖6 彎曲效果圖

加工孔徑/mm連接部1.0mm疊片回彈量/mm連接部1.5mm疊片回彈量/mm連接部1.0mm單片回彈量/mm連接部1.5mm單片回彈量/mm0.80.5200.5220.5160.5181.10.5240.5270.5210.5181.40.5270.5250.5230.5251.70.5200.5220.5350.5362.00.5340.5310.5210.5232.30.5250.5210.5330.532

圖7為回彈量的散點圖，由圖7可以看出，相同連接部寬度的單片及疊片的回彈量基本一致，即同時加工的試樣單片與疊片的回彈量一致。所有不同工藝下的回彈量區(qū)間為(0.516,0.536)，波動范圍20μ?？紤]到線切割加工方式的邊部平直度較低，加上測量存在一定的誤差，可以認為在本次實驗條件下的回彈量相同，取回彈量中位數(shù)0.5235mm進行計算。

圖7 回彈量的散點圖

圖8 材料彎曲示意圖

如圖8(a)所示，本次實驗設(shè)計L=19mm，θ=30°，如圖8(b)所示，回彈量中位數(shù)D′=0.5235mm，通過三角函數(shù)計算得出回彈角度為

公式1

回彈率為

公式2

由公式1、公式2可以計算出，本次試驗回彈角度為1.58°，回彈率為5.26%。

2.3 補償回彈角度的實驗

本次實驗在試樣上切下兩組定子鐵芯樣片，每組各切6個連續(xù)的單元齒塊，為了能夠?qū)?塊共計12個齒塊拼接成標準圓，將夾角設(shè)計為31.66°，預(yù)留1.66°，以抵消5.26%回彈。補償回彈角度鐵芯樣片見圖9，精確加工尺寸測量見圖10，測量得出圓孔直徑為1.006mm，連接部寬度0.991mm。

圖9 補償回彈角度鐵芯樣片

圖10 精確加工尺寸測量

表4為將試樣彎曲后，每個單元齒塊的回彈量明細。

表4 回彈量明細

考慮到測量誤差以及彎曲的均勻性，取中位數(shù)0.8435mm進行計算，如圖8(b)所示，本次實驗設(shè)計L=30mm，回彈量中位數(shù)D′=0.8435mm，通過公式1、公式2可以算出回彈量為1.61°、回彈率為5.09%。與預(yù)計的回彈量1.66°、回彈率5.26%基本相當。

所有弧形單元彎曲后，將兩塊試樣拼在一起，拼接后的效果圖見圖11。若需制作成定子鐵芯，僅需在線切割加工時切割出繞線槽并繞線即可。

圖11 拼接效果圖

4 結(jié)論

在試樣表面涂敷自粘接涂料后疊片、粘接，采用線切割加工出定子輪廓進行彎曲回彈實驗發(fā)現(xiàn)：將槽口口徑從0.8mm增加到2.3mm，連接部寬度從1mm增加到1.5mm的過程中，彎曲30°時回彈量為一定值，回彈角度為1.58°，回彈率為5.26%；

利用補償回彈角度的方法，可以制作出在彎曲后即可成為接近標準圓的定子鐵芯。由于無需額外整形裝置，減少了殘余應(yīng)力，可以提高電機效率；該實驗方法簡單易行，有利于新工藝的推廣和應(yīng)用。

[1] 陳仕國，陳學(xué)永.電機定子鐵芯卷繞工藝綜述[J].機電技術(shù)，2009年增刊：16-19.

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(責任編輯：李文英)

Experiments on Determination of Resilient Value of Laminated-coiling Stator Corn

Yang Guang1Chen Shenglin1Shi Wenmin1Feng Dajun1Peng Mingxing2

(1.National Engineering Research Center of Silicon Steel，Wuhan 430080，Hubei；2.Silicon Steel Business Division for WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

The plastic resilience will occur in the bending step of the laminated-coiling stator core，and it will cause the problem of ellipticity and extra stress which can influence the efficiency of the motor. In order to obtain the resilient value economically and efficiently，the sample surface was coated with a self-adhesive coating，then they were stacked，and the laminations were processed to stator by the Wire electrical Discharge machining (WEDM). The experiment shows that the sizes and processes have slight effect on the resilient value. The stator core which is close to the standard circle can be produced through the method of compensating the angle of resilience. The experimental method is simple and feasible，and it is beneficial to the promotion of new technology applications of motor.

laminated-coiling stator cores；self-adhesive coating；wire electrical discharge machining；resilient value；angle compensating

2016-09-18

2016-10-19

楊 光(1986～)，男，大學(xué)，工程師.E-mail：409808672@qq.com

TM206

A

1671-3524(2016)04-0019-05