淺析電動工具用串勵電機轉(zhuǎn)子動平衡處理

徐阿蘭，徐良達

（ 康平科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

0 引言

電動工具串勵電機轉(zhuǎn)子動平衡處理未達到設(shè)計要求時，可使轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大離心力及不平衡力偶，不平衡力偶的產(chǎn)生引起轉(zhuǎn)子振動，火花、噪聲及電磁干擾等不良現(xiàn)象，污染環(huán)境的同時也增加了工具操作者的疲勞感。本文就轉(zhuǎn)子動平衡的來源、初始不平衡量以及去除動平衡的方法做探討。

1 動平衡來源

旋轉(zhuǎn)體形狀不對稱，零件、組件開槽、開孔不合理以及零部件加工中形位公差選定不合理等等都是不平衡的來源之一。因此，產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)盡可能保持為對稱的幾何旋轉(zhuǎn)體，在相關(guān)零件上選擇對稱開槽、開孔，合理注明對不平衡量有影響的零部件尺寸公差及形位公差。

1.1 制造過程

1）轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子鐵芯壓軸過程中，轉(zhuǎn)子鐵芯偏心造成了旋轉(zhuǎn)中心與軸線無法重合，轉(zhuǎn)子鐵芯跳動大；原材料鐵芯本身帶有毛刺等引起鐵芯的不均勻，從而產(chǎn)生不平衡。制造過程中常見的不平衡原因及改進方法見表1。

2）繞線過程

為減少制造過程中的原始不平衡量，應(yīng)將原始不平衡超標的轉(zhuǎn)子進行分析，如由鐵芯原因造成，則要求在繞線前將壓過軸的鐵芯進行動平衡初校，對不平衡量大的轉(zhuǎn)子鐵芯槽做出標識，繞線時將第一組繞組繞在此槽內(nèi)，從而使繞組端部重量盡可能均勻分布，以減少轉(zhuǎn)子的不平衡量。若兩邊繞線張力不相等，也可致使轉(zhuǎn)子線包不對稱，引起不平衡。因此，在繞線過程中，繞線張力必須相等或相近，且繞線張力應(yīng)均勻、適當，繞組排列整齊。如條件允許，應(yīng)對張力定時檢測。

表1 不平衡產(chǎn)生原因及改進方法

3）滴漆不勻

滴漆不均勻帶來的不平衡因素見表2。

表2 滴漆不均勻分析表

4）風葉

壓風葉時，風葉被壓歪斜或變形，使得旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏移，引起不平衡。此外，風葉的初始不平衡量過大也會引起轉(zhuǎn)子不平衡增加。對于此，首先應(yīng)確認風葉壓裝的工裝，必須保證其同軸度在合格范圍內(nèi)。其次，應(yīng)注意檢查風葉同軸度、端面跳動、徑向跳動是否符合設(shè)計要求。

5）其他

因風葉葉片對稱度以及尺寸的差異，轉(zhuǎn)子在工作時造成內(nèi)部氣流的變化引起振動，引起不平衡。此時應(yīng)對風葉模具進行平衡值修正，轉(zhuǎn)子平衡時必須帶風葉進行校正。對要求高、尺寸大的轉(zhuǎn)子，換向器原始不平衡量也應(yīng)控制在一定的范圍之內(nèi)。對吹屑機等園林工具，有條件的制造商可做整機校平衡。

1.2 材料缺陷

原材料本身組織、晶粒大小不勻、縮孔現(xiàn)象等不良因素導致的材料厚度不一、密度不勻現(xiàn)象也是產(chǎn)生不平衡的原因之一，此時應(yīng)從選用合格的原材料入手解決。

2 轉(zhuǎn)子初始不平衡量

轉(zhuǎn)子平衡前存在的不平衡量即為轉(zhuǎn)子初始不平衡量，其大小取決于設(shè)計及制造過程，如果轉(zhuǎn)子初始不平衡量過大，則：校平衡時切削量過大，切壞轉(zhuǎn)子，易造成氣隙不均而產(chǎn)生振動、噪聲，影響電機性能；需二次或多次校正動平衡，生產(chǎn)效率低。因此，有效控制轉(zhuǎn)子初始不平衡量是保證轉(zhuǎn)子校動衡效率的主要因素之一。

轉(zhuǎn)子初始不平衡量不得超過其最大允許初始不平衡量，最大允許初始不平衡量由電機性能、生產(chǎn)成本、工藝來決定。

3 不平衡量計算

當剛性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子在M面存在不平衡質(zhì)量m，產(chǎn)生慣性離心力F，此離心力可在左右兩個水平分量上分解為FL和FR，提取轉(zhuǎn)子左右兩支撐的水平振動信號，經(jīng)一定的轉(zhuǎn)換，可獲得轉(zhuǎn)子左右兩個校正平面A、B上應(yīng)減少的質(zhì)量與相位。在左右兩側(cè)端面A、B面上去除不平衡質(zhì)量，消除不平衡離心力F、不平衡力矩mr，達到校正平衡效果，見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子示意

其中FL、FR為左右支承上的動壓力，PL、PR為左右校正平面上不平衡質(zhì)量的離心力，mL、mR為左右校正平面上的不平衡量，a、c為左右校正平面至支承間距離，b為左右校正平面之間距離，rL、rR為左右校正平面的校正半徑，ω為旋轉(zhuǎn)角速度。

在動平衡前，通過兩個校正平面間距b校正從平面到左，右支承間距a、c，而a、b、c幾何參數(shù)可由被平衡轉(zhuǎn)子確定。

3.1 轉(zhuǎn)子平衡精度

ISO 1940-1：2003《機械振動 恒定（剛性）狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量要求》將轉(zhuǎn)子平衡等級分 為 G0.4、G1、G2.5、G6.3、G16、G40、G100、G250、G630、G1600、G4000等 11個級別，每個級別間以2.5倍為增量，G0.4最高，G4000最低，見表3。

表3 機械振動 恒定（剛性）狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量要求

考慮到電動工具使用過程中不可避免存在振動，從經(jīng)濟適用角度看，其轉(zhuǎn)子平衡精度應(yīng)優(yōu)先采用G6.3級。根據(jù)各產(chǎn)品在經(jīng)濟與技術(shù)上的不同要求，相應(yīng)采用其它精度等級，不應(yīng)低于G16級，如精度等級過低，操作者在操作過程易感到不適、易疲勞。

3.2 許用轉(zhuǎn)子重心偏移值

許用轉(zhuǎn)子重心偏移值計算：

e為許用重心偏移值，G為平衡精度，ω為轉(zhuǎn)子角速度。轉(zhuǎn)子重心偏移值應(yīng)以轉(zhuǎn)子的最大工作轉(zhuǎn)速來計算。

允許殘留不平衡重心偏移值eper基于平衡精度G與工作轉(zhuǎn)速n的關(guān)系見圖2，其中空白區(qū)域為普通用途產(chǎn)品的常用區(qū)域。

3.3 定標平面許用重心偏移值

每個定標（校正）平面上許用重心偏移值為轉(zhuǎn)子重心偏移值的二分之一，即：

eL為左平面許用轉(zhuǎn)子重心偏移值，eR為右平面許用轉(zhuǎn)子重心偏移值，如轉(zhuǎn)子的質(zhì)心落在支承距離中間三分之一區(qū)域外，應(yīng)按轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布來分配其重心偏移值。

圖2 允許殘留不平衡重心偏移值規(guī)格

3.4 定標（校正）平面上標定精度用不平衡質(zhì)量

mL為左平面的不平衡質(zhì)量，M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，rL為左平面配重所在半徑。

mR為右平面的不平衡質(zhì)量，M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，rR為右平面配重所在半徑。

4 不平衡量去除

4.1 常見方法

1）去重法

即在重的一面用鉆孔、磨削、銑削、激光鉆孔等方法去除一部分金屬。

2）加重法

即在輕的一面用螺釘連接、鉚接、焊接、插入銅排條、加貼環(huán)氧平衡泥等。

采用哪種方式進行動平衡處理，取決于電機的用途和轉(zhuǎn)速。由于電動工具的特殊性，一般選擇去重法校平衡。去重時切削銑刀可分為R型銑刀和V型銑刀，用R型銑刀去重的轉(zhuǎn)子鐵芯被切削處呈R型，V型銑刀去重的轉(zhuǎn)子鐵芯被切削處呈V型，見圖3。

圖3 去重實物

R型銑刀去重適用于初始不平衡量較大的轉(zhuǎn)子，其優(yōu)點是一次切削量大，缺點是切削面大，對電機性能有輕微影響，且易產(chǎn)生電機噪聲等。V型銑刀去重適用于初始不平衡量較小的轉(zhuǎn)子，其優(yōu)點是對電機性能影響小，不易產(chǎn)生噪聲，缺點是一次切削量小，對初始不平衡量要求較高。在設(shè)計轉(zhuǎn)子鐵芯時，應(yīng)注意鐵芯的齒肩厚是否適合于R型銑刀去重。

4.2 動平衡過程

校準轉(zhuǎn)子是批量生產(chǎn)中用動平衡機校出的動平衡量最小的轉(zhuǎn)子，可做平面分離和動平衡機定標用。據(jù)DSK自動平衡機資料和實際操作過程如下：

在動平衡機上設(shè)置被校轉(zhuǎn)子的鐵芯外徑、長度、槽數(shù)等信息，計算得到被校轉(zhuǎn)子鐵芯距鐵芯端面鉆孔位置，用M2絲錐鉆兩個深度為5mm的螺絲孔；換向器表面纏上白色膠帶，在與螺孔呈一直線方向膠帶表面用黑色記號標線（檢出被校轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速），通過光纖傳感器的接收部分獲得檢測角度基準；對被較轉(zhuǎn)子進行測試，左、右校正面上去重處理，直至多次檢驗顯示被校轉(zhuǎn)子左、右不平衡位置始終為同一位置，且左、右兩側(cè)的不平衡量均為10mg以下。

分別在轉(zhuǎn)子的螺孔左、右兩側(cè)擰上重為230mg的螺栓，使被校轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在基準回轉(zhuǎn)數(shù)，設(shè)定動平衡機的良品標準為10mg（殘留不平衡量為試重物的5%及以下，螺栓重230mg，殘留不平衡量為11.5mg及以下，一般取10mg），采用手動形式對轉(zhuǎn)子進行測試，確認螺栓位置在轉(zhuǎn)子下方，并確認顯示數(shù)值是否分別等于擰上螺栓后的重量，如一致，則定標完成，見圖4。

4.3 注意事項

轉(zhuǎn)子平衡轉(zhuǎn)速不宜小于轉(zhuǎn)子實際工作轉(zhuǎn)速的10%，且平衡轉(zhuǎn)速恒定；如平衡機的驅(qū)動轉(zhuǎn)子是感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子，平衡轉(zhuǎn)速應(yīng)避開其同步轉(zhuǎn)速的禁區(qū)；轉(zhuǎn)子平衡時的轉(zhuǎn)向宜和實際工作時轉(zhuǎn)子相同；轉(zhuǎn)子的軸承檔上應(yīng)避免毛刺、漆膜及其他異物；轉(zhuǎn)子在軸壓鐵芯、繞線、滴漆、壓風葉等工藝方面造成的初始轉(zhuǎn)子重心偏移值e應(yīng)小于50μm。

圖4 定子定標示意

4.4 質(zhì)量要求

1）切削位置

校正平面應(yīng)選擇離轉(zhuǎn)子軸承檔近端，距鐵芯端面1～2沖片，以防止鐵芯被切散、切變形、移位；

2）切削深度

切削深度一般取決于轉(zhuǎn)子鐵芯齒的齒厚，鐵芯不開裂，切削后應(yīng)保留部分厚度的齒肩，R型銑刀的切削深度不超過齒肩厚的1/3，V型銑刀最大切削深度不超過1mm；

3）切削長度

每側(cè)校正平面的切削長度取決于采用的銑刀寬度，通常小于鐵芯疊高的2/5；越近鐵芯中間去重效果越差。

4）切削角度（扇形角度）

切削角度（扇形角度）一般小于120°，如切削角度過大，則去重效果差，應(yīng)注意同一校正面不可在180°上進行對角切削，見圖5。

此外，應(yīng)注意切削時不可損傷漆包線。如已校動平衡的轉(zhuǎn)子發(fā)生跌、撞等現(xiàn)象引起意外變形，則須重新校正該轉(zhuǎn)子。

銑刀的新舊程度與去重質(zhì)量的關(guān)系較大，銑刀磨損可導致切削深度不足，對轉(zhuǎn)子鐵芯擠壓，造成鐵芯、繞組變形移位，易產(chǎn)生不合格品。故銑刀壽命應(yīng)設(shè)定切削50000次后進行修磨或更換。

5 結(jié)語

圖5 切削角度示意

轉(zhuǎn)子平衡的目的是減少轉(zhuǎn)子的不平衡量、以減少其引發(fā)的電機火花、振動、噪聲等不良現(xiàn)象。理論上，不平衡量越小越好。但實際使用中，應(yīng)按照實際需要的平衡精度進行平衡，如一味追求最小不平衡量，一方面增加了平衡校正的難度，另一方面也同步增加制造成本。

綜上，合理控制轉(zhuǎn)子初始不平衡量，消除轉(zhuǎn)子鐵芯毛刺、控制轉(zhuǎn)子鐵芯同軸度，預防軸彎曲變形、保證軸承檔精度，控制繞線張力，保證滴漆質(zhì)量，將初始不平衡量降低到最小，才是提供轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量最有效和適用的方法。