定子線圈漲形應(yīng)力優(yōu)化技術(shù)探討

楊振中，袁雙玲，龍?jiān)品?，粟?shī)雨，許 欣

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

定子線圈是電機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其制作質(zhì)量直接影響電機(jī)的使用壽命。交流牽引電動(dòng)機(jī)普遍使用薄膜繞包電磁線，電磁線薄膜在定子線圈制作過(guò)程中容易因漲形應(yīng)力過(guò)大或受力不均而出現(xiàn)破損，這種破損如果未能及時(shí)識(shí)別，將直接導(dǎo)致定子線圈匝間短路燒損，嚴(yán)重威脅交流電機(jī)的安全運(yùn)行。因此，研究定子線圈漲形及其應(yīng)力技術(shù)，對(duì)提高定子線圈匝間絕緣可靠性有著重要的意義。

1 定子線圈漲形技術(shù)

有別于以往直流電機(jī)采用敲打成型方式和早期半自動(dòng)線圈漲形方式，現(xiàn)代電機(jī)定子線圈成型過(guò)程在全自動(dòng)數(shù)控漲形機(jī)上完成。梭形線圈裝入夾具后，夾具夾緊、拉開、鼻部抬起、頂弧、整形等過(guò)程一次性全自動(dòng)完成，漲形參數(shù)通過(guò)設(shè)備程序設(shè)定，夾具夾持力可通過(guò)油缸壓力調(diào)整。全自動(dòng)數(shù)控漲形機(jī)生產(chǎn)的定子線圈形狀一致性好，漲形過(guò)程及漲形后無(wú)需對(duì)線圈敲打、整形，漲形機(jī)程序設(shè)定界面直觀，操作簡(jiǎn)易，能實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)產(chǎn)品間的快速切換。

某典型交流異步電動(dòng)機(jī)端部尺寸小，漲形動(dòng)作順序?yàn)槔臁⑴まD(zhuǎn)，端部頂弧動(dòng)作與線圈扭轉(zhuǎn)動(dòng)作同步，漲形時(shí)線圈直線邊臨近拐角處由四個(gè)夾具對(duì)其固定，鼻部以圓柱銷定位。分析漲形及其工作原理，定子線圈漲形的本質(zhì)是使線圈在力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)效應(yīng)和變形效應(yīng)。如果漲形參數(shù)設(shè)置不合理，線圈上、下層邊的端部弧長(zhǎng)分配不均，將直接導(dǎo)致四處夾持力不均。為確保線圈漲形應(yīng)力最小化，從而實(shí)現(xiàn)匝間絕緣剩余強(qiáng)度最高化，必須通過(guò)調(diào)整線圈上、下層邊端部弧長(zhǎng)分配，使?jié)q形過(guò)程四個(gè)直線邊的夾持力基本相當(dāng)。

2 線圈端部弧長(zhǎng)探究

2.1 弧長(zhǎng)計(jì)算

繪制定子線圈三維模型，量取線圈端部弧長(zhǎng)。要精準(zhǔn)量取上下層邊的長(zhǎng)度，必須找準(zhǔn)線圈鼻部中心的分界線。操作流程：抽取線圈漲形時(shí)鼻部銷釘?shù)闹行木€→建立鼻部?jī)?nèi)圓參數(shù)曲線→建立中心線與分界線平面→拆分鼻部實(shí)體→鼻部中線即為拆分線，然后對(duì)上下層邊中線長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，求取平均值，如圖1、圖2所示。

圖1 端部正面中線

圖2 端部反面中線

某典型產(chǎn)品定子線圈上層邊端部弧長(zhǎng)Lup=160.51 mm，Ldo=160.44 mm，在線圈三維模型上量取的上下層邊弧長(zhǎng)均值基本相等，而實(shí)際定子線圈漲形后尺寸與理論三維模型難以做到完全一致，而且通常線圈圖紙中不標(biāo)注線圈端部的弧長(zhǎng)尺寸。

2.2 實(shí)物測(cè)量

圖3 線圈3D掃描圖

定子線圈漲形的本質(zhì)是使線圈在力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)效應(yīng)和變形效應(yīng)。線圈漲形運(yùn)動(dòng)時(shí)受到四個(gè)直線邊的夾持力，線圈拉伸和扭轉(zhuǎn)時(shí)鼻部未完全限位，因此線圈端部弧長(zhǎng)分配會(huì)向受力大的一側(cè)偏移，對(duì)應(yīng)側(cè)的導(dǎo)線應(yīng)力也越大。

分析漲形機(jī)工作原理可知，線圈鼻部通過(guò)內(nèi)孔圓柱銷定位，線圈拉伸和扭轉(zhuǎn)時(shí)鼻部未完全限位，因此可通過(guò)調(diào)整漲形時(shí)的跨距分配參數(shù)來(lái)解決上、下層邊端部弧長(zhǎng)不等的問(wèn)題。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

漲形采用上下對(duì)稱跨距參數(shù)時(shí)，線圈下層邊較上層邊端部弧長(zhǎng)大4.8 mm，因此考慮將漲形跨距參數(shù)往上層邊偏移。前文所述線圈斜邊相對(duì)直線邊的夾角為35.36°，因此跨距偏移量x=4.8 mm×cos35.36°，計(jì)算得x=3.9 mm，理論上分配到上、下層邊應(yīng)分別將跨距參數(shù)增大、減小1.95 mm。

為驗(yàn)證方案的有效性，先將上、下層邊跨距參數(shù)分別增大、減小1.6 mm，然后繼續(xù)將上、下層邊跨距參數(shù)分別增大、減小0.2 mm，通過(guò)測(cè)量不同漲形參數(shù)下端部弧長(zhǎng)的改變情況來(lái)驗(yàn)證調(diào)整結(jié)果。同時(shí)，為了更直觀反映線圈直線邊夾具的夾持力大小，在線圈直線邊夾具上粘貼薄膜式壓力傳感器，用萬(wàn)用表測(cè)量漲形過(guò)程中線匝與夾具之間的壓力傳感器阻值，阻值越小，對(duì)應(yīng)壓力值越大。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1為不同漲形跨距參數(shù)下線圈端部弧長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果。

表1 漲形跨距參數(shù)調(diào)整-弧長(zhǎng)對(duì)比

由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，調(diào)整漲形跨距參數(shù)后，線圈上、下層邊弧長(zhǎng)相等。驗(yàn)證數(shù)據(jù)表明，通過(guò)改變漲形時(shí)的跨距參數(shù)分配，可以有效解決上、下層邊端部弧長(zhǎng)不等的問(wèn)題。

表2為漲形參數(shù)優(yōu)化前后四個(gè)直線邊夾具與線圈之間的薄膜式壓力傳感器阻值。

表2

根據(jù)薄膜式壓力傳感器原理，阻值越小，對(duì)應(yīng)的壓力越大。由表2壓力傳感器阻值數(shù)據(jù)可知，漲形參數(shù)優(yōu)化前，由于線圈下層邊端部弧長(zhǎng)較上層邊長(zhǎng)4.8 mm，下層邊夾具的夾持力明顯大于上層邊。漲形參數(shù)優(yōu)化后，線圈上、下層邊端部弧長(zhǎng)基本相等，漲形時(shí)直線邊四處夾具的夾持力也基本相等，漲形過(guò)程中拍攝定子線圈直線拐角夾具對(duì)應(yīng)的油壓值動(dòng)態(tài)變化情況，實(shí)際油壓值保持穩(wěn)定的2 MPa±0.1 MPa，而當(dāng)線圈上、下層邊弧長(zhǎng)偏差較大時(shí)，漲形時(shí)受力較大側(cè)的直線邊夾具油壓值存在明顯浮動(dòng)，通常在2 MPa～3.5 MPa之間。可見(jiàn)通過(guò)調(diào)整定子線圈漲形時(shí)的跨距分配，能實(shí)現(xiàn)線圈端部弧長(zhǎng)的均衡分配，從而大大改善線圈漲形受力情況。

3.3 絕緣檢測(cè)

漲形后檢查線圈內(nèi)部各線匝絕緣情況，如圖4所示。漲形工藝優(yōu)化前，由于線圈受力不均，一側(cè)線圈直線邊拐角處容易出現(xiàn)電磁線薄膜破損和翻起等異常情況；漲形工藝優(yōu)化后，線圈直線拐角部位、線圈兩端鼻部和端部均無(wú)明顯壓痕，電磁線薄膜無(wú)開膠、破損和翻起等異常情況。對(duì)成型后的定子線圈進(jìn)行嚴(yán)苛的浸水試驗(yàn)，試驗(yàn)合格率由98%提高至99.6%。

圖4 線圈匝間絕緣質(zhì)量情況

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電機(jī)定子線圈漲形工藝的分析和優(yōu)化，很好的解決了線圈漲形受力不均問(wèn)題。基于端部弧長(zhǎng)相等、成型應(yīng)力一致的定子線圈漲形優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，使交流電機(jī)匝間絕緣可靠性大幅度提高。