繞線對(duì)電樞軸與換向器的配合淺析

葛世昀

(上海馬陸日用-友捷汽車電氣有限公司，上海 201801)

0 引 言

微電機(jī)在各行各業(yè)的應(yīng)用很廣，汽車風(fēng)扇電機(jī)是微電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的體現(xiàn)。

電樞是電機(jī)的核心部件，而電樞軸與換向器是電樞的關(guān)鍵零部件，它們之間的配合正確性是非常重要的，它的變動(dòng)會(huì)直接影響電機(jī)設(shè)計(jì)的性能。因此，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重視繞線對(duì)電樞軸與換向器的配合關(guān)系。

本文將從繞線受力分析出發(fā)，確定汽車風(fēng)扇電機(jī)中電樞繞線對(duì)電樞軸與換向器過盈配合量的要求。

1 繞線機(jī)繞線時(shí)力的分析

在微電機(jī)生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)效率，通常使用的繞線機(jī)是雙飛結(jié)構(gòu)。

繞線時(shí)，漆包線的端頭先在換向器的鉤腳上固定，然后引向鐵心槽，以圖紙?jiān)O(shè)定的線圈跨距進(jìn)行繞線，每個(gè)線圈繞一定的匝數(shù)，繞完一個(gè)線圈后，在換向器的下一個(gè)鉤腳上固定，再開始下一個(gè)線圈的繞線，直至全部完成繞線。電機(jī)繞線時(shí)，漆包線的張(拉)力示意圖如圖1所示。

從電機(jī)繞線時(shí)的張(拉)力示意圖中，可以再進(jìn)一步分析換向器的鉤腳受力情況，并且分解，如圖2所示。

圖1 電機(jī)繞線時(shí)的張(拉)力示意圖

圖2 電機(jī)繞線時(shí)的張(拉)力分析

如圖2所示：軸向力FX=F1X+F2X；徑向力FZ=F1Z-F2Z；周向力FY=F1Y+F2Y。

假如繞線機(jī)是雙飛結(jié)構(gòu)且設(shè)備上的夾具等是一致的、沒有誤差的，那么F1和F2就相等，即：F1X=F2X，F(xiàn)1Z=F2Z，F(xiàn)1Y=F2Y。這時(shí)，徑向力FZ=0，軸向力FX=F1X+F2X，周向力FY=F1Y+F2Y。

從電機(jī)繞線時(shí)張(拉)力圖分析得出：軸向力會(huì)影響換向器的軸向移位；周向力引起換向器旋轉(zhuǎn)。

2 換向器與軸之間的配合

前面分析到軸向力會(huì)影響換向器的軸向移位；周向力導(dǎo)致?lián)Q向器的旋轉(zhuǎn)。下面分別分析。

1) 軸向力FX

當(dāng)電樞軸與換向器過盈配合量達(dá)到一規(guī)定值時(shí)，軸向力應(yīng)小于配合面上所能產(chǎn)生的軸向摩擦阻力Ff，這才能使換向器不產(chǎn)生軸向移位，即：

Ff≥FX

(1)

過盈聯(lián)接的配合面間應(yīng)具有徑向壓力p，設(shè)配合的公稱直徑為d，配合面上的摩擦系數(shù)為f，配合長(zhǎng)度為l， 則：

Ff=πdlpf

(2)

將式(2)代入式(1)中，整理得到：

(3)

2) 周向力FY

有周向力就會(huì)產(chǎn)生扭矩T，為了不產(chǎn)生換向器的旋轉(zhuǎn)，配合面間所能產(chǎn)生的摩擦阻力矩Mf應(yīng)大于或等于轉(zhuǎn)矩T，即：

Mf≥T

(4)

設(shè)配合面上的摩擦系數(shù)為f，配合尺寸同前。實(shí)際上，周向摩擦系數(shù)與軸向摩擦系數(shù)有差異，現(xiàn)簡(jiǎn)化,取兩者近似相等，均以f表示，則：

Mf=πdlpfd/2

(5)

將式(5)代入式(4),整理得到：

(6)

3) 軸向力和轉(zhuǎn)矩T的聯(lián)合作用

結(jié)合式(3)和式(6)，所需的徑向壓力：

(7)

4) 過盈聯(lián)接的最小有效過盈量Δmin

則由此可知，過盈聯(lián)接的最小過盈量：

(8)

式中：E1，E2分別為被包容件與包容件材料的彈性模量，E鋼=2.06×105MPa，E電木=0.019 6×105～0.029 4×105MPa；C1為被包容件的剛性系數(shù)，C2為包容件的剛性系數(shù)，表達(dá)式如下：

(9)

(10)

式中：d1，d2分別是被包容件的內(nèi)徑與包容件的外徑；μ1，μ2分別是被包容件與包容件材料的泊松比，鋼的泊松比為0.3，電木的泊松比為0.38。

5) 換向器壓入電樞軸，過盈聯(lián)接的最小過盈量

換向器壓入電樞軸時(shí)，還應(yīng)考慮電木疏松差異、軸上有油脂、凸筋的加工誤差、換向器入軸時(shí)凸筋變形等各種情況，這樣過盈量大小的變化，需要選擇適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

δmin=S×Δmin

(11)

式中：δmin為考慮安全系數(shù)的最小過盈量；S為安全系數(shù)，一般范圍10～20。

3 繞線機(jī)漆包線張(拉)力的控制

1) 漆包線張(拉)力的要求

繞線時(shí)，電樞線包的松緊度很重要。

漆包線張(拉)力小，導(dǎo)致線包松，會(huì)影響電機(jī)的性能，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，造成電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性大，增加電機(jī)的動(dòng)能，消耗電機(jī)更多電能，能耗比增加，影響電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

漆包線張(拉)力大，以致于漆包線有一定的拉伸，造成漆包線的截面積變小，影響到電機(jī)線負(fù)荷的大小，影響電機(jī)性能；同時(shí)會(huì)造成漆包線的絕緣層破壞，電機(jī)的絕緣失效。

因此，漆包線張(拉)力是電樞線包松緊度的關(guān)鍵和重要參數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)期工作積累，漆包線張(拉)力要求如表1所示。

表1 漆包線張(拉)力要求

注：漆包線張(拉)力范圍根據(jù)繞線機(jī)設(shè)備的不同會(huì)有變化。

2) 漆包線張(拉)力的設(shè)計(jì)

繞線機(jī)繞線時(shí)，雙飛叉的轉(zhuǎn)動(dòng)不是勻速的，時(shí)有加速或減速，通常加速度a=3.50m/s2，這樣就會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊力。根據(jù)長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)，沖擊力選擇范圍是漆包線拉(張)力的5倍～15倍。

4 計(jì)算

假設(shè)產(chǎn)品由Ф8mm的電樞軸與Ф27mm的換向器和鐵心組成，換向器與電樞軸的配合長(zhǎng)度為10，然后使用自動(dòng)雙飛繞線機(jī)進(jìn)行繞線，換向器鉤子的繞線拉力為5kg。計(jì)算樞軸與換向器的過盈量。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)線圈邊的上鉤線為45°，沖擊力取漆包線拉(張)力的10倍，摩擦系數(shù)f取0.35。

軸向力：

FX=5×cos 45°×2×10=70.7 kg

徑向壓力：

假設(shè)線圈邊的上鉤線為45°，因此周向力FY與軸向力相同。

軸向力和轉(zhuǎn)矩T的聯(lián)合作用下的徑向壓力：

被包容件的剛性系數(shù):

式中：漆電線為實(shí)心，d1=0；μ1=0.3。計(jì)算得到C1=0.7。

包容件的剛性系數(shù)：

式中：d=8mm,d2=27mm,μ2=0.38。計(jì)算得到C2=0.812。

根據(jù)式(8)和式(11)，考慮安全系數(shù)時(shí)過盈聯(lián)接的最小過盈量：

式中：E1=2.06×105MPa； E2=0.025×105MPa；安全系數(shù)S=10。

5 結(jié) 語(yǔ)

以上是理論上的淺析，與實(shí)際工作中的運(yùn)用基本相一致的。

實(shí)際設(shè)計(jì)中可采用有限元軟件ABAQUS對(duì)換向器繞線前、后和過程中進(jìn)行模擬計(jì)算，還可以通過實(shí)際情況進(jìn)行檢驗(yàn)，來(lái)進(jìn)一步修正安全系數(shù)的取值。

電樞軸與換向器配合有幾種(如軸孔過盈結(jié)構(gòu)、直紋結(jié)構(gòu)、凸筋結(jié)構(gòu)、臺(tái)階軸與軸孔結(jié)合的過盈結(jié)構(gòu)、膠水結(jié)構(gòu)等)，在不同結(jié)構(gòu)中變化成不同的過盈量計(jì)算方式。

另外，換向器所使用電木塑料的力學(xué)特性對(duì)于換向器在繞線中產(chǎn)生的移位、旋轉(zhuǎn)、開裂相當(dāng)關(guān)鍵，所以，要對(duì)不同電木塑料和不同厚度試樣作有限元軟件ABAQUS分析，可以得出最佳效果。