發(fā)電機(jī)精密定子鐵芯疊裝工藝研究

王 燕，黎 波，李 晉，羅 麗

發(fā)電機(jī)精密定子鐵芯疊裝工藝研究

王 燕，黎 波，李 晉，羅 麗

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽 550081）

精密定子鐵芯由沖片和絕緣端板通過工裝疊裝而成，疊裝后的定子鐵芯槽口整齊度誤差不大于0.02mm，斜槽角度誤差不大于0.5°。本文介紹了精密定子鐵芯的新型加工方法，采用高頻在線加熱半自動疊裝技術(shù)和新型高精度疊裝工裝的設(shè)計，將原有的長時間烘箱加熱由高頻在線加熱替代，采用雙圓鍵定位技術(shù)更準(zhǔn)確地保證斜槽角度，基于上述設(shè)計原理制作了高頻在線加熱半自動疊裝設(shè)備，實現(xiàn)了精密定子鐵芯的加工。

精密鐵芯；高頻感應(yīng)加熱；高精度疊裝

0 前言

發(fā)電機(jī)的精密定子鐵芯由沖片和絕緣端板通過工裝疊裝而成，如圖1所示。由于精密鐵芯的制作采用粘接的模式，所以需要在沖片和絕緣端板上提前浸膠，然后利用疊裝工裝將沖片和絕緣端板粘接在一起制作成精密定子鐵芯。

圖1 定子鐵芯

沖片和絕緣端板浸膠的種類一般有兩種：X98-11縮醛烘干膠液和1264耐高溫硅鋼片粘合劑。沖片浸膠的工藝流程如圖2所示。

圖2 沖片浸膠流程

定子鐵芯的疊壓在定子鐵芯疊壓工裝上進(jìn)行，加壓后將定子鐵芯和疊壓工裝一起放入烘箱中烘烤規(guī)定時間（與膠的類別有關(guān)），取出后施加一定壓力，再將其放入烘箱中進(jìn)行膠液老化烘焙，烘焙一定時間后隨烘箱冷卻，然后取出定子鐵芯，打開疊壓工裝螺母取出芯軸即得膠粘的定子鐵芯。

為了保證鐵芯長度和重量符合規(guī)定的范圍，保證鐵芯緊密度及其形狀穩(wěn)定，需在鐵芯疊裝時對沖片施加一定的壓力。鐵芯片間的實存壓力約為0.8～1MPa，但考慮到疊壓時有摩擦力要克服，沖片存在的翹曲需要平整，運(yùn)行中片間絕緣老化使片間絕緣收縮，防止疊壓好的鐵芯因搬運(yùn)時碰撞而形變等，實際上鐵芯疊壓時外施壓力較高，一般約為2.5～3MPa。

采用常規(guī)的烘箱加熱結(jié)合疊裝方式加工的定子鐵芯常常會出現(xiàn)開裂、膠液大量溢出、槽口不整齊、端板翹曲等不合格品，如圖3所示。

圖3 缺陷定子鐵芯

1 高頻感應(yīng)加熱技術(shù)

高頻感應(yīng)加熱技術(shù)對金屬材料加熱效率較高、速度較快，且低耗環(huán)保。目前它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)對金屬材料的熱加工、熱處理、熱裝配及焊接、熔煉等工藝中[1]。它不但可以對工件整體加熱，還能對工件局部針對性地加熱；可實現(xiàn)對工件的深層透熱，也可只對其表面、表層集中加熱；不但可對金屬材料直接加熱，也可對非金屬材料進(jìn)行間接式加熱等[2]。因此，高頻感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用必將越來越廣泛。

高頻感應(yīng)加熱技術(shù)的基本原理是將工件放入感應(yīng)器（線圈）內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流時，周圍即產(chǎn)生交變磁場。交變磁場的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生封閉的感應(yīng)電流——渦流[3]。工件表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使表層的溫度升高，即實現(xiàn)表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內(nèi)部的電流密度差則越大，加熱層越薄。

發(fā)電機(jī)定子鐵芯是由沖片和絕緣端板通過膠液粘接在一起制作的，其中沖片的材料為硅鋼片或軟磁合金，厚度一般為0.15~0.5mm，實際操作中多采用烘箱加熱到膠液的固化溫度使其固化。

由于膠液已通過浸膠的方式提前涂在沖片上，在常溫下疊裝鐵芯時膠液不會熔化，所以需要在鐵芯疊裝后將其放入烘箱中一段時間，待膠液熔化后取出疊裝的鐵芯，同時施加一定壓力，再將疊壓后的鐵芯放入烘箱中使膠液完全固化。采用這種方式在第一次取出鐵芯壓裝時會出現(xiàn)膠液大量溢出的現(xiàn)象，由于膠液溢出使鐵芯厚度不能滿足要求，需要打開疊裝工裝添加沖片，這種反復(fù)取出鐵芯的操作會導(dǎo)致鐵芯受熱沖擊影響從而造成鐵芯內(nèi)部熱應(yīng)力不均勻，導(dǎo)致鐵芯出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。在膠液熔化過程中采用烘箱加熱的方式極其浪費(fèi)時間，第一次烘箱加熱時間為1h左右，嚴(yán)重影響加工效率并且占用大量的烘箱資源。

采用高頻加熱可將工件表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡韺拥臏囟壬?，即實現(xiàn)沖片的表面加熱，所以它可以對每片沖片進(jìn)行快速加熱，且溫度均勻，可以快速熔化膠液。本文對所研究發(fā)電機(jī)的其中一種鐵芯進(jìn)行仿真分析，鐵芯參數(shù)見表1。

表1 鐵芯參數(shù)

對表1中的鐵芯進(jìn)行熱仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

從上述仿真結(jié)果可看出：采用高頻感應(yīng)加熱技術(shù)對定子鐵芯進(jìn)行加熱時，鐵芯的溫度隨加熱過程的進(jìn)行逐漸升高，但其整體溫度分布比較均勻，沖片表面溫度差不大于1℃，不會隨著加熱過程的進(jìn)行而產(chǎn)生鐵芯局部溫度畸變。

膠液在沖片上得到均勻的加熱而在施加外力的作用下不會出現(xiàn)大量局部溢出的問題，沖片自身生產(chǎn)的熱量不會導(dǎo)致溫度突變，可降低熱應(yīng)力，減少鐵芯開裂問題。

2 高精度疊裝工裝設(shè)計

發(fā)電機(jī)鐵芯的疊壓在定子鐵芯疊壓工裝上進(jìn)行，定子沖片是由齒部、軛部和槽口組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 沖片結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)定子鐵芯疊裝工裝的結(jié)構(gòu)如圖6所示，涂膠的沖片用芯軸和槽鍵板定位疊壓。鍵板一部分插在芯軸上，另一部分插入沖片槽口，鍵板可為1根，也可以多根。壓頭于垂直方向?qū)喊迨骸?/p>

傳統(tǒng)疊裝定位采用芯軸和槽口定位的方式，即根據(jù)沖片的內(nèi)孔和槽口尺寸加工與之配合較好的芯軸和槽鍵板，槽鍵板一部分插入芯軸，另一部分插入沖片槽口。槽鍵板在其中的作用非常重要，它決定了定子鐵芯疊裝后槽口的整齊程度，由于槽口接觸面積較小，所以加工精密定子鐵芯需要多個槽鍵板定位。

直槽的定子鐵芯的槽口為直線，在疊裝過程中不用左右移動沖片，沖片只需進(jìn)行上下移動?？梢圆捎枚鄠€槽鍵板定位，疊裝后槽口整齊度較高，能夠滿足高精度要求。

斜槽的定子鐵芯的疊裝需要左右、上下移動沖片，如果采用多個槽鍵板定位會出現(xiàn)過定位現(xiàn)象，在疊裝過程中沖片無法移動，導(dǎo)致無法疊裝鐵芯，所以在實際操作中斜槽的定子鐵芯槽鍵板只有一個。由于沖片槽口定位面積較小，定位強(qiáng)度低，并且只有一個槽鍵板定位，疊裝后的鐵芯會出現(xiàn)斜槽槽口不整齊的現(xiàn)象，更有甚者疊裝后絕緣端板與沖片之間的錯位較多，致使端部絕緣失效。斜槽錯位的定子鐵芯實物如圖7所示。

1-壓頭；2-螺母；3-壓板；4-槽鍵板；5-絕緣端板；6-沖片；7-芯軸；8-退料圈；9-退料板

圖7 斜槽錯位定子鐵芯實物圖

本文設(shè)計的新型高精度定子鐵芯疊裝工裝結(jié)合了沖片和鐵芯結(jié)構(gòu)，采用雙圓鍵槽內(nèi)定位方式，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。定子鐵芯疊裝工裝是由芯軸、輔助定位塊、底板、頂板、定位圓鍵（2根）、鎖緊墊圈、擋塊、螺母和撥桿組成。

圖8 新型疊裝工裝結(jié)構(gòu)圖

利用兩根定位圓鍵插入沖片的兩個槽中，一前一后對沖片進(jìn)行限位，由于接觸面積大，定位強(qiáng)度高，并且為雙圓鍵定位，定位圓鍵的兩端分別在底板和頂板的槽孔中，底板固定不動，頂板隨著螺母的鎖緊往下運(yùn)動，沖片也隨之被壓縮到規(guī)格高度。疊裝后的沖片整齊程度高，如圖9所示。

圖9 新型疊裝工裝疊裝的鐵芯

為驗證新型高精度工裝疊裝鐵芯的成型效果，采用有限元方法對鐵芯在工裝中的受力分布進(jìn)行了分析。

首先對工裝與鐵芯進(jìn)行建模與簡化。設(shè)計完成的工裝與鐵芯有大量細(xì)節(jié)特征，在分析之前需要將對分析基本無影響的小特征進(jìn)行簡化，以便于網(wǎng)格劃分。由于定子鐵芯是由多片硅鋼片壓合而成的工件，在斜槽邊緣會存在大量鋸齒狀邊角，嚴(yán)重影響網(wǎng)格劃分，同時尺寸較薄的鋼片不適合用三維單元進(jìn)行擬合，因此將定子鐵芯形狀簡化為一圓柱形帶斜槽的整體。分析時以整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。工裝與鐵芯劃分網(wǎng)格效果如圖10所示。

圖10 工裝與鐵芯劃分網(wǎng)格效果

完成網(wǎng)格劃分后，對模型施加約束：將工裝與鐵芯一端接觸的底端板固定，底端板與工裝芯軸之間為固定粘合。定子鐵芯與工裝、頂端板與芯軸之間雖然存在定位關(guān)系，但工作中不受力，在軟件中均設(shè)置為分離；此外，工裝定位的鍵板與定位圓柱鍵與工裝之間均為接觸不受力。完成后在頂端板施加載荷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)工藝要求，初始壓力設(shè)為12000N。

分析結(jié)果如圖11、12所示，采用新型工裝，鐵芯槽口與鍵接觸部位應(yīng)力有顯著降低，應(yīng)力分布更加均勻。

圖11 槽口部分接觸應(yīng)力對比

由于新型工裝在下壓過程中對鐵芯沒有扭轉(zhuǎn)力，鐵芯整體應(yīng)力最大值明顯比傳統(tǒng)工裝小，鐵芯變形程度也隨之減小，達(dá)到了更好的成型效果。

3 高頻感應(yīng)加熱半自動疊裝設(shè)備的設(shè)計

發(fā)電機(jī)定子鐵芯的槽為內(nèi)槽，由于內(nèi)部空間有限，一直采用手工疊裝，手工疊裝定子鐵芯會出現(xiàn)前文已經(jīng)闡述的開裂、膠液溢出較多、加工效率低等問題。結(jié)合已經(jīng)成熟的高頻感應(yīng)加熱技術(shù)和新型高精度疊裝工裝設(shè)計，與設(shè)備廠家一起設(shè)計、開發(fā)出一款高頻感應(yīng)在線加熱半自動疊裝設(shè)備。設(shè)備三維圖如圖13所示。

圖13 設(shè)備三維圖

將硅鋼片按要求疊放到新型定子鐵芯疊裝工裝上，并利用工具將沖片移動到位，再將疊裝工裝裝入設(shè)備中，啟動壓裝按鈕，伺服電壓缸按給定壓力壓裝鐵芯，此時高頻感應(yīng)加熱裝置對硅鋼片組合體進(jìn)行快速加熱，在壓力和溫度的雙重作用下，最終硅鋼片被壓縮到需要的高度，高頻加熱裝置停止加熱。將螺母和鎖緊墊片依次放入擰緊機(jī)構(gòu)中，啟動按鈕，擰緊機(jī)構(gòu)自動將硅鋼片組合體鎖緊，取出壓裝好的硅鋼片組合體，完成整個疊片壓裝的單次操作。

該設(shè)備將加熱、壓裝集成一體，既提高了加工效率也解決了采用傳統(tǒng)手工疊裝方法出現(xiàn)的各種問題。

4 精密定子鐵芯的制作

采用高頻感應(yīng)加熱半自動疊裝設(shè)備制作精密定子鐵芯的工藝流程如下：

（1）加工者將沖片放入工裝中，采用輔助放料桿定位沖片，輔助放料桿與沖片為松配合，沖片的記號槽需要在統(tǒng)一位置，而記號槽與輔助放料桿定位槽無需固定位置關(guān)系，任意槽口均可，如圖14所示。該操作無需加工者具備特殊技能，簡單易行。

圖14 疊片步驟1

（2）沖片疊放完成后，取出輔助放料桿，將定位圓鍵放入底板的槽孔中，如圖15所示。

圖15 疊片步驟2

（3）放入頂板，此時應(yīng)注意定位銷需要插入頂板槽孔中，后放入鎖緊墊圈，再將螺母擰入（不需要擰緊），如圖16所示。

（4）將撥桿從頂板長槽孔中插入，由槽口貫穿鐵芯，從最下面一層疊片的槽角處，由下往上撥動疊片2~3次，使疊片外圓的缺口形成一條傾斜線，觀察該斜線是否整齊達(dá)標(biāo)，若有齒狀，繼續(xù)用撥桿從下往上撥動疊片，直至斜線達(dá)標(biāo)為止。本步驟是精密斜槽成型的關(guān)鍵，撥桿在槽中撥動沖片的目的是將所有沖片都與定位銷靠緊，形成整齊準(zhǔn)確的斜槽。由于螺母不鎖緊，沖片在芯軸中可自由旋轉(zhuǎn)，隨后插入另一側(cè)的定位銷，沖片即可在兩個定位銷的限制下固定斜槽角度，如圖17所示。

圖16 疊片步驟3

圖17 疊片步驟4

（5）將另一根定位圓鍵從頂板的另一個槽孔中插入，直至底板槽孔，用扳手將螺母鎖緊，如圖18所示。然后將工裝放入壓裝設(shè)備中，以半自動高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱硅鋼片，此時加熱僅需要30~40s，同時設(shè)備會施加一定壓力，將鐵芯壓裝至需要高度，設(shè)備還可自動更換擰緊螺母，并將鐵芯擰緊。然后取下帶有疊片的工裝體放入烘箱中進(jìn)行老化烘焙。

（6）烘焙一定時間后將工裝從烘箱取出，人工擰松螺母，將螺母和鎖緊墊圈取出，用套筒將壓好的疊片體從芯軸中退出，如圖19所示。

圖18 疊片步驟4

圖19 疊片步驟5

5 結(jié)論

通過本文比對分析，與傳統(tǒng)的鐵芯疊裝方式相比，高頻感應(yīng)加熱設(shè)備優(yōu)勢較為明顯，疊裝的精密定子鐵芯不僅槽口整齊，而且不易出現(xiàn)裂紋。高頻加熱效率較高，可以大幅縮短定子鐵芯的制作時間，能有效提高加工效率，為鐵芯的高質(zhì)量加工、高效率加工提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

[1] 潘春芳，項薔媛. 感應(yīng)加熱的方式及其應(yīng)用[J]. 中學(xué)物理, 2014, 32(1):96.

[2] 陳軍, 孔令飛, 程良, 等. 高頻感應(yīng)淬火實現(xiàn)表面同時加熱途徑[J]. 金屬加工（熱加工）, 2014(13):97-99.

[3] Fred Rosebury. 高頻感應(yīng)加熱[J]. 真空電子技術(shù), 1966(Z3).

Study on Stacking Technology of Precise Stator Core of Generator

WANG Yan, LI Bo, LI Jin, LUO Li

(Guizhou Aerospace Linquan Motor Co., Guizhou 550081, China)

The precision stator iron core is assembled by means of punching plate and insulating end plate. The error of groove uniformity is no more than 0.02mm, and the error of inclined groove angle is no more than 0.5°. This paper introduces a new processing method of precision stator core, which adopts high frequency on-line heating semi-automatic stacking technology and the design of new high precision stacking tooling, replacing the original long time oven heating with high frequency on-line heating. Based on the above-mentioned design principle, a semi-automatic on-line high-frequency heating device is developed to process the precise stator core.

precision iron core; high-frequency heating; high-precision stacking

TM305

A

1000-3983(2021)01-0076-06

2020-06-17

王燕（1978-），2017年畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士研究生，研究方向為無刷電機(jī)加工技術(shù)研究，高級工程師。