外轉(zhuǎn)子分割鐵心高效精密小型電機(jī)
一、前 言
由于當(dāng)前全球節(jié)能呼聲高漲，對(duì)于電氣產(chǎn)品來(lái)講采用高效率電機(jī)來(lái)降低電能消耗是今后發(fā)展的主流方向，同時(shí)家用電器和辦公自動(dòng)化電器產(chǎn)品均不斷要求電機(jī)小型化；因此提高效率、縮小體積是電機(jī)發(fā)展的永恒課題。
在部分永磁同步電機(jī)領(lǐng)域，定子鐵心的分割連接技術(shù)發(fā)展曾經(jīng)為電機(jī)的小型化、高效化立下汗馬功勞。即將電機(jī)的定子鐵心分割開(kāi)來(lái)，繞好線再連接成完整的定子，使線圈的槽滿率提高；這種新的分割式定子鐵心現(xiàn)在越來(lái)越普及。但以往這種加工方法主要用于內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，這是由于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的定子鐵心分割加工后再組裝起來(lái)配置在外側(cè)，從外部焊接加工然后再裝入圓形外殼，相對(duì)加工比較方便。而外轉(zhuǎn)子機(jī)的定子鐵心分割后，連組裝部是在鐵心的內(nèi)部，所以加工、連接、保持圓度有一定難度，因此以往認(rèn)為分割式鐵心不太適合外轉(zhuǎn)予電機(jī)。但外轉(zhuǎn)子電機(jī)領(lǐng)域也同樣希望提高速度控制性能、降低振動(dòng)、噪音和磁反應(yīng)力矩；所以也希望采用分割式鐵心來(lái)提高電機(jī)性能；這對(duì)如何確保組裝的定子鐵心的精度就十分重要。到目前為止外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)還沒(méi)有采用分割式鐵心來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化和高效化。
本文就家電和辦公自動(dòng)化電器產(chǎn)品中常用的外轉(zhuǎn)子精密小型電機(jī)（圖1）為研究對(duì)象，介紹如何用分割式鐵心連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)小型、高效化。采用了分割鐵心可以提高槽滿率和鐵心設(shè)計(jì)的自由度，為了預(yù)測(cè)****設(shè)計(jì)常數(shù)同以往的設(shè)計(jì)研究范圍是否一致，可以通過(guò)對(duì)分割鐵心電機(jī)特有的設(shè)計(jì)常數(shù)范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定，先計(jì)算出這種電機(jī)結(jié)構(gòu)的****性能；再通過(guò)制作的實(shí)際樣機(jī)評(píng)價(jià)來(lái)證實(shí)這一計(jì)算結(jié)果的正確性。
二、外轉(zhuǎn)子電視分割鐵心技術(shù)的研究
2.1新的連接方式
分割式外轉(zhuǎn)子電機(jī)的定子鐵心是先分割開(kāi)來(lái)，分別進(jìn)行高密度繞線，然后再連接起來(lái)。作為一種新的連接方式，既要考慮到大批量生產(chǎn)時(shí)的便利性，又要確保可靠性；現(xiàn)在有支架熱嵌接和支架塑性變形兩種連接方式。支架熱嵌接方式原理圖如圖2(a)所示，支架塑性變形方式如圖2(b)所示。熱嵌接方式是在每一個(gè)分割的定子t型磁極的內(nèi)側(cè)部設(shè)置有楔形槽，在同支架組裝連接時(shí)，先將支架加熱再趁熱嵌入定子鐵心，這樣當(dāng)支架冷卻后收縮時(shí)將鐵心向圓心方向收緊。支架嵌合部的寬度方向因升溫尺寸變化相對(duì)比較小，所以鐵心嵌入部的楔形槽尺寸只要確保支架膨脹后能插入就行。另外還有一種是塑性變形方式，鐵心插入支架后，在支架的嵌合部打入鋼性銷釘，使支架產(chǎn)生塑性變形擴(kuò)張將組裝間隙充滿。由于產(chǎn)生彈性限度以上應(yīng)力的塑料變形、所以在材料內(nèi)部產(chǎn)生殘留應(yīng)力。正是利用這種殘留應(yīng)力將鐵心從外徑側(cè)拉向內(nèi)徑側(cè)，達(dá)到收緊鐵心的目的。
為了確認(rèn)鐵心連接的可行性，對(duì)熱嵌接方式進(jìn)行了fem（仿真模擬試驗(yàn)）的連接應(yīng)力解析。解析軟件用的是市場(chǎng)有僖的abaqus，采用接觸元進(jìn)行二維應(yīng)力解析。材料的常數(shù)：鐵心是鐵，支架是鋁，分別采用一般的縱向彈性率和泊松比。圖3是定子鐵心和支架熱嵌接后的應(yīng)力解析結(jié)果。熱應(yīng)力的負(fù)荷是在鐵心同支架的溫差在150℃條件下測(cè)定的。從圖可以看出在支架嵌合部橫向困溫度變化尺寸產(chǎn)生的變化量少，可以滿足膨脹后鐵心也能插入的尺寸關(guān)系。當(dāng)冷卻到常溫后徑向收縮大，使t形槽鐵心的接觸部產(chǎn)生向內(nèi)徑側(cè)的收縮應(yīng)力，這樣就將鐵心全部向圓心收緊。這種形式分割鐵心的連接應(yīng)力在30mpa左右。
2.2分割定子鐵心樣機(jī)測(cè)試結(jié)果
通過(guò)實(shí)際制作的樣機(jī)的測(cè)試對(duì)fem預(yù)測(cè)的熱嵌式連接鐵心數(shù)據(jù)驗(yàn)證。圖4是試制的定子鐵心的外蕊和分割部的詳細(xì)圖。連接后的鐵心連接應(yīng)力用非接觸式殘留應(yīng)力測(cè)定機(jī)（利用x射線分析）測(cè)定，結(jié)果產(chǎn)生的殘留應(yīng)力l0-30mpa左右，同fev預(yù)計(jì)的應(yīng)力值基本一致，并且確認(rèn)連接方向應(yīng)力起作用。再對(duì)連接后的鐵心周向磁阻進(jìn)行測(cè)定，同不分割的鐵心相比較，采用磁性評(píng)價(jià)可以確認(rèn)分割部的間隙量，分割鐵心每一個(gè)分割部的間隙0．0lmm，這和前面測(cè)定的結(jié)果基本一致。相對(duì)于永磁電機(jī)磁鋼的厚度十間隙幅度（本電機(jī)是8mm左右）分割部的這點(diǎn)間隙是很小的，所以對(duì)電機(jī)的影響很小。另外對(duì)定子鐵心的外徑圓度測(cè)定結(jié)果****為0. 03mm，滿足了電機(jī)的圓度指標(biāo)，所以這種鐵心連接方式是實(shí)用 |
