繞線對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

微電機在各行各業的應用很廣，汽車風扇電機是微電機實際應用的體現。

電樞是電機的核心部件，而電樞軸與換向器是電樞的關鍵零部件，它們之間的配合正確性是非常重要的，它的變動會直接影響電機設計的性能。因此，電機設計時，需要重視繞線對電樞軸與換向器的配合關系。

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

1 繞線機繞線時力的分析

在微電機生產中，為了提高生產效率，通常使用的繞線機是雙飛結構。

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

從電機繞線時的張(拉)力示意圖中，可以再進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 電機繞線時的張(拉)力示意圖

圖2 電機繞線時的張(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。

假如繞線機是雙飛結構且設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，F1Z=F2Z，F1Y=F2Y。這時，徑向力FZ=0，軸向力FX=F1X+F2X，周向力FY=F1Y+F2Y。

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

2 換向器與軸之間的配合

前面分析到軸向力會影響換向器的軸向移位；周向力導致換向器的旋轉。下面分別分析。

1) 軸向力FX

當電樞軸與換向器過盈配合量達到一規定值時，軸向力應小于配合面上所能產生的軸向摩擦阻力Ff，這才能使換向器不產生軸向移位，即：

Ff≥FX

(1)

過盈聯接的配合面間應具有徑向壓力p，設配合的公稱直徑為d，配合面上的摩擦系數為f，配合長度為l， 則：

Ff=πdlpf

(2)

將式(2)代入式(1)中，整理得到：

(3)

2) 周向力FY

有周向力就會產生扭矩T，為了不產生換向器的旋轉，配合面間所能產生的摩擦阻力矩Mf應大于或等于轉矩T，即：

Mf≥T

(4)

設配合面上的摩擦系數為f，配合尺寸同前。實際上，周向摩擦系數與軸向摩擦系數有差異，現簡化,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) 軸向力和轉矩T的聯合作用

結合式(3)和式(6)，所需的徑向壓力：

(7)

4) 過盈聯接的最小有效過盈量Δmin

則由此可知，過盈聯接的最小過盈量：

(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，C2為包容件的剛性系數，表達式如下：

(9)

(10)

式中：d1，d2分別是被包容件的內徑與包容件的外徑；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，過盈聯接的最小過盈量

換向器壓入電樞軸時，還應考慮電木疏松差異、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，需要選擇適當的安全系數。

δmin=S×Δmin

(11)

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

3 繞線機漆包線張(拉)力的控制

1) 漆包線張(拉)力的要求

繞線時，電樞線包的松緊度很重要。

漆包線張(拉)力小，導致線包松，會影響電機的性能，電機運行時，造成電機轉子的慣性大，增加電機的動能，消耗電機更多電能，能耗比增加，影響電機的運轉速度。

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，影響到電機線負荷的大小，影響電機性能；同時會造成漆包線的絕緣層破壞，電機的絕緣失效。

因此，漆包線張(拉)力是電樞線包松緊度的關鍵和重要參數，根據長期工作積累，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)力范圍根據繞線機設備的不同會有變化。

2) 漆包線張(拉)力的設計

繞線機繞線時，雙飛叉的轉動不是勻速的，時有加速或減速，通常加速度a=3.50m/s2，這樣就會產生一定的沖擊力。根據長期的工作經驗，設計時，沖擊力選擇范圍是漆包線拉(張)力的5倍～15倍。

4 計算

假設產品由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度為10，然后使用自動雙飛繞線機進行繞線，換向器鉤子的繞線拉力為5kg。計算樞軸與換向器的過盈量。為簡化計算，假設線圈邊的上鉤線為45°，沖擊力取漆包線拉(張)力的10倍，摩擦系數f取0.35。

軸向力：

FX=5×cos 45°×2×10=70.7 kg

徑向壓力：

假設線圈邊的上鉤線為45°，因此周向力FY與軸向力相同。

軸向力和轉矩T的聯合作用下的徑向壓力：

被包容件的剛性系數:

式中：漆電線為實心，d1=0；μ1=0.3。計算得到C1=0.7。

包容件的剛性系數：

式中：d=8mm,d2=27mm,μ2=0.38。計算得到C2=0.812。

根據式(8)和式(11)，考慮安全系數時過盈聯接的最小過盈量：

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

5 結 語

以上是理論上的淺析，與實際工作中的運用基本相一致的。

實際設計中可采用有限元軟件ABAQUS對換向器繞線前、后和過程中進行模擬計算，還可以通過實際情況進行檢驗，來進一步修正安全系數的取值。

電樞軸與換向器配合有幾種(如軸孔過盈結構、直紋結構、凸筋結構、臺階軸與軸孔結合的過盈結構、膠水結構等)，在不同結構中變化成不同的過盈量計算方式。

另外，換向器所使用電木塑料的力學特性對于換向器在繞線中產生的移位、旋轉、開裂相當關鍵，所以，要對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。