绕线对电枢轴与换向器的配合浅析

葛世昀

(上海马陆日用-友捷汽车电气有限公司，上海 201801)

0 引 言

微电机在各行各业的应用很广，汽车风扇电机是微电机实际应用的体现。

电枢是电机的核心部件，而电枢轴与换向器是电枢的关键零部件，它们之间的配合正确性是非常重要的，它的变动会直接影响电机设计的性能。因此，电机设计时，需要重视绕线对电枢轴与换向器的配合关系。

本文将从绕线受力分析出发，确定汽车风扇电机中电枢绕线对电枢轴与换向器过盈配合量的要求。

1 绕线机绕线时力的分析

在微电机生产中，为了提高生产效率，通常使用的绕线机是双飞结构。

绕线时，漆包线的端头先在换向器的钩脚上固定，然后引向铁心槽，以图纸设定的线圈跨距进行绕线，每个线圈绕一定的匝数，绕完一个线圈后，在换向器的下一个钩脚上固定，再开始下一个线圈的绕线，直至全部完成绕线。电机绕线时，漆包线的张(拉)力示意图如图1所示。

从电机绕线时的张(拉)力示意图中，可以再进一步分析换向器的钩脚受力情况，并且分解，如图2所示。

图1 电机绕线时的张(拉)力示意图

图2 电机绕线时的张(拉)力分析

如图2所示：轴向力FX=F1X+F2X；径向力FZ=F1Z-F2Z；周向力FY=F1Y+F2Y。

假如绕线机是双飞结构且设备上的夹具等是一致的、没有误差的，那么F1和F2就相等，即：F1X=F2X，F1Z=F2Z，F1Y=F2Y。这时，径向力FZ=0，轴向力FX=F1X+F2X，周向力FY=F1Y+F2Y。

从电机绕线时张(拉)力图分析得出：轴向力会影响换向器的轴向移位；周向力引起换向器旋转。

2 换向器与轴之间的配合

前面分析到轴向力会影响换向器的轴向移位；周向力导致换向器的旋转。下面分别分析。

1) 轴向力FX

当电枢轴与换向器过盈配合量达到一规定值时，轴向力应小于配合面上所能产生的轴向摩擦阻力Ff，这才能使换向器不产生轴向移位，即：

Ff≥FX

(1)

过盈联接的配合面间应具有径向压力p，设配合的公称直径为d，配合面上的摩擦系数为f，配合长度为l， 则：

Ff=πdlpf

(2)

将式(2)代入式(1)中，整理得到：

(3)

2) 周向力FY

有周向力就会产生扭矩T，为了不产生换向器的旋转，配合面间所能产生的摩擦阻力矩Mf应大于或等于转矩T，即：

Mf≥T

(4)

设配合面上的摩擦系数为f，配合尺寸同前。实际上，周向摩擦系数与轴向摩擦系数有差异，现简化,取两者近似相等，均以f表示，则：

Mf=πdlpfd/2

(5)

将式(5)代入式(4),整理得到：

(6)

3) 轴向力和转矩T的联合作用

结合式(3)和式(6)，所需的径向压力：

(7)

4) 过盈联接的最小有效过盈量Δmin

则由此可知，过盈联接的最小过盈量：

(8)

式中：E1，E2分别为被包容件与包容件材料的弹性模量，E钢=2.06×105MPa，E电木=0.019 6×105～0.029 4×105MPa；C1为被包容件的刚性系数，C2为包容件的刚性系数，表达式如下：

(9)

(10)

式中：d1，d2分别是被包容件的内径与包容件的外径；μ1，μ2分别是被包容件与包容件材料的泊松比，钢的泊松比为0.3，电木的泊松比为0.38。

5) 换向器压入电枢轴，过盈联接的最小过盈量

换向器压入电枢轴时，还应考虑电木疏松差异、轴上有油脂、凸筋的加工误差、换向器入轴时凸筋变形等各种情况，这样过盈量大小的变化，需要选择适当的安全系数。

δmin=S×Δmin

(11)

式中：δmin为考虑安全系数的最小过盈量；S为安全系数，一般范围10～20。

3 绕线机漆包线张(拉)力的控制

1) 漆包线张(拉)力的要求

绕线时，电枢线包的松紧度很重要。

漆包线张(拉)力小，导致线包松，会影响电机的性能，电机运行时，造成电机转子的惯性大，增加电机的动能，消耗电机更多电能，能耗比增加，影响电机的运转速度。

漆包线张(拉)力大，以致于漆包线有一定的拉伸，造成漆包线的截面积变小，影响到电机线负荷的大小，影响电机性能；同时会造成漆包线的绝缘层破坏，电机的绝缘失效。

因此，漆包线张(拉)力是电枢线包松紧度的关键和重要参数，根据长期工作积累，漆包线张(拉)力要求如表1所示。

表1 漆包线张(拉)力要求

注：漆包线张(拉)力范围根据绕线机设备的不同会有变化。

2) 漆包线张(拉)力的设计

绕线机绕线时，双飞叉的转动不是匀速的，时有加速或减速，通常加速度a=3.50m/s2，这样就会产生一定的冲击力。根据长期的工作经验，设计时，冲击力选择范围是漆包线拉(张)力的5倍～15倍。

4 计算

假设产品由Ф8mm的电枢轴与Ф27mm的换向器和铁心组成，换向器与电枢轴的配合长度为10，然后使用自动双飞绕线机进行绕线，换向器钩子的绕线拉力为5kg。计算枢轴与换向器的过盈量。为简化计算，假设线圈边的上钩线为45°，冲击力取漆包线拉(张)力的10倍，摩擦系数f取0.35。

轴向力：

FX=5×cos 45°×2×10=70.7 kg

径向压力：

假设线圈边的上钩线为45°，因此周向力FY与轴向力相同。

轴向力和转矩T的联合作用下的径向压力：

被包容件的刚性系数:

式中：漆电线为实心，d1=0；μ1=0.3。计算得到C1=0.7。

包容件的刚性系数：

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

根据式(8)和式(11)，考虑安全系数时过盈联接的最小过盈量：

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

5 结 语

以上是理论上的浅析，与实际工作中的运用基本相一致的。

实际设计中可采用有限元软件ABAQUS对换向器绕线前、后和过程中进行模拟计算，还可以通过实际情况进行检验，来进一步修正安全系数的取值。

电枢轴与换向器配合有几种(如轴孔过盈结构、直纹结构、凸筋结构、台阶轴与轴孔结合的过盈结构、胶水结构等)，在不同结构中变化成不同的过盈量计算方式。

另外，换向器所使用电木塑料的力学特性对于换向器在绕线中产生的移位、旋转、开裂相当关键，所以，要对不同电木塑料和不同厚度试样作有限元软件ABAQUS分析，可以得出最佳效果。