楊 光 陳圣林 石文敏 馮大軍 彭明星

(1.國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢：430080；2.武鋼股份有限公司硅鋼事業(yè)部 湖北 武漢：430081)

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用實(shí)驗(yàn)法確定疊繞鐵芯回彈量的研究

楊 光1陳圣林1石文敏1馮大軍1彭明星2

(1.國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢：430080；2.武鋼股份有限公司硅鋼事業(yè)部 湖北 武漢：430081)

疊繞鐵芯在彎曲成圓的工藝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生塑性回彈，由此造成的橢圓度和整形應(yīng)力會(huì)影響電機(jī)效率。為了經(jīng)濟(jì)、快捷地獲得回彈量，在試樣表面涂敷自粘接涂料后疊片，利用線切割加工出定子輪廓，進(jìn)行回彈實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)不同加工尺寸及疊片工藝對(duì)回彈量的影響不大，通過(guò)補(bǔ)償回彈角度的方法，可以制作出接近標(biāo)準(zhǔn)圓的定子鐵芯，該方法簡(jiǎn)單易行，有利于電機(jī)新工藝的推廣、應(yīng)用。

疊繞鐵芯；自粘接涂層；線切割；回彈量；角度補(bǔ)償

0 引言

定子鐵芯是電機(jī)的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量好壞直接影響電機(jī)性能和使用壽命[1]。傳統(tǒng)的沖片式定子鐵芯工藝流程雖然比較簡(jiǎn)單，但材料利用率低。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一些電機(jī)的定子鐵芯(如汽車(chē)發(fā)電機(jī))，主要采用直列式制造工藝：硅鋼片分條后沖出直列型齒條，疊裝繞線后彎曲成圓。該工序雖然增加了彎曲、整形裝置，但材料利用率大幅度提高，而且不需要鉚扣連接，層間空隙更小，可減少電磁噪聲[2]；另外，在疊裝成排時(shí)可以先在磁極齒上裝上線圈，大幅度提高定子繞組占空系數(shù)，降低繞組端部高度，減小電阻，達(dá)到提高效率的目的[3]；但是這種加工方式在彎曲成圓過(guò)程中存在材料的塑性回彈，不利于該工藝的推廣，雖然彎曲后有整形裝置，但回彈造成的橢圓度和整形應(yīng)力也會(huì)降低電機(jī)效率[4]。

直列疊繞鐵芯的彎曲成圓是一個(gè)非常復(fù)雜的彈塑性變形過(guò)程，在材料發(fā)生彎曲時(shí)既有塑性變形又有彈性變形，其作用力也不是固定在一個(gè)方向，力的作用點(diǎn)也隨著帶料的彎曲而不斷變化?；貜椓康拇_定，在國(guó)內(nèi)外基本上采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲得相關(guān)參數(shù)，即使用模具沖片后進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，這種方法由于模具制作周期長(zhǎng)，模型單一，不僅研發(fā)周期長(zhǎng)，而且實(shí)驗(yàn)成本高。有的文獻(xiàn)[5-11]提出計(jì)算變形中性層，并利用有限元等理論方法模擬研究變形規(guī)律，但這類(lèi)研究是基于大量假設(shè)的基礎(chǔ)之上，存在一些不確定因素。

本文針對(duì)以上方法的不足，采用自粘接涂料疊片粘接，利用線切割加工模型，最終確定直列疊繞鐵芯的回彈量和進(jìn)行補(bǔ)償回彈角度的計(jì)算。用帶有自粘接涂層的電工鋼制成的鐵芯固定牢靠，電機(jī)效率高，振動(dòng)小，噪音低。線切割加工應(yīng)力小，可以減少加工過(guò)程的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)加工出連接部寬度為1mm，內(nèi)槽口口徑為1mm；定子軛部寬度為30mm，疊片高度為10片的定子鐵芯，研究疊繞式電機(jī)定子在彎曲成圓后的回彈情況。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為0.27mm硅鋼成品板，主要成分為2.95%Si+0.08%Mn，力學(xué)性能和硬度見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能和硬度

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了方便疊裝，在上述試樣表面涂敷一種自粘接涂料，加壓固定后進(jìn)行250℃×2h固化退火。

線切割時(shí)，為了使鉬絲中心的加工軌跡反映出切割零件的輪廓，需要給定一定的間隙補(bǔ)償f，間隙補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確與否將會(huì)直接影響加工工件的尺寸精度。常用經(jīng)驗(yàn)公式f=0.5d+z(d為鉬絲直徑，z為單邊放電間隙)或者試切工件等方法來(lái)確定間隙補(bǔ)償。放電間隙與工件材料、結(jié)構(gòu)、鉬絲張緊情況、走絲速度、導(dǎo)輪運(yùn)行狀態(tài)、工作液種類(lèi)、供液情況和清潔程度、脈沖電源參數(shù)等因素有關(guān)，不確定性較大[12]。本文采用試切工件的方法來(lái)檢測(cè)f。

將10片用自粘接涂料粘接好的實(shí)驗(yàn)料疊片整齊，切下兩組定子鐵芯樣片，每組各切6個(gè)連續(xù)的單元齒塊，齒塊的內(nèi)槽口口徑從0.8mm-2.3mm，每個(gè)相鄰槽口口徑增加0.3mm，槽口角度均為30°，連接部寬度分別為1mm及1.5mm；在顯微鏡下利用圖形分析系統(tǒng)測(cè)量加工后的實(shí)物尺寸，確定線切割的間隙補(bǔ)償；再對(duì)加工后實(shí)物進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，確定回彈量與槽口口徑、連接部大小、疊片高度等的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量彎曲后的間隙反算出鐵芯的回彈率；根據(jù)計(jì)算出的線切割間隙補(bǔ)償，加工出實(shí)際連接部為1mm，槽口直徑為1mm的鐵芯樣片，由彎曲實(shí)驗(yàn)得出的回彈量，反算出能夠繞成標(biāo)準(zhǔn)圓的回彈角度，利用修正槽口角度的方法，使用兩組試樣，每組各6個(gè)連續(xù)單元齒塊，制作出在彎曲后無(wú)需額外整形，拼接成接近標(biāo)準(zhǔn)圓的定子鐵芯。線切割間隙補(bǔ)償檢測(cè)及不同工藝回彈量示意圖見(jiàn)圖1，補(bǔ)償回彈角度示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 線切割間隙補(bǔ)償及不同工藝回彈量的示意圖

圖2 補(bǔ)償回彈角度的示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 線切割精度的確認(rèn)

加工完成的試樣見(jiàn)圖3，在顯微鏡下觀察線切割后的形貌并測(cè)量尺寸見(jiàn)圖4。

圖3 加工完成的試樣

圖4 線切割后的形貌細(xì)節(jié)圖

表2為圓孔設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際尺寸的明細(xì)，可以看出不同槽口加工出的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的誤差基本相同。根據(jù)鉬絲走絲路徑的不同，加工內(nèi)圈孔徑偏大，加工外緣寬度偏小，誤差平均值即間隙補(bǔ)償值為0.360mm。連接部實(shí)際尺寸為設(shè)計(jì)尺寸-0.36mm，槽口實(shí)際尺寸為設(shè)計(jì)尺寸+0.36mm?？梢杂?jì)算出需要加工出連接部為1mm，槽口直徑為1mm需要設(shè)計(jì)連接部為1.36mm，槽口直徑為0.64mm。

表2 設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際尺寸明細(xì)

2.2 不同設(shè)計(jì)工藝對(duì)回彈的影響

為了研究不同設(shè)計(jì)工藝的回彈情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)料進(jìn)行彎曲之后，在顯微鏡頭下進(jìn)行觀察，圖5所示為設(shè)計(jì)加工孔徑0.8mm，連接部1mm疊片實(shí)驗(yàn)彎曲后的回彈情況以及連接部附近的變形情況、圖6為彎曲后的效果圖、表3為回彈量間隙明細(xì)，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，6個(gè)單元齒塊無(wú)法彎曲成為半圓，每個(gè)齒塊間均存在一定的間隙，導(dǎo)致彎曲角度無(wú)法達(dá)到30°。

圖5 連接部附近結(jié)構(gòu)及彎曲后回彈

圖6 彎曲效果圖

加工孔徑/mm連接部1.0mm疊片回彈量/mm連接部1.5mm疊片回彈量/mm連接部1.0mm單片回彈量/mm連接部1.5mm單片回彈量/mm0.80.5200.5220.5160.5181.10.5240.5270.5210.5181.40.5270.5250.5230.5251.70.5200.5220.5350.5362.00.5340.5310.5210.5232.30.5250.5210.5330.532

圖7為回彈量的散點(diǎn)圖，由圖7可以看出，相同連接部寬度的單片及疊片的回彈量基本一致，即同時(shí)加工的試樣單片與疊片的回彈量一致。所有不同工藝下的回彈量區(qū)間為(0.516,0.536)，波動(dòng)范圍20μ?？紤]到線切割加工方式的邊部平直度較低，加上測(cè)量存在一定的誤差，可以認(rèn)為在本次實(shí)驗(yàn)條件下的回彈量相同，取回彈量中位數(shù)0.5235mm進(jìn)行計(jì)算。

圖7 回彈量的散點(diǎn)圖

圖8 材料彎曲示意圖

如圖8(a)所示，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)L=19mm，θ=30°，如圖8(b)所示，回彈量中位數(shù)D′=0.5235mm，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算得出回彈角度為

公式1

回彈率為

公式2

由公式1、公式2可以計(jì)算出，本次試驗(yàn)回彈角度為1.58°，回彈率為5.26%。

2.3 補(bǔ)償回彈角度的實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)在試樣上切下兩組定子鐵芯樣片，每組各切6個(gè)連續(xù)的單元齒塊，為了能夠?qū)?塊共計(jì)12個(gè)齒塊拼接成標(biāo)準(zhǔn)圓，將夾角設(shè)計(jì)為31.66°，預(yù)留1.66°，以抵消5.26%回彈。補(bǔ)償回彈角度鐵芯樣片見(jiàn)圖9，精確加工尺寸測(cè)量見(jiàn)圖10，測(cè)量得出圓孔直徑為1.006mm，連接部寬度0.991mm。

圖9 補(bǔ)償回彈角度鐵芯樣片

圖10 精確加工尺寸測(cè)量

表4為將試樣彎曲后，每個(gè)單元齒塊的回彈量明細(xì)。

表4 回彈量明細(xì)

考慮到測(cè)量誤差以及彎曲的均勻性，取中位數(shù)0.8435mm進(jìn)行計(jì)算，如圖8(b)所示，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)L=30mm，回彈量中位數(shù)D′=0.8435mm，通過(guò)公式1、公式2可以算出回彈量為1.61°、回彈率為5.09%。與預(yù)計(jì)的回彈量1.66°、回彈率5.26%基本相當(dāng)。

所有弧形單元彎曲后，將兩塊試樣拼在一起，拼接后的效果圖見(jiàn)圖11。若需制作成定子鐵芯，僅需在線切割加工時(shí)切割出繞線槽并繞線即可。

圖11 拼接效果圖

4 結(jié)論

在試樣表面涂敷自粘接涂料后疊片、粘接，采用線切割加工出定子輪廓進(jìn)行彎曲回彈實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：將槽口口徑從0.8mm增加到2.3mm，連接部寬度從1mm增加到1.5mm的過(guò)程中，彎曲30°時(shí)回彈量為一定值，回彈角度為1.58°，回彈率為5.26%；

利用補(bǔ)償回彈角度的方法，可以制作出在彎曲后即可成為接近標(biāo)準(zhǔn)圓的定子鐵芯。由于無(wú)需額外整形裝置，減少了殘余應(yīng)力，可以提高電機(jī)效率；該實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單易行，有利于新工藝的推廣和應(yīng)用。

[1] 陳仕國(guó)，陳學(xué)永.電機(jī)定子鐵芯卷繞工藝綜述[J].機(jī)電技術(shù)，2009年增刊：16-19.

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(責(zé)任編輯：李文英)

Experiments on Determination of Resilient Value of Laminated-coiling Stator Corn

Yang Guang1Chen Shenglin1Shi Wenmin1Feng Dajun1Peng Mingxing2

(1.National Engineering Research Center of Silicon Steel，Wuhan 430080，Hubei；2.Silicon Steel Business Division for WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

The plastic resilience will occur in the bending step of the laminated-coiling stator core，and it will cause the problem of ellipticity and extra stress which can influence the efficiency of the motor. In order to obtain the resilient value economically and efficiently，the sample surface was coated with a self-adhesive coating，then they were stacked，and the laminations were processed to stator by the Wire electrical Discharge machining (WEDM). The experiment shows that the sizes and processes have slight effect on the resilient value. The stator core which is close to the standard circle can be produced through the method of compensating the angle of resilience. The experimental method is simple and feasible，and it is beneficial to the promotion of new technology applications of motor.

laminated-coiling stator cores；self-adhesive coating；wire electrical discharge machining；resilient value；angle compensating

2016-09-18

2016-10-19

楊 光(1986～)，男，大學(xué)，工程師.E-mail：409808672@qq.com

TM206

A

1671-3524(2016)04-0019-05