李嚴成，喬紅霞

(山東山博電機集團,博山特型電機公司,博山255200)

0 引 言

中國的能源資源儲藏總量不足,能源利用率較低。在不斷開發(fā)新能源的同時,如何更有效地利用現(xiàn)有的能源,是現(xiàn)在所面臨的重大課題之一。儲能飛輪是將電能、風能、太陽能等能源轉(zhuǎn)化成飛輪的旋轉(zhuǎn)動能加以儲存的一種新型的高效的機械裝置。是一種機-電能量轉(zhuǎn)換與儲存裝置,其工作原理:電動機通過外部輸入電能旋轉(zhuǎn),電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn),飛輪則將機械能儲存起來,當外部負載需要能量時,飛輪釋放能量,帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn),將動能轉(zhuǎn)化為電能。某高校設(shè)計了一種磁懸浮儲能飛輪進行樣機試制,飛輪設(shè)計額定轉(zhuǎn)速20 000～25 000 r/min,儲能量270～300 W·h,其支撐系統(tǒng)采用磁懸浮軸承。飛輪轉(zhuǎn)速很高,傳統(tǒng)的滾動軸承和滑動軸承由于受極限轉(zhuǎn)速和潤滑條件等的限制都不能滿足需求。磁懸浮軸承是一種新發(fā)展起來的利用電磁力使轉(zhuǎn)子懸浮的高性能非接觸式軸承,與傳統(tǒng)軸承相比,具有轉(zhuǎn)速高、能耗低、無機械磨損、噪聲小,無潤滑介質(zhì)、壽命長、控制靈活等一系列突出優(yōu)點[2]。下面分別對儲能飛輪中的上、下軸向磁軸承定子組件、徑向磁軸承定子組件、電機定子組件在制造過程中的難點進行分析,并詳細介紹解決辦法和使用的工藝裝備。

1 上、下軸向磁軸承定子組件

上、下軸向磁軸承定子組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。這個組件要求將繞組線圈繞制成圓環(huán)形,嵌入槽內(nèi),然后裝配磁鋼組件和磁環(huán)。

線圈繞組參數(shù):2×0.25(銅線直徑0.25 mm),800匝。

圖1 上、下軸向磁軸承定子組件

制造難點是繞組內(nèi)徑、外徑和高度都受到了嚴格的限制,必須小于規(guī)定的空間。繞組線徑細、匝數(shù)多,要使線圈繞制好后保持如此嚴格的尺寸是非常困難的。首選方案是制造一個繞線骨架,將銅線繞在骨架上,連同骨架一起放入定子座內(nèi),這樣可以保證線圈繞好以后形狀不發(fā)生改變。但是骨架要占較大的空間,這里的空間不允許,這個方案只能放棄。于是采取第2個方案:設(shè)計一套繞線模,如圖2所示,靠繞線模來保證線圈尺寸。

圖2 繞線模

首先要用繞線模繞制一個尺寸合適的線圈。為了保證繞制好的線圈尺寸不發(fā)生變化,繞線前先在繞線模Φ91 mm外圓包上一層復(fù)合材料6650-0.2(厚度為0.2 mm),尺寸為26 mm×300 mm,線圈按規(guī)定的匝數(shù)繞好后,在線圈外面再包一層復(fù)合材料6650-0.2,將內(nèi)、外2層復(fù)合材料與線圈繞組一起從繞線模具上取下,一定要小心不能將繞組弄亂,然后用復(fù)合材料6050-0.05(厚度為0.05 mm)將線圈繞組與內(nèi)、外2層復(fù)合材料一起完全包覆,不允許有銅線外露。內(nèi)、外2層復(fù)合材料6650-0.2既有絕緣作用又起到為線圈繞組定型的作用,比線圈骨架占據(jù)的空間也小得多。在用復(fù)合材料6050-0.05包覆過程中,必須很好地控制綁扎的松緊程度,綁得過松,會使線包尺寸過大;綁得過緊,線包尺寸就會變小,都不能放入定子座的槽中,要綁得松緊適中才可以。裝配時預(yù)先用復(fù)合材料6650-0.2剪一個圓環(huán)放入槽底,尺寸為Φ90 mm×Φ104 mm,然后嵌入綁好的線包。線包嵌入槽內(nèi)以后如果有高出定子座的部位,可以用竹棒輕輕敲擊高點,使線包低于槽口平面。然后將磁鋼組件放入定子座,套入磁環(huán)。引出線與定子座接觸的位置套入硅橡膠玻璃纖維軟管,以免引出線與定子座接觸,損傷引出線。至此上、下軸向磁軸承定子組件完成。

2 徑向磁軸承定子組件

徑向磁軸承定子組件如圖3所示。這個組件有上、下兩個定子疊層,每個釘子疊層上安裝4個線圈繞組,并要控制外形尺寸。綜合分析這個組件有兩個制造難點。第一個難點是定子疊層的制作。定子疊層由定子疊片噴膠粘接而成,定子疊片的材料為軟磁合金帶1j50 0.1GBn198,材料厚度0.1 mm,要求雙面噴膠X98-11,膠層厚度不能大于0.1 mm,關(guān)鍵是厚度要均勻。如何在軟磁合金上噴涂一層既薄又均勻的膠層是制造的難點。如果膠層厚度不均勻,經(jīng)多片疊加后就不能很好地控制粘接厚度14.5±0.1 mm。經(jīng)多方嘗試,終于在磨床上解決了這個問題。將涂好膠的定子疊片平放在磨床的工作臺上,磨削膠層,這樣就可以使膠層厚度薄而均勻,達到尺寸要求。

這個組件制作的第2個難點是線圈繞組的制作和控制外形尺寸。如圖3所示,線圈的裝配空間非常小,高度要小于4 mm,嵌好線以后外形直徑要小于Φ84.4 mm。線圈繞組的形狀要呈圓弧形與定子疊層吻合。由于空間有限,線圈的長度和寬度必需嚴格限制,線圈形狀還是要靠繞線模來控制。首先計算出線圈的周長,設(shè)計一個繞線模,繞制出尺寸合適的線圈。繞線模如圖4所示。

圖3 徑向磁軸承定子組件

圖4 繞線模

線圈繞組參數(shù):2×0.25(銅線直徑為0.25 mm),100匝。用繞線模在繞線機上繞好線圈,用無緯綁扎帶將線圈完全包覆,不允許有銅線外露。掌握好包扎的松緊程度,不可過松也不可過緊。用一個較小的圓柱將線包壓成弧形。嵌線之前先要銼修定子疊層,外形所有銳角倒鈍R0.5 mm。銼修完成后嵌入線包。用竹棒輕敲線包外形,使線包與定子疊片很好地貼合,既要控制線包高度不能大于4 mm,又要控制外圓直徑小于Φ84.4 mm。形狀基本合格后用綁扎線延圓周方向把周邊4個線包和定子疊層綁扎在一起。綁扎好后再次修整外形尺寸使其符合圖紙要求。然后放在真空浸漆爐中浸CH1140-CP無溶劑浸漬樹脂。至此徑向磁軸承定子組件完成。

3 電機定子組件

電機定子組件如圖5所示。這個定子組件的特別之處是嵌線方式與普通電機完全不同,普通電機的定子是將線圈嵌入定子鐵心的槽中,而這個定子是將線圈嵌在電機骨架的外圓面上。電機骨架如圖6所示。首先要計算定子線圈的尺寸以便制造繞線模,線圈節(jié)距為1-4,線圈寬度要大于2個槽的弧長L,L=2πD/12+1.5=45.46 mm,取整數(shù)為 46 mm。線圈寬度要大于11 mm,取12 mm。線圈圖如圖7所示。

圖5 定子組件

圖6 電機骨架

圖7 線圈

該骨架的12個槽是在外圓的圓周上,就相當于把線圈貼在骨架的外圓面上。用普通的嵌線方法根本無法操作,不借助外力線圈就會從外圓面脫落,必須有專門的工裝將嵌入的線圈逐個固定才能使嵌線過程繼續(xù)。為此專門設(shè)計的嵌線工裝如圖8所示。嵌線工裝由模板1和模板2組成。將導(dǎo)磁環(huán)疊層裝入電機骨架內(nèi),放入模板1和模板2之間,用螺母緊固。將線圈逐個嵌入,每嵌入線圈的一邊,就插入槽楔將其壓住。12個線圈全部嵌好以后,要延圓周方向用綁扎線系牢,以免拆下工裝以后線圈脫落。拆除工裝之前要對外圓進行認真整形,嚴格控制外圓尺寸不大于Φ84.2 mm。拆除工裝以后用綁扎線將線圈的端部綁扎,同時放入霍爾元件一起綁扎牢固。綁扎完成后對外形再次整形,使尺寸符合圖紙要求。

嵌線完成后還要灌膠,周邊12個槽沒有銅線的空間必須要用膠填滿,使銅線和骨架完全成為一個整體。12個槽嵌好線以后幾乎就變成了12個獨立的空間,要使膠分別灌入12個槽中就要有12個澆口。灌膠工裝如圖9所示。灌膠工裝做成分體式,由2個半圓組成。把嵌好線的組件放在灌膠工裝的中部,將工裝Φ1.5 mm的小孔對準組件周邊槽形的空檔處,用螺釘將工裝的兩半緊固,裝配底板和O形圈,防止膠泄露。將膠灌入12-Φ5孔中,膠通過Φ1.5 mm的小孔流入組件的空隙之中。當空隙逐漸被填滿以后,Φ5 mm孔里的膠面不再下降。放入烘箱中將膠烘干。待冷卻后拆除工裝。由于有工裝保證,組件的外圓尺寸得到了很好的控制。

圖8 嵌線工裝

圖9 灌膠工裝

4 結(jié) 語

世界科技在迅速發(fā)展,我國的機械制造水平與世界先進國家相比還有較大差距,經(jīng)驗交流對科技進步會有很好的促進作用。以上各個組件的制造工藝和工藝裝備可以在同類產(chǎn)品的生產(chǎn)中為大家提供一些參考。

參考文獻

[1] 張維煜,朱熀秋.飛輪儲能關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].電工技術(shù)學(xué)報,2011,26(7):141-146.

[2] 李媛媛,朱熀秋,朱利東,吳曉軍.磁懸浮軸承發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].微電機,2014(6):69-73.