劉亮

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710032）

0 引言

增安型同步電動(dòng)機(jī)不僅使用安全有保障，過(guò)載能力也較強(qiáng)，且其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，能夠在一些危險(xiǎn)的場(chǎng)所用來(lái)拖動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)，常用于石油、化工、制冷等行業(yè)。增安型同步電動(dòng)機(jī)磁極壓板加工要求較高，其加工質(zhì)量影響著設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)性能[1]。磁極壓板腰部?jī)蓚?cè)圓弧面是偏心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，此部分的較高加工精度，是保證磁極磁極線圈與鐵芯之間絕緣層強(qiáng)度的基礎(chǔ)，關(guān)乎到工業(yè)使用的安全。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的研發(fā)，仿真設(shè)計(jì)逐漸成為工業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)方面必不可少的環(huán)節(jié)。在SolidWorks三維軟件的仿真設(shè)計(jì)下，能夠改進(jìn)同步電機(jī)偏心磁極壓板車(chē)胎的設(shè)計(jì)，促進(jìn)車(chē)胎結(jié)構(gòu)以及同步電機(jī)的合理性。

1 同步電機(jī)偏心磁極壓板結(jié)構(gòu)與工藝

■1.1 同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)概述

同步電動(dòng)機(jī)有兩種結(jié)構(gòu)，分別是旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式，旋轉(zhuǎn)磁極式的電機(jī)結(jié)構(gòu)有著加工工藝簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕以及電刷和滑環(huán)所需電流較小的優(yōu)勢(shì)，因此被大中容量的同步電動(dòng)機(jī)廣泛采用。旋轉(zhuǎn)磁極式又可根據(jù)其中轉(zhuǎn)子形狀的不同，分為隱極式和凸極式，隱極式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子細(xì)且長(zhǎng)，氣隙較為均勻，多用于轉(zhuǎn)速要求較高的場(chǎng)合，而凸極式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子短且粗，氣隙相對(duì)不均勻，常常被用于轉(zhuǎn)速要求較低的場(chǎng)合，實(shí)際上，凸極式的同步電動(dòng)機(jī)占大多數(shù)。

與其他普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，同步電機(jī)的組成也是定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動(dòng)機(jī)的定子的主要結(jié)構(gòu)有鐵心、機(jī)座和定子繞組。定子鐵心是由薄硅鋼片疊裝組成，此結(jié)構(gòu)能夠有效減少磁滯和渦流損耗，其內(nèi)表面嵌有三相繞組，繞組在空間上呈對(duì)稱(chēng)分布。轉(zhuǎn)子的主要構(gòu)成為滑環(huán)、轉(zhuǎn)軸、鐵心與轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子鐵心不同于定子鐵心，其制作材料為高強(qiáng)度合金，能夠很好的滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)磁性能。為方便啟動(dòng)，凸極式轉(zhuǎn)子磁極的表面上安裝有黃銅材料制作而成的導(dǎo)條，用銅環(huán)將磁極兩端面的導(dǎo)條連接起來(lái)，組成一個(gè)籠形啟動(dòng)繞組[2]。

■1.2 磁極壓板外形結(jié)構(gòu)與工藝分析

磁極壓板外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用ZG270-500鑄鋼制作而成，其中，磁極壓板腰部?jī)蓚?cè)的圓弧，其圓心要高出底面十毫米，由此得到向內(nèi)偏心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，偏心車(chē)胎的設(shè)計(jì)是保證磁極壓板較高質(zhì)量與加工效率的關(guān)鍵因素。磁極壓板通常在工業(yè)上是小批量的生產(chǎn)方式，為滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念、加工工藝以及產(chǎn)品質(zhì)量，需設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝夾具，例如壓板腰部圓弧偏心車(chē)胎、底面車(chē)胎以及端部圓弧車(chē)胎等工裝。

圖1 磁極壓板外形結(jié)構(gòu)圖

以往生產(chǎn)與制作磁極壓板過(guò)程中，為達(dá)到較高精度，需要采用專(zhuān)用鉆模對(duì)磁極壓板進(jìn)行鉆孔，例如，阻尼環(huán)孔鉆模、拉緊螺桿孔鉆模等，當(dāng)加工磁極壓板的腰部時(shí)，需要使用專(zhuān)用模具對(duì)圓弧形進(jìn)行加工。這樣的磁極壓板加工過(guò)程中，不僅要多次使用多種專(zhuān)用車(chē)削模具和鉆模，還要嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，因此造成磁極壓板的加工用時(shí)較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本和模具成本高昂。

一種同步電動(dòng)機(jī)磁極壓板的加工流程：首先是初步成型階段；選擇磁極壓板毛坯件對(duì)其鉤面和上、下兩平面作初步處理與加工，留出其他待加工部位；利用磁極壓板的對(duì)稱(chēng)特性，以鉤面為基準(zhǔn)，作出垂直中心線；然后上數(shù)控銑床（CNC）進(jìn)行裝夾與定位，使工件處于機(jī)床的正確位置，且加工過(guò)程中始終保持原始位置，對(duì)拉桿孔進(jìn)行孔加工、對(duì)工件曲面進(jìn)行銑削加工等；利用數(shù)控銑床對(duì)零件剩余部位進(jìn)行粗銑，之后精銑零件提升產(chǎn)品精度，利用數(shù)控銑床對(duì)磁極壓板進(jìn)行定位與壓緊，以拉桿孔為基準(zhǔn)，對(duì)磁極壓板的靴部?jī)啥嗣婧脱績(jī)蓚?cè)面圓弧形以及斜面進(jìn)行粗、精銑，最后利用檢驗(yàn)樣板對(duì)磁極壓板進(jìn)行質(zhì)量檢查。

2 車(chē)胎的設(shè)計(jì)

■2.1 設(shè)計(jì)思路

利用磁極壓板腰部?jī)蓚?cè)呈圓弧形的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的車(chē)胎在其腰部以圓弧中心為軸帶動(dòng)磁極壓板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，采用水平車(chē)銑加工形式的小型數(shù)控臥車(chē)，選擇一卡一定的加工工藝，對(duì)腰部外側(cè)圓弧進(jìn)行加工。

■2.2 定位裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)上文對(duì)磁極壓板的外形結(jié)構(gòu)及加工流程的介紹，車(chē)胎部位的設(shè)計(jì)可選擇“一面二孔”的定位結(jié)構(gòu)，“一面”是指磁極壓板加工完成的底平面，“二孔”指的是磁極壓板端部?jī)勺枘峥?。首先?duì)底胎進(jìn)行設(shè)計(jì)，將磁極壓板下底面平放到車(chē)胎的底胎平面上對(duì)齊，兩個(gè)平面的接觸，能夠限制空間上X、Y、Z三個(gè)方向的自由度；針對(duì)磁極壓板端部的阻尼孔，底胎上可設(shè)計(jì)定位銷(xiāo)與阻尼孔進(jìn)行定位，由此，控制Y、Z兩個(gè)方向上的自由度；底胎上也有設(shè)定削邊銷(xiāo)，其與定位銷(xiāo)配合能夠限制X方向上的位移，從而完成與工件的六點(diǎn)定位設(shè)計(jì)，確定了工裝內(nèi)工件的裝夾位置，也能夠保障加工過(guò)程中工件腰部圓弧半徑與位置等數(shù)據(jù)的一致性[3]。

■2.3 夾緊裝置設(shè)計(jì)

夾緊裝置的設(shè)計(jì)能夠防止數(shù)控銑床加工過(guò)程中，工件位置發(fā)生變化或者松動(dòng)，夾緊裝置是對(duì)工件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程具有重要影響的裝置，合理、科學(xué)的夾緊裝置設(shè)計(jì)，能夠保證工件的加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本以及提高車(chē)間的生產(chǎn)效率等。因此，夾緊裝置在設(shè)計(jì)上應(yīng)具備四個(gè)基本條件：一，夾緊裝置應(yīng)能夠?qū)⒐ぜ鞫ㄎ幻孢M(jìn)行牢固定位，在對(duì)工件夾緊時(shí)，不能改變工件原本正確的放置位置，在夾緊整個(gè)過(guò)程中，工件不能產(chǎn)業(yè)移動(dòng)或者松動(dòng)的狀況；二，夾緊裝置的力度要合適，盡量避免因夾緊導(dǎo)致的工件變形，不僅要確保加工過(guò)程中工件的穩(wěn)定，也要確保夾緊加工過(guò)程中工件表面和結(jié)構(gòu)的完整性；三，夾緊裝置的安全可靠性要強(qiáng)，夾緊裝置的設(shè)計(jì)不僅要具有足夠的夾緊行程，也要具有自鎖功能。四，夾緊裝置要盡量實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、多使用標(biāo)準(zhǔn)化元件。夾緊裝置要能夠迅速、便捷地完成夾緊動(dòng)作，操作要省時(shí)、省力，同時(shí)夾緊裝置的設(shè)計(jì)也要考慮維修的便利性。因同步電動(dòng)機(jī)偏心磁極壓板車(chē)胎是一種小型的專(zhuān)用工裝，因此在設(shè)計(jì)上追求操作便捷，夾緊可靠，對(duì)此，可以選擇螺栓夾緊機(jī)構(gòu)。在底胎上加工出四個(gè)分布均勻的高精度M20-6H的螺紋通孔，用四個(gè)壓緊螺栓將工件螺旋壓緊。螺栓夾緊機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單方便，能對(duì)工件進(jìn)行合理夾緊，也不會(huì)損壞工件的表面[4-5]。

■2.4 偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從磁極壓板的結(jié)構(gòu)圖中能夠看出，其腰部?jī)蓚?cè)R83.1圓弧的圓心不在中軸線，而是高出底面10mm，磁極壓板向內(nèi)偏心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得工件不完全對(duì)稱(chēng)，因此，設(shè)計(jì)并加工車(chē)胎時(shí)無(wú)法使用兩件工件對(duì)稱(chēng)裝卡，必須要設(shè)計(jì)偏心車(chē)胎單件裝卡才能完成加工制作。因磁極壓板的生產(chǎn)模式為多品種小批量生產(chǎn)，因此選擇小型數(shù)控臥車(chē)，采用“一卡一定”工藝進(jìn)行加工制作。車(chē)胎設(shè)計(jì)圖如圖2所示，圖2(a)中，設(shè)計(jì)的車(chē)胎兩端，分別有一個(gè)同軸心圓柱形夾頭，其內(nèi)部有中心孔，以輔助臥車(chē)進(jìn)行“一卡一定”的加工技術(shù)。車(chē)胎的底面是已加工面，將此面當(dāng)作基準(zhǔn)面進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。因磁極壓板腰部?jī)蓚?cè)圓弧的中心不在磁極壓板的底部位置，而是向上偏離10mm，因此圖2(b)中，貫穿工件兩端圓柱夾頭的中心軸線，比車(chē)胎基準(zhǔn)面支撐平面要高出10mm，正好與磁極壓板腰部?jī)蓚?cè)圓弧的中心線重合，因此，夾緊裝置夾緊以后，根據(jù)兩端圓柱夾頭就能夠定位出磁極壓板腰部圓弧的中心位置。

圖2 偏心磁極壓板車(chē)胎結(jié)構(gòu)圖

3 SolidWorks軟件仿真

■3.1 SolidWorks軟件功能

Solidworks是一種三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，其組件繁多，功能強(qiáng)大。選擇SolidWorks對(duì)同步機(jī)磁極壓板車(chē)胎進(jìn)行仿真，能夠很好地對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，以提升設(shè)計(jì)合理性，滿(mǎn)足工業(yè)對(duì)磁極壓板車(chē)胎的高質(zhì)量要求。其技術(shù)創(chuàng)新與CAD計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的研發(fā)趨勢(shì)相符，SolidWorks不僅功能強(qiáng)大，便于設(shè)計(jì)，且是一種基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)便，工程師或者設(shè)計(jì)人員能夠易學(xué)易用。由于使用了Windows的對(duì)象連接與嵌入（OLE）技術(shù)、parasolid內(nèi)核、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)以及與第三方軟件的集成技術(shù)，因此SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件在全球內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。SolidWorks軟件能夠生成車(chē)間認(rèn)可的詳細(xì)的工程圖，因此其涉及領(lǐng)域眾多，例如，航空航天、模具、機(jī)械、醫(yī)療器械、電子通訊等。在教育領(lǐng)域，每年開(kāi)設(shè)的SolidWorks的培訓(xùn)課程也越來(lái)越多。SolidWorks是完全可編輯的，使用SolidWorks能夠?qū)φ麄€(gè)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改等，且裝配設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)與工程圖密切相關(guān)，當(dāng)設(shè)計(jì)人員修改圖紙時(shí)，裝置的三維模型、各角度視圖以及裝配體都會(huì)隨之自動(dòng)更新[6-7]。

■3.2 SolidWorks 三維軟件仿真設(shè)計(jì)

SolidWorks三維軟件具備優(yōu)秀的基于特征的實(shí)體建模功能，能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸、旋轉(zhuǎn)、打孔等操作，以完成對(duì)同步電機(jī)偏心磁極壓板車(chē)胎的設(shè)計(jì)。根據(jù)草圖或者特征進(jìn)行改動(dòng)，用簡(jiǎn)單的拖拽操作就能對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，也能很好地對(duì)裝置中復(fù)雜的曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)與修剪、延伸等操作。根據(jù)對(duì)定位裝置、夾緊裝置以及偏心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們使用SolidWorks三維軟件對(duì)整個(gè)夾緊裝置系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，發(fā)現(xiàn)夾緊裝置與工裝等整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量重心位于Z軸方向上且與工裝回轉(zhuǎn)中心向下偏離了2.17mm左右，代表整個(gè)系統(tǒng)的重心偏下，質(zhì)量較大的部分為下半部分。

此增安型同步電動(dòng)機(jī)偏心磁極壓板的生產(chǎn)方式為小批量、重復(fù)生產(chǎn)，利用小型數(shù)控臥車(chē)采用“一卡一定”的技術(shù)進(jìn)行加工制作。因工件整體的重量分布不均勻，下半部分稍微重一些，如果在工裝回轉(zhuǎn)中心線與整個(gè)夾緊裝置重心不同心的現(xiàn)狀下，利用數(shù)控臥車(chē)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)重復(fù)加工制作，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害設(shè)備的生產(chǎn)制作能力，另外，因裝置重心在Z軸偏下，造成不平衡的現(xiàn)象，因此，高速旋轉(zhuǎn)加工的過(guò)程中，磁極壓板腰部?jī)蓚?cè)圓弧結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，不利于裝置加工面的粗糙度，嚴(yán)重時(shí)候會(huì)產(chǎn)生顫紋，降低產(chǎn)品的加工質(zhì)量，也會(huì)減少刀具的使用壽命[8]。

鑒于三維軟件仿真之后的情況，為提升產(chǎn)品的生產(chǎn)加工質(zhì)量，需要在偏心車(chē)胎底面胎體部位適量減輕重量，可在胎體上增加多個(gè)去重孔，增多的去重孔的位置，需要與工裝回轉(zhuǎn)中心線對(duì)稱(chēng)，通常，偏心磁極壓板車(chē)胎中心線左右兩側(cè)去重孔的位置對(duì)稱(chēng)、直徑大小相同，要保證工裝的整體平衡，以免生產(chǎn)加工過(guò)程中，因整個(gè)裝置的重心不在中心部位，造成加工偏差，甚至對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損害。增加磁極壓板車(chē)胎上去重孔的位置如圖3所示。

圖3 偏心磁極壓板車(chē)胎增加去重孔改進(jìn)圖

因傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)軟件，幾乎無(wú)法做到工裝回轉(zhuǎn)中心線與整個(gè)帶工件的夾緊裝置系統(tǒng)重心同心，因此需要采用先進(jìn)的SolidWorks三維仿真設(shè)計(jì)軟件，對(duì)整個(gè)裝置系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，建立模型，模擬系統(tǒng)的真實(shí)情況，根據(jù)仿真結(jié)果，在保證車(chē)胎底胎強(qiáng)度達(dá)到要求的情況下，逐步對(duì)偏心車(chē)胎底面胎體進(jìn)行修改，增加去重孔數(shù)量或者修改去重孔的直徑大小等，最終設(shè)計(jì)出合適的同步機(jī)偏心磁極壓板車(chē)胎光孔尺寸與數(shù)量，達(dá)到工裝回轉(zhuǎn)中心線能與整個(gè)夾緊裝置重心符合的目標(biāo)。如今，工業(yè)生產(chǎn)水平的提升離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)以及軟件的應(yīng)用，將SolidWorks三維仿真軟件技術(shù)應(yīng)用到工裝夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，是計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工裝設(shè)計(jì)的新思路，SolidWorks三維仿真技術(shù)有著較高的準(zhǔn)確性和前瞻性，該技術(shù)在工裝設(shè)計(jì)中的值得廣泛推廣和采用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，增安型同步電動(dòng)機(jī)在石油、化工等行業(yè)的應(yīng)用廣泛，同步電機(jī)磁極壓板的加工要求較高，偏心車(chē)胎是影響同步電機(jī)磁極壓板加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以及加工質(zhì)量，都會(huì)影響轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡質(zhì)量和磁極絕緣性能，從而對(duì)同步電機(jī)工作性能造成影響。利用設(shè)計(jì)完成后的偏心車(chē)胎對(duì)磁極壓板進(jìn)行加工制作，生產(chǎn)出的磁極壓板尺寸標(biāo)準(zhǔn)，金加工面粗糙度達(dá)標(biāo)，腰部?jī)蓚?cè)的圓弧結(jié)構(gòu)也能達(dá)到合格對(duì)稱(chēng)。采用SolidWorks三維仿真軟件能夠很好對(duì)工裝夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改，應(yīng)大力推廣該仿真技術(shù)對(duì)工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)加工質(zhì)量。