提高拼块电机槽满率的方法

0 引言

随着智能制造、工业4.0的发展，小型伺服电机得到了更广泛的应用，2016年伺服电机的市场份额中日系电机品牌约占56%，欧系约占13%，台系约占12%，其他品牌占19%。

目前伺服电机广泛应用于机器人、机床、电子半导体、纺织、包装、印刷、新能源等领域，其中关节机器人每个关节的活动大多由一个伺服电机来控制。由于设备尺寸的限制，要求伺服电机能实现更小的体积、长度并且能提供更高的功率，即实现高功率密度。与国外著名品牌如松下、三菱、安川电机等相比，我国的伺服电机在实现相同的功率时长度更长，表1中列出了某一相同功率、相同直径时不同品牌电机的长度。在替代国外伺服电机时必然会受到电机长度的制约，为了缩短电机长度，提高电机的功率密度，可以从设计上、工艺上进行创新、改进。提高电机的槽满率，可使电机功率增大，同等功率时电机长度缩短。

表1 电机长度对比

小型伺服电机定子大多采用拼块结构，如图1，完整的定子铁芯由多个单独的拼块拼装而成，每个拼块的截面形状与图2类似，同一系列电机拼块形状一样，通过改变铁芯长度实现不同功率。实际生产时通过级进模可以连续冲制出某一个长度的铁芯拼块，然后选取规定数量的拼块用整形模预拼装成一台定子铁芯后压紧整形，整形模结构为中间的一个芯棒加外侧的一个钢箍，如图3。压紧后将单个定子铁芯拼块装上绝缘材料再进行线圈绕制，形成单个带线圈的铁芯拼块，如图4，最后选取规定数量的拼块拼装成一台铁芯，套装机壳。

为了让电机能够实现高功率密度，可以在铁芯槽中尽可能多的放置线匝，通过生产实践和研究，可以从以下几个方面进行改进。

1 合理设计槽的尺寸，与线径相匹配

定子铁芯槽的宽度、深度应设计合理，设计时需与线径尺寸匹配。拼块电机定子线圈一般采用圆漆包线绕制，而不采用成型线圈，这样可以使线圈的端部较短。圆漆包线由里面的金属导线和外面的漆膜层构成，而选用圆漆包线时所标注的线径尺寸是指不含漆膜的金属导线的尺寸，漆膜厚度另外标出，漆膜厚度有三个等级，分别对应不同的厚度。在计算一个槽中能排布多少根漆包线时需按含漆膜厚度的漆包线尺寸计算，并将槽底绝缘、槽顶绝缘的厚度考虑在内。

漆包线绕制时在每个铁芯槽中的理想排列情况如图5，每层线匝和下一层线匝并不是对齐而是错开一定距离排列的，这样能充分利用槽内空间，放大图如图6。从图6中可以看出2层线圈排布完后占用的宽度为其中AC为含漆膜厚度的漆包线直径。如果有n层线匝，则线匝占用的宽度为。同样，运用三角函数可以推算出线匝占用的高度。在设计槽的尺寸时，配合线径的选用以及线匝的排布预估，可以合理设计槽的宽度、高度，减少槽内面积的浪费，实现更高的槽满率。笔者所述电机槽内线匝层数共7层，通过优化设计可使槽内线匝数增加3-6匝，槽满率提高4.8%-9.6%。

图1 定子铁芯

图2 单个铁芯拼块截面图

图3 铁芯整形

图4 装上绝缘材料后的铁芯拼块

图5 线匝排布示意图

图6 线匝排布放大图

图7 套入机壳后的定子铁芯

2 合理设置绕线机的绕线参数

上述拼块电机在单个线圈绕制时，绕线机需设置几个参数，包括每1层线匝绕制的起点、某1层绕完1根线后高度方向应移动的距离即含漆膜层的漆包线直径、每1层线匝的个数和线匝的层数。每1层线匝的根数和线匝的层数通过图5的排列示意可以获得。结合图7可以发现，第2层线圈的绕制起点比第1层应移动1/2 AC，即线匝的半径。另外实际操作中发现某1层绕线时，绕完1根线后绕线夹具移动的距离应稍小于线匝外径，这样线匝排列会更紧密。上一层线匝排列紧密整齐，下一层的线匝绕制时才能按照预想的排列情况排列好，否则线匝排列出现混乱后，容易出现堆叠的情况，使得有的地方没有线匝，有的地方又过高，槽内面积不能得到充分利用，无法按照预设的绕线情况装下足够多的线匝。笔者所述电机所用线径为0.72mm，绕线匝数62匝，通过上述槽型的匹配和绕线参数的设置，生产上可增加4匝线匝，功率大约可提升

3 合理选用槽绝缘

从图4左图可以看出单个铁芯拼块在绕制线圈之前端部需装上绝缘件（一般为塑压复合型绝缘件），绝缘件与槽口卡在一起，会占用一定槽内空间，为保证线圈与槽之间的绝缘，槽内还需放置绝缘纸，如图4中右图所标，笔者所述电机槽内绝缘最厚处为0.45mm。单个线圈绕制完后为使拼装后相邻线圈之间绝缘良好，线圈与线圈之间还需设置相间绝缘，如图7，绝缘纸翻折后包裹住线圈作为相间绝缘，绝缘厚度为1mm，这些都使得槽内实际有效面积进一步减小。

在保证耐压等级的情况下，要使槽内有效面积增大，就需要减薄绝缘材料的厚度，可以选用绝缘等级更高更薄的材料来替代目前较厚的槽绝缘，如聚酰亚胺薄膜、NOMEX纸[1][2]等，也可以考虑将端部绝缘件做成一个整体，包含线圈直线段，这样线圈直线段部分不需再装绝缘纸，更换绝缘材料后，相间绝缘可减薄到不超过0.3mm。笔者所述电机因线径为0.72mm，绝缘减薄后槽内线匝数没增加，对于线径更小的电机效果会显著一些。还可以考虑铁芯槽绝缘层熔敷工艺，即静电粉末涂敷电机槽绝缘工艺，也称熔槽绝缘[3]。这项工艺借静电场作用力，使绝缘粉末吸附于于铁芯槽内，经过固化形成光滑而薄的槽绝缘。国内外有已研发成熟的熔槽设备，具体熔槽工艺及设备在参考文献中有详细介绍[4]，在此不赘述，通过熔槽绝缘，可使线圈端部长度缩短。另外，近几年电机的灌封技术也开始了广泛的应用，套装机壳后的定子铁芯经过真空灌封，能成为一个很好的整体，电机的绝缘、散热都能得到改善[5]。

4 改进铁芯拼块整形工装

目前铁芯拼块冲制完后，需要用整形工装整形压紧，保证叠压系数。整形工装为一个圆环和一个圆芯棒，如图4，圆环与铁芯外圆匹配，芯棒与铁芯內圆匹配，压紧时对铁芯的形状起到一定的整形作用，防止铁芯往內圆或者外圆方向歪斜（因铁芯具有一定长度，且功率越大的电机铁芯越长），即内外圆的圆柱度，保证槽内的平整度，槽内表面如果不平整，也会使得绕线时槽的实际有效面积减小。但是该工装仅能保证铁芯内圆和外圆的圆柱度，无法保证铁芯在圆周方向上的歪斜，即整个定子铁芯沿顺时针或逆时针方向扭转某一角度。实际生产中发现这种情况确实存在，此时槽内也不平整，影响了绕线的效果。为解决这一问题，对铁芯整形工装进行了改进。

整形工装由底板、定位键、垫板、垫距几部分构成，底板上开有多个方形通孔，方孔内插入定位键，两个定位键之间正好可以放下一个拼块铁芯，如图8所示。铁芯稍高于定位键，油压机从上方将铁芯压紧，定位键的两侧与铁芯槽的两条直线边配合紧密，因此可以保证铁芯内外圆的圆柱度，同时也可保证槽的垂直度，使铁芯各个方向都符合理想情况，没有变形。采用不同规格长度的垫距垫放在底板下可以实现一套模具应用于同一直径不同功率（即不同长度）的多个电机铁芯。实际使用起来整形效果良好。

图8 改进后的铁芯整形示意图

通过上述几个方法，电机的槽满率能得到一定程度的提升，当然不同电机提升的效果有大有小，跟电机原本的设计、工艺完善程度相关。以笔者所述电机型号为例，经过改进，电机槽满率最多可从76%提升到85%，电机功率为750kW，匝数为62匝，增加4匝，功率大约可提升，同等功率下电机长度可稍缩减。要想电机长度进一步缩短，还需对线圈的端部长度、各机械部件的尺寸和安装配合进一步优化。笔者所述电机通过各方面优化，电机长度从最初的151mm缩短为125mm，接近松下同型号电机长度。