引 言

通常电机定子包括铁芯与励磁绕组,铁芯的中心开有通孔,沿圆周方向上设置有若干规则的嵌线槽口;由于励磁绕组由铜质导线制成,为了有效避免励磁绕组与定子铁芯之间出现导电情况,需要使得定子铁芯与励磁绕组之间保持绝缘,故每个嵌线槽口在其内嵌入励磁绕组之前,需要添加一绝缘层,然后将铜线按照一定规律缠绕于相邻槽间的间隔上,铜线通过绝缘层与铁芯保持绝缘,以起到保护线圈绕组之作用。

目前,向电机定子铁芯添加一绝缘层的方式有两种即注塑和插入绝缘纸。注塑的方式是指在铁芯的嵌线槽以及铁芯的表面成型一层厚度介于0.5～1 mm的绝缘层,其工艺流程大致可以归纳为:将注塑颗粒装入注塑模具中并进行加热,同时对电机定子也进行加热;对电机定子槽口进行注塑,并将注塑后的定子铁芯进行保压及冷却即可。根据上述流程可知,其工艺流程不仅复杂,而且需要包括注塑设备、温控设备及压力控制设备等予以辅助,致使成本较高,生产效率也较低^{[ 1,2,3,4 ]}。插入绝缘纸的方式可以分为人工插入和机器插入。该绝缘纸通常选用厚度介于0.18～0.25 mm的聚酯薄膜绝缘纸复合箔,并制成与定子槽口相似形状的槽绝缘纸片^{[ 5 ]}。绝缘纸通常选用聚酯薄膜绝缘纸复合箔,具有良好的机械强度和挺硬性,耐热寿命长的优点。据资料报道以模型线圈进行热老化试验,其寿命140 ℃时可达50 000 h 以上^{[ 6 ]}。目前多数小型厂家依然采用人工插纸的方式, 其流程大致可概括为:工人首先将定子固定于一定位盘上,然后再将绝缘纸依次插入各个嵌线槽,待全部嵌线槽插纸完毕即将绝缘纸剪断;将插纸后的定子置于自动绕线机上进行绕制铜质导线,之后再由工人将暴露在外侧的多余的绝缘纸予以剪除,同时对铜线进行整形并插入标签,这一步即使熟练的车间工人也需要 50 s的时间。进行了人工插纸和绕线、整形后的电机定子如图 1所示。此人工方式插入绝缘纸,需要多个劳动力的参与,步骤繁琐,而且绝缘纸的利用率仅有一半,造成了资源的浪费。机器插纸是借助于一种半自动化的机械设备来予以实现的,目前多数插纸设备存在体积大,不能满足多种定子型号的需求。

图 1

Fig. 1

图 1 人工插纸和整形的定子示意图Fig. 1 The stator diagram of artificially inserted paper and plastic

为了降低劳动力的投入和企业成本,并提高绝缘纸的有效利用率,电机定子绕线厂家迫切需要一种能解决此难题的自动化设备。本装置的设计正是基于此而提出的。

1 系统总体方案的设计

本文阐述的装置其所要实现的功能即向电机定子铁芯嵌线槽口中插入绝缘纸,可以满足具有同一槽型口的不同类型定子的要求。 由于伺服电机采用闭环控制,具有噪音低、发热量小等优点,并且其运动控制精度远高于同类型的步进电机,故本装置中对运动精度有一定要求的地方均选择伺服电机。各伺服电机和步进电机的运动量是通过程序予以严格控制的,从而实现如下过程:工人将电机定子置于定位轴上,胀紧电机通过胀紧轴带动胀紧锥下行,进而迫使定位轴上端环形开口外扩,实现定子的固定;转位电机借助传感器并通过驱动减速器使之转动来实现定子的初始定位;送纸电机驱动压轮转动,使绝缘纸产生折边并依靠其与绝缘纸间的摩擦力将其向上输送指定的距离;剪纸电机实现对绝缘纸的剪断,并将其推入成型槽,使之成型;顶纸电机通过一顶杆,将成型了的绝缘纸片顶入定子嵌线槽口中;如此重复后四步指定次数即可完成定子嵌线槽的全部插纸,之后胀紧电机产生相反动作使定子松解。本装置的基本工作原理流程如图 2所示,其中伺服电机与步进电机所用驱动器为不同型号。

图 2

Fig. 2

图 2 基本原理示意图Fig. 2 The schematic ofbasic principle

2 运动机构设计

本文所述的插纸装置其设计主要包括胀紧与转位机构、折边与送纸机构、剪纸与成型机构、顶纸机构以及软件等部分。根据生产实际的需求,在设计时考虑了以下几个方面的内容:

(1)可以满足内部具有同一槽型口形状的不同型号定子的要求;

(2)根据槽型口的不同选择宽度不同的绝缘纸,绝缘纸的通道宽度可调节;

(3)插纸过程中,任一环节出现问题可及时报警以提示操作人员。

2.1 胀紧与转位机构的设计

胀紧与转位机构用于实现对定子的胀紧固定、初始定位以及插纸过程中的精确转动。如图 3所示,定位轴2的上端设有环形开口,受挤压时可外扩以将定子固定,其下端固定于减速器4的输出端,减速器与分度平台3相连接。插纸装置工作前,由工人将定子置于定位轴上,启动工作按钮,系统控制步进电机6转动,使其通过同步轮与同步带间的传动带动胀紧轴5转动,胀紧轴的转动促使胀紧锥1下行运动并使定位轴上端环形开口内侧受挤压产生外扩,从而实现定子的夹紧固定。系统控制伺服电机7通过齿轮传动使减速器产生转动,进而带动定位轴和其上定子的转动,设置在一侧的传感器对嵌线槽口处的金属予以探测,直至定子嵌线槽口实现精确初始定位。当前一个槽口插入绝缘纸片后,系统控制伺服电机转动一个指定角度,从而进入下一个槽口的插纸。胀紧与转位机构在与工作台的连接处均开设有槽型孔,其位置可进行微调,故可以满足内部具有同一槽口形状的不同定子型号的要求。

图 3

Fig. 3

图 3 胀紧与转位结构示意图Fig. 3 The swelling and inversion structure diagram

2.2 折边与送纸机构的设计

折边与送纸机构用于实现使绝缘纸产生折边以及将其向上输送指定距离的功能。该机构由伺服电机、减速器、传动齿轮、传动轴以及压轮等部分组成,伺服电机通过减速器、传动齿轮和传动轴驱动压轮转动,压轮接触面间设置有特定深度且对称的凹槽和凸起,当绝缘纸通过时便可使其产生压痕,压痕具有加强筋的作用,可以提高绝缘纸的坚挺性,以便于绝缘纸的输送、剪断及嵌线槽口的定位等操作。为使得绝缘纸产生良好的折边效果,压痕的程度可以通过调节压轮配合面间的间隙量来予以实现;而此间隙量的调节,又可以借助于调节设置在一侧的预紧弹簧的压缩量予以实现。

对于嵌线槽型口形状不同的定子,其对绝缘纸片的折边效果要求亦随之不同。为了取得良好的插纸效果,此情况下需要配置与该定子型号嵌线槽型口形状要求相一致的压轮,故更换定子型号需要更换与之相应的压轮才可满足生产要求。某一定子型号所需绝缘纸片的折边效果如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 折边绝缘纸Fig. 4 The hem of insulating paper

2.3 剪纸与成型及顶纸机构的设计

剪纸与成型机构用于实现对绝缘纸的剪断以及将其定型的功能。该机构由伺服电机、滚珠丝杠、上切刀、下切刀、成型模具、可调限位块、导向槽、渐变槽、出纸板等部分组成;伺服电机通过滚珠丝杠驱动上切刀将绝缘纸切断,同时成型模具将切断了的绝缘纸片推压至导向槽,完成绝缘纸的剪断和定型。

顶纸机构由伺服电机、滚珠丝杠、顶杆等部分组成,用于实现将成型了的绝缘纸片推压至定子嵌线槽 口的功能。顶杆在伺服电机驱动下,推压位于导向槽的绝缘纸片并依次通过导向槽、渐变槽和出纸板,最终进入定子嵌线槽口。绝缘纸片的长度因嵌线槽口的宽度而异,可以通过控制送纸电机的转动量来予以调节。压入导向槽的绝缘纸片的形状以及插入了绝缘纸片的定子示意图如图 5所示。

图 5

Fig. 5

图 5 成型绝缘纸片Fig. 5 The formed insulating paper

3 运动控制程序设计

本装置的控制系统由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括电脑主机、液晶显示器、警示灯、运动控制卡和电机驱动器,软件部分是指控制各电机协调运动的内部程序,程序严格控制各电机通过滚珠丝杠驱动滑块的行程。本装置在机械部分组装完成后,即可向电脑主机中输入预先编制好了的程序,进行初步调试并确定最佳运动参数,然后对定子进行连续插纸。图 6所示为本装置各动作的控制示意图,操作人员首先将定子置于定位轴上并启动按钮,程序通过运动控制卡和驱动器驱动胀紧电机转动,从而将定子胀紧固定;同时转位电机带动定子转动,并通过设置在定子一侧的传感器对嵌线槽进行精确探测,实现定子的初始定位;程序控制折边与送纸电机驱动压轮将绝缘纸向上输送指定的距离;剪纸与成型电机驱动上切刀运动从而将绝缘纸剪断,并通过成型模具将剪断了的绝缘纸片压入导向槽中;顶纸电机驱动压杆向上运动指定距离,将绝缘纸片压入定子槽口中,完成首个槽口的插纸;然后定子转位到指定角度,进入第二个槽口的插纸,重复上述动作;同时系统对当前已插入纸片的槽口数n进行计数,当其超过定子所具有的槽口数N时即完成了整个定子的插纸,系统控制胀紧电机反转从而将定子松解。在绝缘纸的输出通道处设置有传感器以实现对绝缘纸有无的探测,当绝缘纸用尽或者出现误操作时,系统会通过警示灯发出报警提示。

图 6

Fig. 6

图 6 程序控制流程图Fig. 6 The schematic of program control

4 结 论

电动车作为一种清洁、环保和节能的交通工具,在国内外需求量较大,因此电机定子的生产具有广阔的市场空间。本文所阐述的新型电机定子自动插纸装置,机械部分各功能模块化,软件部分人机界面友好,设计风格简洁、美观、实用,便于调试和操作,同时提高了绝缘纸的利用率和生产效率,降低了劳动强度和企业成本。