定子铁芯叠装的固的可靠性设计探索

魔神

    

1　概述

　　电机定子铁芯叠装，人们往往认为它的可靠性设计是由电机设计师完成的，只要有铁芯的设计图、定子铁芯的叠装图和必要的技术条件，其可靠性设计就已经完成；或者认为定子铁芯叠装纯属于制造范围，只要工艺设计的可靠度好也就完成了．然而，定子铁芯是电机中的一个关键部件，影响着整机的功能．它的固有可靠性是设计和制造过程中，已经确定并最终在产品上实现的可靠性，可以用下式描述：

R=R^．R

式中　R_I－产品的固有可靠性；
　　　R_D－设计过程中赋予产品的潜在可靠度；
　　　R_m－制造过程所形成的由工程能力所决定的制造可靠度．
　　从上式可知，产品要获得良好的固有可靠性，设计环节与制造环节必须紧密配合，因为每道工序加工前都存在产品的总体设计、工序设计与工序间相互配合设计问题，所以以上的两种看法都是不全面的．本文仅对这些问题进行一些探讨．

2　定子铁芯成形设计

　　定子铁芯叠装的设计，可以选择不同的制造方法．下面例举几种方法进行可行性和可靠性分析．

2.1　定子铁芯的叠装扣或铆装
　　定子铁芯叠装后，传统的设计是在铁芯片上设计扣槽，采用扣片扣装．当叠厚超过40mm时，为了保证定子叠装强度和避免变形应在其上设计铆钉孔而不用槽，采用铆钉铆装．这两种方法加工后，其垂直度、端面平面度、铁芯内孔，嵌线槽的形状往往达不到设计要求，内孔必须磨削加工，铁芯片间易相互搭接，增加了电机的缺损．因此，这种设计已不适应电机技术发展的需要．

2.2　定子铁芯氩弧焊装设计
2.2.1　焊道设计在定子铁芯外缘的表面
　　这种设计，进行氩弧焊时，加热体积大，热变形大，焊道分布不均匀，个别处有时高于铁芯外缘，当其要压入电机机壳时，内外圆都需要加工，因此这种设计可靠性差．
2.2.2　定子铁芯外缘设计焊道槽
　　对于这种设计，焊接时可以提高氩气的保护效果和加热的集中性．焊接后，外缘不用加工，但热变形仍然大，内孔必须加工，因此也不可取．
2.2.3　焊道设计在定子铁芯齿顶轭部中心线上的可行性分析
　　焊道设计在齿的轭部，设计师分析时认为焊接部位的体积是齿的体积与其轭部体积之和，热的传导主要是沿直线传导，因而热容量大，焊接加热后热变形将会变小．其设计图样如图1所示．

1.喷嘴　2.气罩　3.钨电极　4.铁芯轭　5.熔池
6.热影区　7.热传导方向　8.突片　9.齿
图1　焊道在齿的轭部中心的示意图

　　焊接实验和生产实践证明：焊接时，当氩气从喷嘴中流出后，在喷嘴与焊接区形成保护气罩而提前送气；引弧时，高频通过电极与铁芯的间隙使空气电离引燃电弧；电弧热量使焊接处熔化，并形成热影响区；由于铁芯是纯铁或硅钢片，热传导能力大于空气，因此铁芯受热沿箭头的方向传导，使齿膨胀；冷却时，因熔池暴露在空气中，所以冷却快，使铁芯向内收缩，在夹具的压力作用下向齿部铁芯内孔和其槽内扩展引起突片．同时，定子铁芯冷却后，也达不到垂直度和平面度的要求．
　　嵌线时，由于定子铁芯有突片存在，易引起绕组对地击穿，使产品不合格．因此，焊道设计在定子铁芯齿顶轭部中心线上是不适宜的．
2.2.4正确设计焊道位置
　　①　外缘是方形的定子
　　焊道设计应远离定子铁芯的槽与齿部，如图2所示．焊接时，使其铁芯的槽和齿部远离热影响区，不受或少受焊接热量的影响，从而减少热变形．

1.喷嘴　2.钨电极
图2　焊道远离槽部示意图

　　②　外缘为圆形的定子
　　焊道设计可以按图3所示，设计在定子槽的轭部中心线上，便于热量向周边传导，减少焊后变形．

1.凸点　2.焊道槽　3.槽　4.齿　5.轭　6.铁芯片
图3　焊道的正确设计示意图

　　焊道应设计为槽形焊道，并在槽中设计凸点（见图3），这种设计不但能增强氩气的保护效果，而且因凸点高于两边的槽，加热体积小，热熔量小，热影响区小，焊接电流可相应的减小，焊接时间也可以适当缩短．因此，焊后定子铁芯变形量小，定子铁芯内孔不需加工，避免了原来设计上存在的缺陷．这时，产品的图样设计才是适应氩弧焊的可靠性设计．

3　氩弧焊的工艺设计可靠性

3.1　单台氩弧焊机对定子进行氩弧焊
　　使用手弧焊接时，焊缝直线度差，设计了专用运行轨道，焊缝可以达到直线度要求，但是装夹费时费工，定子加热和冷却时不均匀不对称，热变形大，也难免片间间隙大小不一致．因此，定子铁芯的平面度和内孔尺寸很难保证，必须采用内圆磨床磨削内孔，才能保证定子与电机转子的配合气隙．因此这种方法也是不可取的．
　　为此，在收集了国内外的大量信息分析处理后，研究了三梁四立柱焊机DYH-200型焊机组对定子铁芯进行多道焊缝一次焊接成形的设计工艺．

3.2　DYH-200型焊机组焊接定子的可行性分析
　　在DYH-200型焊机组中，氩弧焊机的触发电路设计了负反馈电路，保证了焊接电弧的稳定燃烧．高频振荡器又具有良好的抗干扰装置，在可编程序控制器的控制下，多把焊枪可以同步引弧．且焊接夹具又设有引弧圈、过弧圈、熄弧圈保证了引弧、过弧、熄弧的统一和焊缝分布的均匀与对称性．其中的膨胀心轴装置夹持、压紧了定子铁芯．焊接时，加热和冷却同时进行，因而焊后变形极微或不变形，保证了定子的平面度、垂直度、内孔的尺寸与精度要求，使之得到良好的内在质量和外观质量．

3.3　多把焊枪同时焊接的工艺设计
　　工艺设计应先选定能一次完成多道焊缝的焊接设备，然后在能达到设计要求的前提下设计具体的工艺方法．
3.3.1　电极的设计
　　①　电极材料
　　定子铁芯氩弧焊时工件接正极，焊接有效热量大，阴极采用不熔化的电极，要求材料熔点高，蒸发低和发射电子能力强等，一般选用钨基材料作电和极．
　　②　电极直径与锥度
　　一般采用Φ2～5mm的棒料；其锥度为15°～30°．
3.3.2　氩气
　　氩不仅容易电离，容易起弧，在给定电流下，氩弧的工作电压低，弧长改变引起弧压变化较小．因而选用氩气作保护气体．
　　①　氩气纯度
　　要求水和氢的含量极少．一般选用99.99%的精氩．
　　②　氩气流量
　　氩气流量太大时易将空气卷入保护区形成紊流，影响氩气的保护效果．同时，因氩气昂贵，增加了生产成本．氩气的流量太小时，它的流速小于焊接区空气的对流速度，不能在焊接区形成层流保护罩，也将失去保护作用．设计这个参数时必须避免上述问题．综合考虑各种因素，氩气流量可在3～10L/min内选择．
3.3.3　喷嘴
　　选用具有平稳、宽流量范围内保护效果好的圆管形导出管喷嘴．
3.3.4　电极的伸出长度和引弧间隙
　　电极的伸出长度和引弧间隙决定了氩气罩的长度，气流的刚度和气体的分散度，影响焊接区的保护效果．
　　①　电极的伸出长度
　　从喷嘴小端面到电极工作端面的距离为电极的伸出长度．它直接影响焊接电流的流程．电极伸出长度越长，电阻越大，大电流经过时，发红程度越明显，越容易烧损，钍的蒸发也加剧．而且使喷嘴到焊接处的距离增大，使氩气的保护效果降低．
　　电极伸出的长度太短，弧离瓷嘴的距离则越近，容易烧损瓷嘴，破坏了瓷嘴的内圆度（或内锥面），影响了气罩的正常形成和保护效果．因此，电极的伸出长度一般控制在3～7mm．
　　②　引弧间隙
　　引弧间隙是电极工作面到焊接面的距离．它决定了焊接的弧长．间隙越长，弧长越长，高频引弧时需要的能量就越高，对高频电压的有效值要求也就越大，只有这样氩气才能被电离．在这种情况下高频变压器易被击穿，增加了高频变压器的制造难度．
　　由于氩气流经的有效路程（气罩的长度）决定于电极的伸出长度和引弧气隙，因此间隙越大，气罩的长度增加，氩气的散布面增大，氩气的密度减少，弧的度减小易产生飘移，使氩气的保护效果降低．
　　设计多把焊枪的引弧间隙时，应在1.5～2.5mm之间选择．因此，设计工艺时应要求间隙调整采用塞尺对多把焊枪进行统一性调整．
3.3.5　焊接速度
　　焊接速度的设计应根据焊件的强度要求，变形要求，氩气罩的保护效果，生产效率等决定．一般可在3.5～5mm/s范围内选择．
3.3.6　焊接电流
　　在满足焊缝熔深、焊接速度要求的前提下，可在80～120A的范围里选择．
3.3.7　油压机的压力
　　设计油压机压力时，应根据不同定子的尺寸精度要求选择压力的大小，可在6～10MPa内选择．

4　相关工艺的设计

4.1铁芯冲片
　　设计冲片工艺时，除设计本工序的操作规程外，还应增加工位器具的要求，明确操作者冲片时应将冲片按落料顺序、刃口方向放置于工位器具中，并在工位器具上标明顺序、模具号、工号，以免首末件，不同模具的冲片混片．

4.2　叠片
　　在设计定子铁芯叠片程序时，必须明确铁芯片的表面清理，保证铁芯片无油无锈；必须按同一模具的落料顺序、刃口方向叠片，不允许首末件和不同模具的冲片混片．最好能使用自动叠片机叠片．
　　只有这样，在定子铁芯叠片后焊接，才能克服错片、断焊、熔深不合格、突片等现象，保证定子铁芯的尺寸与精度要求．

5　讨论

　　从以上的探索可知，定子铁芯叠装的固有可靠性设计，它包含电器设计的可靠度，叠装工艺设计的可靠度与叠装工艺有关的工艺设计的可靠度．而且它们之间是互相影响的，能保证设计的先进只有它们之间互相协调，并达到统一后，才能保证设计的先进性、可行性；才能保证整个产品设计的固有可靠性．产品的固有可靠性完成后，最终还必须由有关的工人制造，才能完成产品的固有可靠性．
　　这样看来，产品的可靠性，不是设计一家或某几家可以完成的，而是各个相关部门、单位和有关人员之间密切配合才能完成．因此，必须提高有关人员的精神素质和技术素质，才能保证产品良好的固有可靠性、使用可靠性．