李孝忠，游瑞華

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江 嘉興　314009 ）

串勵電機定、轉(zhuǎn)子在機殼中相擦原因及檢測方法

李孝忠，游瑞華

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江 嘉興314009 ）

分析串勵電機中定、轉(zhuǎn)子在機殼相擦現(xiàn)象產(chǎn)生的多種原因，提供一種定、轉(zhuǎn)子配合的同軸度偏差測量方法，為后續(xù)配合間隙提供修正數(shù)據(jù)。測量方法簡單，檢具精度要求相對較低。

串勵電機；相擦；分析；偏差；測量

0　引言

電動工具串勵電機中常見定、轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)相擦現(xiàn)象，該現(xiàn)象引發(fā)電能空耗增加，電機強烈振動并產(chǎn)生較大的雜音。更為嚴重的后果是，相擦的表面產(chǎn)生高溫或可引發(fā)著火危險甚至燒毀繞組等不良反應(yīng)。本文以電鉆為例，對定、轉(zhuǎn)子在機殼中產(chǎn)生配合偏差的原因進行分析，介紹一種定、轉(zhuǎn)子配合的同軸度偏差測量方法。

1　概述

在電動工具串勵電機中，轉(zhuǎn)子總成通過兩端的軸承定位支撐在機殼上，定子總成通過機殼定位筋支撐定子鐵芯，從而定位定子總成。理論上，轉(zhuǎn)子總成軸線重合于定子總成軸線。由于種種原因，實際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)子總成與定子總成之間會產(chǎn)生配合偏差，引發(fā)定子和轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)的相擦。

2　結(jié)構(gòu)示意

圖1所示為某電鉆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

定、轉(zhuǎn)子相擦主要有三種形式：

1）定子鐵芯內(nèi)部的前端與轉(zhuǎn)子鐵芯的前端外圓相擦，見圖2。

2）定子鐵芯內(nèi)部的后端與轉(zhuǎn)子鐵芯的后端外圓相擦，見圖3。

3）定子鐵芯內(nèi)部前、后端同時與轉(zhuǎn)子鐵芯的外圓相擦，見圖4。

圖1　電鉆內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2　定子鐵芯內(nèi)部前端與轉(zhuǎn)子鐵芯前端外圓相擦

圖3　定子鐵芯內(nèi)部后端與轉(zhuǎn)子鐵芯后端外圓相擦

圖4　定子鐵芯內(nèi)部前、后端同時與轉(zhuǎn)子鐵芯的外圓相擦

3　原因分析

單向串勵電機中的氣隙長度δ是磁路中的重要參數(shù)，消耗在氣隙中的激磁安匝約占總激磁安匝的40%～50%。氣隙長度越大，消耗激安匝越多，使定子繞組匝數(shù)增多，銅耗增大，并因繞組電感增大使功率因素降低。氣隙長度增大可減弱電樞反應(yīng)的影響，有利于換向。當電樞旋轉(zhuǎn)有偏心時，較大的氣隙可減弱偏心的影響，如減小單邊磁拉力，避免定轉(zhuǎn)子相擦等等。因此選擇合適的氣隙長度至關(guān)重要。單向串勵電機的氣隙長度為0.03cm～0.09cm，小電機可采用較小的數(shù)值，其中最小氣隙長度一般為磁極軸線處的δ1，見圖5。轉(zhuǎn)子鐵芯與定子鐵芯的配合偏差，接近或大于氣隙長度δ時，轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生相擦。

圖5　氣隙長度

從電機方面分析，在定、轉(zhuǎn)子沖片尺寸合格的情況下，轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)子軸經(jīng)一次或二次成型后，存在圓跳動偏差。圓跳動偏差越大，定、轉(zhuǎn)子在相對旋轉(zhuǎn)運動中越容易相擦，且是轉(zhuǎn)子鐵芯的部分外圓與定子相擦，見圖6；如轉(zhuǎn)子軸的前、后軸承檔與球軸承內(nèi)圈采用間隙配合，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作時，轉(zhuǎn)子軸承檔與球軸承內(nèi)圈相對滑動并被磨損（如圖7），磨損越多，轉(zhuǎn)子在機殼中徑向晃動越大，最終與定子相擦；如轉(zhuǎn)子軸的前、后軸承檔與球軸承內(nèi)圈過盈配合過大，球軸承在轉(zhuǎn)子工作運轉(zhuǎn)中易散架，引起轉(zhuǎn)子與定子相擦；定子鐵芯端面與軸線垂直度偏差大，在筒式結(jié)構(gòu)的機殼中，定子鐵芯端面一般被壓配在筒式機殼的對應(yīng)端面上，導(dǎo)致定子鐵芯在機殼中發(fā)生歪斜，引起定、轉(zhuǎn)子相擦；定子與機殼干涉時，定子鐵芯裝配在機殼中會發(fā)生歪斜，引起定、轉(zhuǎn)子相擦。

從球軸承方面分析，軸承游隙不合理、品質(zhì)工藝控制差，易使軸承散架，引起定、轉(zhuǎn)子相擦。

圖6　轉(zhuǎn)子鐵芯的部分外圓與定子相擦

圖7　轉(zhuǎn)子軸承檔與球軸承內(nèi)圈相擦

從機殼材料分析，機殼材料的強度、硬度、軟化溫度偏低時，機殼中的各零部件支撐定位筋可能受力軟化，產(chǎn)生位移，當轉(zhuǎn)子或定子在機殼中徑向晃動過大時即造成相擦。在電動工具中，依據(jù)手持式電動工具的安全要求及實際使用性能要求，常會選用一些強度好、硬度高、軟化溫度較高的工程塑料，其機械性能比較好，可替代金屬用作工程結(jié)構(gòu)材料，在各種環(huán)境下（如高溫、低溫、腐蝕、機械應(yīng)力等）均能保持優(yōu)良的性能，有的塑料還有很好的耐腐蝕性、耐磨性、自潤滑性以及尺寸穩(wěn)定性高等特點。

機殼內(nèi)前、后軸承外圈的定位筋，分別圍成一個軸心（此軸心與軸承軸心重合），連線軸心形成軸線，忽略軸承游隙的影響，當轉(zhuǎn)子總成裝配入機殼中，此軸線大致應(yīng)與轉(zhuǎn)子總成軸線重合。我們發(fā)現(xiàn)，實際中，當軸承、轉(zhuǎn)子總成、定子總成一起被組裝入機殼中時，轉(zhuǎn)子總成的軸線與定子總成軸線會產(chǎn)生同軸度偏差，且當定、轉(zhuǎn)子的軸線同軸度偏差達到或超過氣隙長度δ時，定、轉(zhuǎn)子可能相擦。

4　檢測計算

對定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機殼逐一進行檢測，然后檢測定、轉(zhuǎn)子在機殼中的軸線同軸度情況。由于受定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機殼間各種累積公差影響，在保障產(chǎn)品品質(zhì)的情況下，檢測中允許一定的軸線同軸度公差，該公差值由于定、轉(zhuǎn)子的間隙長度δ及疊高的差異而有所不同。

在圖5中，A-B軸線方向，取允許定、轉(zhuǎn)子的軸線同軸度公差為0.08mm，C-D軸線方向，取允許定、轉(zhuǎn)子的軸線同軸度公差為0.1mm。

所有單個零部件經(jīng)檢測合格后，對裝入機殼的定、轉(zhuǎn)子的軸線同軸度檢測，一般采用靜態(tài)檢測。具體檢測方法可以分三步：

1）檢測確定轉(zhuǎn)子前、后軸承外圈與機殼定位筋的配合是過盈配合

圖1中的轉(zhuǎn)子后軸承取607Z，轉(zhuǎn)子前軸承取608Z。取一套完整的新機殼，分別用工具將機殼軸承定位筋去除一部分，保留最能檢測軸承定位筋尺寸及正確安放軸承的部分，轉(zhuǎn)子前軸承的定位筋位放入608Z軸承，轉(zhuǎn)子后軸承的定位筋位放入607Z軸承，合上機殼，鎖緊機殼螺釘，檢測確定軸承外圈與對應(yīng)機殼定位筋是過盈配合。見圖8。

圖8　 轉(zhuǎn)子前、后軸承外圈與機殼定位筋的配合

2）檢測確定定子鐵芯外圈與機殼定位筋的配合是過盈配合

事先做好假定子、假轉(zhuǎn)子檢具（本例中假定子、假轉(zhuǎn)子剖面尺寸見圖9）。假定子外圈、高度尺寸可與真定子鐵芯高度基本相同，在假定子的A、B、C、D四處，沿假定子軸向作4條標記線。假轉(zhuǎn)子的軸承檔安裝距、軸承檔外徑及跳動值、轉(zhuǎn)子鐵芯外徑可與真轉(zhuǎn)子相同；在假轉(zhuǎn)子鐵芯外徑上，作一條平行于假轉(zhuǎn)子軸線的標記線；將假轉(zhuǎn)子前軸承檔裝配608Z、后軸承檔裝配607Z軸承（即圖8所示的機殼裝配中相對應(yīng)的軸承）；在機殼的定子鐵芯裝配部位，當假定、轉(zhuǎn)子組裝入機殼后，假轉(zhuǎn)子鐵芯檔應(yīng)分別長出假定子前、后端部5mm～10mm，假轉(zhuǎn)子鐵芯外圓與假定子鐵芯內(nèi)孔的配合單邊間隙控制在1mm以上。

圖9　 假定、轉(zhuǎn)子剖面

取一套完整的新機殼，分別去除機殼定子定位筋兩側(cè)（A-B軸線側(cè)）的一部分（見圖10），確保可以同時露出定子鐵芯兩端（不破壞機殼的定子定位筋），放入假轉(zhuǎn)子組件、假定子，合上機殼，鎖緊螺釘。來回多次對假定子施以一定的軸向力，確定假定子與機殼定位筋是過盈配合。

圖10　 機殼中定子A-B軸線的材料去除

3）檢測確定機殼中假定、轉(zhuǎn)子軸線的同軸度公差值

機殼中的定、轉(zhuǎn)子配合相擦往往發(fā)生在定子鐵芯的兩端，控制定子鐵芯的兩極限端點的同心度公差，即可控制定、轉(zhuǎn)子軸線的同軸度公差。為便于測量，在假轉(zhuǎn)子鐵芯標線上，選定距離假定子鐵芯3mm處為測量點。為減少測量系統(tǒng)造成的誤差，在本例測量中，測量環(huán)境相同，測量器具相同，測量方法相同，測量基準的設(shè)定相同，且測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過了多次測量并求其平均值。

從圖9中可知，理論上E=F=（50-34）/2=8，G=H=（58.5-34）/2=12.25。撥轉(zhuǎn)假轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子鐵芯檔上的標記線與假定子上的對應(yīng)標記線A對齊，用同一測量器具分別測量圖11中假定子前端3mm處的測量點（轉(zhuǎn)子風(fēng)葉端測量點以E1表示）、假定子后端3mm處的測量點（轉(zhuǎn)子換向器端測量點以E2表示）處的最近距離，并多次測量求平均值。經(jīng)多次測量求平均值后，取E1=7.96，E2=7.84。

再撥轉(zhuǎn)假轉(zhuǎn)子，使假轉(zhuǎn)子鐵芯檔上的標記線與假定子上的對應(yīng)標記線B對齊，分別測量假定子前端3mm處的測量點（轉(zhuǎn)子風(fēng)葉端測量點以F1表示）、假定子后端3mm處的測量點（轉(zhuǎn)子換向器端測量點以F2表示）處的最近距離，并多次測量求平均值。見圖11。在本例中，經(jīng)多次測量求平均值后，取F1=8.06，F(xiàn)2=8.14。

圖11　 機殼中定子A-B軸線極限點的尺寸測量

考慮到機殼變形過大或引起數(shù)據(jù)失真，再取一套完整的新機殼，依上法用工具去除機殼定子定位筋兩側(cè)（與C-D軸線側(cè)），見圖12。將用于測量A-B軸向尺寸的假定、轉(zhuǎn)子組件，放入用于測量C-D軸向尺寸的機殼中，合上機殼，鎖緊螺釘。同樣測出C-D軸線方向假定子前、后端3mm處的測量點G1、G2、H1、H2的最近距離，經(jīng)平均值后，取：G1=12.28，G2=12.35，H1=12.24，H2=12.20。

計算機殼中距假定子前、后端3mm處的各測量點同心度公差。

計算圖中A-B軸線方向的假定子前端（轉(zhuǎn)子風(fēng)葉端）測量點的同心度公差：

（E1-F1）/2=（7.96-8.06）/2=-0.05

|-0.05|=0.05＜0.08

數(shù)據(jù)表明，圖中A-B軸線方向的假定子前端測量點的同心度公差符合允許同軸度公差值，且圓軸心向E標記方向側(cè)偏；

計算圖中A-B軸線方向的假定子后端（轉(zhuǎn)子換向器端）測量點的同心度公差：

（E2-F2）/2=（7.84-8.14）/2=-0.15

|-0.15|=0.15＞0.08

圖12　機殼中定子C-D軸線極限點的尺寸測量

數(shù)據(jù)表明，圖中A-B軸線方向的假定子后端測量點的同心度公差超出了允許同軸度公差值，且圓軸心向E標記方向側(cè)偏；

計算圖中C-D軸線方向的假定子前端（轉(zhuǎn)子風(fēng)葉端）測量點的同心度公差：

（G1-H1）/2=（12.28-12.24）/2=0.02

|0.02|=0.02＜0.1

數(shù)據(jù)表明，圖中C-D軸線方向的假定子前端測量點的同心度公差符合允許同軸度公差值，且圓軸心向H標記方向側(cè)偏；

計算圖中 C-D軸線方向的假定子后端（轉(zhuǎn)子換向器端）測量點的同心度公差：

（G2-H2）/2=（12.35-12.20）/2=0.075

|0.075|=0.075＜0.1

數(shù)據(jù)表明，圖中C-D軸線方向的假定子后端測量點的同心度公差符合允許同軸度公差值，且圓軸心向H標記方向側(cè)偏。

綜上，圖中A-B軸線方向的假定子后端（轉(zhuǎn)子換向器端）3mm處測量點同心度公差超出允許同軸度公差值，且圓軸心向E標記方向側(cè)偏，表明機殼需要改模，以便調(diào)整定子后端E標記方向的定、轉(zhuǎn)子配合間隙，且調(diào)整間隙值約為0.15mm。

5　結(jié)語

在解決機殼內(nèi)定、轉(zhuǎn)子配合相擦問題中，逐一檢測確認定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機殼符合圖紙要求，定、轉(zhuǎn)子間的軸線同軸度測量偏差值才可準確，故進行相關(guān)零部件檢查是前提，也是解決該問題的關(guān)鍵。

［1］汪鎮(zhèn)國.單向串勵電動機的原理設(shè)計制造［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［2］GB 3883.1-2005 手持式電動工具的安全 第一部分：通用要求［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［3］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Analysis on the Reasons and Testing Methods of the Friction of Series Motor Stator and Rotor

Li Zhongxiao You Ruihua
（Zhe Jiang YAT Electric Appliance Co.， Ltd.， Jia Xing， 314009， China）

Analysis of a variety of reasons for the friction of series motor stator and rotor， thus a method for measuring the coaxial degree deviation of the stator and the rotor is provided， which gives the correction data for the follow-up mating clearance. The measurement method is simple with the relatively low accuracy requirement.

Series motor； Friction； Analysis； Deviation； Measurement

TM305.4

A

1674-2796（2016）04-0009-05

2016-05-10

李孝忠（1974—），男，大學(xué)?？疲こ處?，主要從事電動工具產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)工作。