周錦添

（廣東工程職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州 510520）

一種棒球發(fā)球機的永磁直流電機開發(fā)

周錦添

（廣東工程職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州 510520）

通過闡述棒球發(fā)球機的永磁直流電機開發(fā)過程，介紹了生產(chǎn)永磁直流電機所需關(guān)鍵設(shè)備及儀器，總結(jié)了永磁直流電機電樞、定子、總裝等各個部件的制造工藝，幫助電機制造工藝人員和生產(chǎn)現(xiàn)場管理人員掌握最新的永磁直流電機制造技術(shù)。

棒球發(fā)球機；永磁直流電機；電樞；碳刷

0 引言

棒球運動是一種靠球棒揮擊的運動，當運動員一個人練習時，就需要棒球發(fā)球機為其發(fā)球，它能自動按規(guī)定軌跡發(fā)出符合標準的棒球。滾輪式棒球自動發(fā)球機是陪伴運動人員訓練球技的運動器材，分單摩擦輪及雙摩擦輪兩種形式，它們均是利用離心力及摩擦力將球投出，像是車子輪胎上的水分被甩出去，發(fā)球機的發(fā)球原理見圖1。雙摩擦輪由兩個垂直安裝的直流電機分別裝在輪子底部中心處，直流電機的安裝方式為軸向垂直安裝，調(diào)至兩個電機的轉(zhuǎn)速不同組合，可投擲出直線球、弧線球，球速最快達140 km/h。為了給發(fā)球機配置大扭矩、高轉(zhuǎn)速的電機，開發(fā)了一種大扭矩、高轉(zhuǎn)速、體積小、性能穩(wěn)定的永磁直流電機。

圖1 棒球發(fā)球機發(fā)球機構(gòu)

1 電機設(shè)計中的參數(shù)確定

永磁直流電機由磁鋼建立恒定激磁磁場，通過電刷換向器作用，實現(xiàn)外部電路的直流電與電樞繞組內(nèi)部交流電之間的轉(zhuǎn)換，借助靜止氣隙磁場，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電樞繞組中交流電與轉(zhuǎn)軸上恒定轉(zhuǎn)矩的相互變換，實現(xiàn)了機電能量轉(zhuǎn)換[1]，從而驅(qū)使電機旋轉(zhuǎn)起來。

經(jīng)過走訪調(diào)研和十多次電機樣機試驗，要使棒球投出140 km/h速度，電機連續(xù)運轉(zhuǎn)1 000 h無故障，電機需要滿足主要參數(shù)如下。

（1）電機使用電壓在DC 0～90 V之間使用，空載電流≤0.85 A，當DC82.5±0.1 V時，電機轉(zhuǎn)速為2 650±150 r/min，輸出功率200±15 W，扭矩達到0.8 N·m時，電流3～3.5 A。

（2）絕緣電阻≥20 MΩ，絕緣等級A級，噪聲≤50 db(1米處測試)。

（3）電機外形尺寸為?83×272.5 mm，電機前端安裝法蘭尺寸為?108×12.5 mm。

（4）電機碳刷使用壽命≥1 000 h。

2 電機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足電機以上參數(shù)，結(jié)合磁路設(shè)計，最終設(shè)計出電機整體結(jié)構(gòu)見圖2。電機殼體選用無縫鋼管圓筒，經(jīng)過機械精加工達到安裝精度要求；前后端蓋結(jié)構(gòu)形式為圓盤式，采用鋁合金壓鑄模壓鑄成型后，再經(jīng)過機械精加工至使用要求；后端冷卻風葉為尼龍制造，它需制作塑料模具注塑成形；風葉保護罩利用薄板沖壓、拉伸成形；磁鋼采用鐵氧體成型，它須滿足電機磁路設(shè)計的要求；軸承采用靜音高精度滾動球軸承。

電機軸的設(shè)計需考慮它的伸出段與摩擦輪安裝后，伸出段在工作時將受到交變應(yīng)力的作用，容易引起疲勞失效的狀況，因此，軸的材料選用40Cr，調(diào)質(zhì)熱處理，伸出段增加至足夠大的直徑，取?16 mm，保證足夠的機械強度和抗疲勞失效能力。

電機電樞鐵芯設(shè)計為15槽，鐵芯長度為90 mm，鐵芯直徑56 mm，斜槽設(shè)計，材料選用W540牌號；選用30換向片的帶鉤片的整流子，整流子直徑?32 mm（外徑）×12.7 mm（內(nèi)孔）×20 mm（高）；鐵芯內(nèi)槽與線包絕緣采用環(huán)氧樹脂粉末涂覆工藝，考慮到使用直流電壓達DC 90V，在鐵芯兩端增加絕緣蓋板，保證通過耐壓測試。電樞繞線接線圖見圖3。為了提高電機輸出扭矩、功率和轉(zhuǎn)速，在研制時，曾經(jīng)調(diào)整過幾次電樞線包匝數(shù)和線徑，經(jīng)過試驗比較，最終確定電樞內(nèi)毎個線包匝數(shù)為15匝，線徑?0.64 mm，轉(zhuǎn)速達2800 r/min。調(diào)整參數(shù)組見表1。

圖3 電機電樞繞線接線圖

表1 電樞調(diào)整參數(shù)組（測試輸入DC電壓為82.5 V）

3 電機制造設(shè)備及其工藝

在開發(fā)制造過程中，棒球發(fā)球機永磁直流電機的制造首先要考慮的是既能保證產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低成本的大批量生產(chǎn)途徑，還要考慮設(shè)備與工藝的適應(yīng)性，如制造和檢測設(shè)備要適應(yīng)現(xiàn)有材料質(zhì)量的供應(yīng)環(huán)境，保證各個工序能夠使用市場現(xiàn)有的零部件和材料。更要適應(yīng)維保費用低廉要求，保證買得起用得起。

3.1 電機電樞組件生產(chǎn)設(shè)備與制造工藝

轉(zhuǎn)子制造所需的設(shè)備，根據(jù)各個工藝要求配置了轉(zhuǎn)子疊片入軸機、環(huán)氧樹脂粉末涂覆機、絕緣端板和換向器壓入機、自動雙飛叉繞線機、整流子自動焊接機、整流子精車機、耐壓測試儀、電樞綜合測試機、自動滴漆機和動平衡機等。

所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子制造工藝流程是：檢驗硅鋼片沖壓質(zhì)量——轉(zhuǎn)子迭片、齊片、扭斜槽——轉(zhuǎn)子軸壓裝至鐵芯——檢驗壓裝斜槽角度、壓裝軸與鐵芯的垂直度——轉(zhuǎn)子內(nèi)槽環(huán)氧樹脂粉末涂覆——檢驗涂覆層厚度、均勻性以及是否有涂層缺陷——壓裝整流子——檢驗整流子與鐵芯槽對應(yīng)位置是否正確——轉(zhuǎn)子繞線——檢驗繞線質(zhì)量（如整流子是否有漏鉤現(xiàn)象）——整流子焊接——檢驗毎線包電阻值（如是否有虛焊或短線現(xiàn)象）——插絕緣槽板——測試對地耐壓和對地絕緣電阻——轉(zhuǎn)子滴浸絕緣漆——車削整流子——去除銅屑及檢驗表面粗糙度——轉(zhuǎn)子動平衡檢驗——電樞綜合測試（如測試電氣強度、絕緣電阻、繞組電阻、匝間絕緣、匝間沖擊試驗等）。

在轉(zhuǎn)子內(nèi)槽涂覆絕緣層時，由于轉(zhuǎn)子鐵芯直徑大而且長度較長，按常規(guī)涂覆工藝必將影響到對鐵芯槽的涂覆效果和質(zhì)量，因此，在涂覆工藝上必須加以改善，高頻加熱模式要改成間歇加熱多次，在每次加熱到位時，馬上將已經(jīng)被加熱過的轉(zhuǎn)子移至流化床上粉，這樣經(jīng)過多次上粉，絕緣粉末才能均勻粘附于每一線槽里面，再進行固化加熱，粉末流平以致固化，從而保證了涂層質(zhì)量。

整流子車削時，要保證車削圓柱面的表面質(zhì)量，粗糙度Ra≤0.2 μm，這樣的表面質(zhì)量，電機運轉(zhuǎn)中火花減少，碳刷壽命長。車削后，要注意清理銅屑，首先要使用專用的掃屑裝置，把鑲嵌粘附于整流子片槽的銅屑清掃干凈，然后使用壓縮高壓空氣吹干凈。這樣，就能夠在匝間耐壓測試或者使用過程中，避免由于未清理干凈銅屑引起的轉(zhuǎn)子短路。

3.2 電機定子組件生產(chǎn)設(shè)備與制造工藝

定子組件制造所需設(shè)備，根據(jù)工序要求，配置了磁鋼涂膠機、磁鋼氣動壓裝機、磁鋼固化烘爐、電容式充磁機及充磁夾具、磁通測量儀等。

所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子制造工藝流程是：電機殼體尺寸檢驗和除銹、除油——殼體涂粘接劑——磁鋼尺寸檢驗和外觀檢驗——專用夾具壓裝、固定磁鋼——粘接加溫固化粘結(jié)劑——鐵氧體磁鋼充磁——測量磁通量是否飽和。

為滿足電機磁路設(shè)計要求，磁鋼采用四塊瓦形鐵氧體材料[2]，并按圖1所示對稱粘接到殼體內(nèi)圓柱面上，鐵氧體型號為Y30H-2，符合ST/T10410-93標準，此材料剩磁感應(yīng)強度Br≥4 000 G，矯頑力Hc≥3 400 Oc。充磁工序的安排是采用把鐵氧體裝在電機殼體上形成定子組件后進行充磁工序。

因此，為得到高效充磁，采用電容式充磁設(shè)備，此類充磁設(shè)備的電源優(yōu)點是對磁鋼的充磁速度快，電壓在DC900 V～1 200 V之間，且電容箱中能量可以在一個很短的時間內(nèi)釋放出一個很大幅值的電流脈沖，這些電流（幅值最高可達5 000 A）能夠產(chǎn)生很大的磁場。而這個充磁磁場的磁場強度通常大于永磁材料內(nèi)矯頑力的3～5倍[3]，足夠能量對鐵氧體磁鋼進行高效的充磁達到磁飽和狀態(tài)。

3.3 電機總裝制造工藝

電機總裝配是在裝配好電樞組件、定子組件以及其他如碳刷組件等后進行，目的就是裝配后電機能順暢運轉(zhuǎn)，震動小，噪音低，達到安全性能和電氣各參數(shù)。

總裝配需要的主要設(shè)備是壓裝軸承小型氣壓機及其夾具、轉(zhuǎn)速表、量程DC 0～90 V專用直流調(diào)壓表、電機出廠綜合測試機。

所對應(yīng)的裝配工藝流程如下：檢查電樞組件、定子組件、碳刷組件、前后端蓋、軸承等尺寸和外觀質(zhì)量——在后端蓋固定碳刷盒——電源引出線焊接及電源線盒固定在后端蓋上——分別裝壓滾動軸承進前后端蓋軸承孔——裝配擋圈至轉(zhuǎn)子軸擋圈槽上及熱壓裝軸承墊套至軸承頸上——裝后端蓋組件——裝定子組件——壓裝前端蓋組件——用M5長螺釘穿過定子組件內(nèi)部固定前后端蓋——分別裝進一副碳刷組件——測量碳刷兩端電阻是否符合要求——裝風葉及風葉罩——接通從小至大調(diào)至DC75 V電機試運行——調(diào)整軸向間隙和裝配精度——轉(zhuǎn)速、震動、噪音檢驗及對地耐壓試驗680 V/min——電機出廠測試。

整機裝配式需注意的問題：為了電機整機裝配后轉(zhuǎn)動順暢，便于調(diào)整整機裝配后的軸向間隙和軸向預(yù)緊力，在壓裝軸承至前端蓋軸承孔前，需預(yù)先放置波形墊圈至軸承孔內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對棒球永磁電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、電機各參數(shù)的調(diào)整、電機制造新方法應(yīng)用與新工藝的完善、各關(guān)鍵零部件材料的合理選擇，開發(fā)出壽命長，體積小，扭矩大，適合棒球自動發(fā)球機使用的永磁直流電機，電機產(chǎn)品經(jīng)過三年實際應(yīng)用，效果良好。

［1］陳景華.民用微電機原理與設(shè)計［Z］.電子部21所，1990.

［2］張子忠，王鐵成.微電機結(jié)構(gòu)工藝學［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997.

［3］龔垌.電機制造工藝學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1988.

A Baseball Pitching Machine Permanent Magnet DC Motor Development

ZHOU Jin-tian
（Guangdong Engineering Polytechnic，Guangzhou510520，China）

The permanent magnet DC motor development process on baseball pitching machine，introduced the production of permanent magnetic DC motor is the key equipment and instrument，sums up the manufacturing process of each component of permanent magnetic DC motor armature，stator and assembly，the motor manufacturing technology and production site management personnel to grasp the current permanent magnetic DC motor manufacturing technology.

baseball pitching machine；permanent magnet DC motor；armature；carbon brush

TM351

：A

：1009－9492(2014)12－0215－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.055

周錦添，男，1965年生，廣東新興人，大學本科，高級工程師。研究領(lǐng)域：機械設(shè)計、電機生產(chǎn)系列設(shè)備、電機生產(chǎn)工藝、機電一體化技術(shù)。已發(fā)表論文6篇。

(編輯：王智圣)

2014－07－17