SolidWorks仿真同步機偏心磁極壓板車胎的研究

劉亮

（西安職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安，710032）

0 引言

增安型同步電動機不僅使用安全有保障，過載能力也較強，且其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，能夠在一些危險的場所用來拖動往復式壓縮機，常用于石油、化工、制冷等行業(yè)。增安型同步電動機磁極壓板加工要求較高，其加工質(zhì)量影響著設備的運轉(zhuǎn)性能[1]。磁極壓板腰部兩側(cè)圓弧面是偏心結(jié)構(gòu)的設計，此部分的較高加工精度，是保證磁極磁極線圈與鐵芯之間絕緣層強度的基礎，關乎到工業(yè)使用的安全。隨著科學技術(shù)的發(fā)展與計算機應用軟件的研發(fā)，仿真設計逐漸成為工業(yè)設計生產(chǎn)方面必不可少的環(huán)節(jié)。在SolidWorks三維軟件的仿真設計下，能夠改進同步電機偏心磁極壓板車胎的設計，促進車胎結(jié)構(gòu)以及同步電機的合理性。

1 同步電機偏心磁極壓板結(jié)構(gòu)與工藝

■1.1 同步電動機結(jié)構(gòu)概述

同步電動機有兩種結(jié)構(gòu)，分別是旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式，旋轉(zhuǎn)磁極式的電機結(jié)構(gòu)有著加工工藝簡單、轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕以及電刷和滑環(huán)所需電流較小的優(yōu)勢，因此被大中容量的同步電動機廣泛采用。旋轉(zhuǎn)磁極式又可根據(jù)其中轉(zhuǎn)子形狀的不同，分為隱極式和凸極式，隱極式同步電動機的轉(zhuǎn)子細且長，氣隙較為均勻，多用于轉(zhuǎn)速要求較高的場合，而凸極式同步電機的轉(zhuǎn)子短且粗，氣隙相對不均勻，常常被用于轉(zhuǎn)速要求較低的場合，實際上，凸極式的同步電動機占大多數(shù)。

與其他普通旋轉(zhuǎn)電機一樣，同步電機的組成也是定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動機的定子的主要結(jié)構(gòu)有鐵心、機座和定子繞組。定子鐵心是由薄硅鋼片疊裝組成，此結(jié)構(gòu)能夠有效減少磁滯和渦流損耗，其內(nèi)表面嵌有三相繞組，繞組在空間上呈對稱分布。轉(zhuǎn)子的主要構(gòu)成為滑環(huán)、轉(zhuǎn)軸、鐵心與轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子鐵心不同于定子鐵心，其制作材料為高強度合金，能夠很好的滿足機械強度和導磁性能。為方便啟動，凸極式轉(zhuǎn)子磁極的表面上安裝有黃銅材料制作而成的導條，用銅環(huán)將磁極兩端面的導條連接起來，組成一個籠形啟動繞組[2]。

■1.2 磁極壓板外形結(jié)構(gòu)與工藝分析

磁極壓板外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用ZG270-500鑄鋼制作而成，其中，磁極壓板腰部兩側(cè)的圓弧，其圓心要高出底面十毫米，由此得到向內(nèi)偏心結(jié)構(gòu)的設計，偏心車胎的設計是保證磁極壓板較高質(zhì)量與加工效率的關鍵因素。磁極壓板通常在工業(yè)上是小批量的生產(chǎn)方式，為滿足產(chǎn)品設計理念、加工工藝以及產(chǎn)品質(zhì)量，需設計專用工裝夾具，例如壓板腰部圓弧偏心車胎、底面車胎以及端部圓弧車胎等工裝。

圖1 磁極壓板外形結(jié)構(gòu)圖

以往生產(chǎn)與制作磁極壓板過程中，為達到較高精度，需要采用專用鉆模對磁極壓板進行鉆孔，例如，阻尼環(huán)孔鉆模、拉緊螺桿孔鉆模等，當加工磁極壓板的腰部時，需要使用專用模具對圓弧形進行加工。這樣的磁極壓板加工過程中，不僅要多次使用多種專用車削模具和鉆模，還要嚴格控制產(chǎn)品質(zhì)量，因此造成磁極壓板的加工用時較長，生產(chǎn)成本和模具成本高昂。

一種同步電動機磁極壓板的加工流程：首先是初步成型階段；選擇磁極壓板毛坯件對其鉤面和上、下兩平面作初步處理與加工，留出其他待加工部位；利用磁極壓板的對稱特性，以鉤面為基準，作出垂直中心線；然后上數(shù)控銑床（CNC）進行裝夾與定位，使工件處于機床的正確位置，且加工過程中始終保持原始位置，對拉桿孔進行孔加工、對工件曲面進行銑削加工等；利用數(shù)控銑床對零件剩余部位進行粗銑，之后精銑零件提升產(chǎn)品精度，利用數(shù)控銑床對磁極壓板進行定位與壓緊，以拉桿孔為基準，對磁極壓板的靴部兩端面和腰部兩側(cè)面圓弧形以及斜面進行粗、精銑，最后利用檢驗樣板對磁極壓板進行質(zhì)量檢查。

2 車胎的設計

■2.1 設計思路

利用磁極壓板腰部兩側(cè)呈圓弧形的結(jié)構(gòu)，設計的車胎在其腰部以圓弧中心為軸帶動磁極壓板進行轉(zhuǎn)動，采用水平車銑加工形式的小型數(shù)控臥車，選擇一卡一定的加工工藝，對腰部外側(cè)圓弧進行加工。

■2.2 定位裝置設計

通過上文對磁極壓板的外形結(jié)構(gòu)及加工流程的介紹，車胎部位的設計可選擇“一面二孔”的定位結(jié)構(gòu)，“一面”是指磁極壓板加工完成的底平面，“二孔”指的是磁極壓板端部兩阻尼孔。首先對底胎進行設計，將磁極壓板下底面平放到車胎的底胎平面上對齊，兩個平面的接觸，能夠限制空間上X、Y、Z三個方向的自由度；針對磁極壓板端部的阻尼孔，底胎上可設計定位銷與阻尼孔進行定位，由此，控制Y、Z兩個方向上的自由度；底胎上也有設定削邊銷，其與定位銷配合能夠限制X方向上的位移，從而完成與工件的六點定位設計，確定了工裝內(nèi)工件的裝夾位置，也能夠保障加工過程中工件腰部圓弧半徑與位置等數(shù)據(jù)的一致性[3]。

■2.3 夾緊裝置設計

夾緊裝置的設計能夠防止數(shù)控銑床加工過程中，工件位置發(fā)生變化或者松動，夾緊裝置是對工件的設計與生產(chǎn)過程具有重要影響的裝置，合理、科學的夾緊裝置設計，能夠保證工件的加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本以及提高車間的生產(chǎn)效率等。因此，夾緊裝置在設計上應具備四個基本條件：一，夾緊裝置應能夠?qū)⒐ぜ鞫ㄎ幻孢M行牢固定位，在對工件夾緊時，不能改變工件原本正確的放置位置，在夾緊整個過程中，工件不能產(chǎn)業(yè)移動或者松動的狀況；二，夾緊裝置的力度要合適，盡量避免因夾緊導致的工件變形，不僅要確保加工過程中工件的穩(wěn)定，也要確保夾緊加工過程中工件表面和結(jié)構(gòu)的完整性；三，夾緊裝置的安全可靠性要強，夾緊裝置的設計不僅要具有足夠的夾緊行程，也要具有自鎖功能。四，夾緊裝置要盡量實用、經(jīng)濟、多使用標準化元件。夾緊裝置要能夠迅速、便捷地完成夾緊動作，操作要省時、省力，同時夾緊裝置的設計也要考慮維修的便利性。因同步電動機偏心磁極壓板車胎是一種小型的專用工裝，因此在設計上追求操作便捷，夾緊可靠，對此，可以選擇螺栓夾緊機構(gòu)。在底胎上加工出四個分布均勻的高精度M20-6H的螺紋通孔，用四個壓緊螺栓將工件螺旋壓緊。螺栓夾緊機構(gòu)操作簡單方便，能對工件進行合理夾緊，也不會損壞工件的表面[4-5]。

■2.4 偏心結(jié)構(gòu)設計

從磁極壓板的結(jié)構(gòu)圖中能夠看出，其腰部兩側(cè)R83.1圓弧的圓心不在中軸線，而是高出底面10mm，磁極壓板向內(nèi)偏心結(jié)構(gòu)的設計，使得工件不完全對稱，因此，設計并加工車胎時無法使用兩件工件對稱裝卡，必須要設計偏心車胎單件裝卡才能完成加工制作。因磁極壓板的生產(chǎn)模式為多品種小批量生產(chǎn)，因此選擇小型數(shù)控臥車，采用“一卡一定”工藝進行加工制作。車胎設計圖如圖2所示，圖2(a)中，設計的車胎兩端，分別有一個同軸心圓柱形夾頭，其內(nèi)部有中心孔，以輔助臥車進行“一卡一定”的加工技術(shù)。車胎的底面是已加工面，將此面當作基準面進行設計加工。因磁極壓板腰部兩側(cè)圓弧的中心不在磁極壓板的底部位置，而是向上偏離10mm，因此圖2(b)中，貫穿工件兩端圓柱夾頭的中心軸線，比車胎基準面支撐平面要高出10mm，正好與磁極壓板腰部兩側(cè)圓弧的中心線重合，因此，夾緊裝置夾緊以后，根據(jù)兩端圓柱夾頭就能夠定位出磁極壓板腰部圓弧的中心位置。

圖2 偏心磁極壓板車胎結(jié)構(gòu)圖

3 SolidWorks軟件仿真

■3.1 SolidWorks軟件功能

Solidworks是一種三維機械設計軟件，其組件繁多，功能強大。選擇SolidWorks對同步機磁極壓板車胎進行仿真，能夠很好地對不同的設計方案進行模擬，以提升設計合理性，滿足工業(yè)對磁極壓板車胎的高質(zhì)量要求。其技術(shù)創(chuàng)新與CAD計算機輔助技術(shù)的研發(fā)趨勢相符，SolidWorks不僅功能強大，便于設計，且是一種基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，操作簡便，工程師或者設計人員能夠易學易用。由于使用了Windows的對象連接與嵌入（OLE）技術(shù)、parasolid內(nèi)核、直觀式設計技術(shù)以及與第三方軟件的集成技術(shù)，因此SolidWorks三維機械設計軟件在全球內(nèi)應用非常廣泛。SolidWorks軟件能夠生成車間認可的詳細的工程圖，因此其涉及領域眾多，例如，航空航天、模具、機械、醫(yī)療器械、電子通訊等。在教育領域，每年開設的SolidWorks的培訓課程也越來越多。SolidWorks是完全可編輯的，使用SolidWorks能夠?qū)φ麄€產(chǎn)品進行設計與修改等，且裝配設計、零件設計與工程圖密切相關，當設計人員修改圖紙時，裝置的三維模型、各角度視圖以及裝配體都會隨之自動更新[6-7]。

■3.2 SolidWorks 三維軟件仿真設計

SolidWorks三維軟件具備優(yōu)秀的基于特征的實體建模功能，能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸、旋轉(zhuǎn)、打孔等操作，以完成對同步電機偏心磁極壓板車胎的設計。根據(jù)草圖或者特征進行改動，用簡單的拖拽操作就能對裝置進行實時修改，也能很好地對裝置中復雜的曲面進行設計與修剪、延伸等操作。根據(jù)對定位裝置、夾緊裝置以及偏心結(jié)構(gòu)的設計，我們使用SolidWorks三維軟件對整個夾緊裝置系統(tǒng)進行了模擬仿真，發(fā)現(xiàn)夾緊裝置與工裝等整個系統(tǒng)的質(zhì)量重心位于Z軸方向上且與工裝回轉(zhuǎn)中心向下偏離了2.17mm左右，代表整個系統(tǒng)的重心偏下，質(zhì)量較大的部分為下半部分。

此增安型同步電動機偏心磁極壓板的生產(chǎn)方式為小批量、重復生產(chǎn)，利用小型數(shù)控臥車采用“一卡一定”的技術(shù)進行加工制作。因工件整體的重量分布不均勻，下半部分稍微重一些，如果在工裝回轉(zhuǎn)中心線與整個夾緊裝置重心不同心的現(xiàn)狀下，利用數(shù)控臥車進行高速旋轉(zhuǎn)重復加工制作，會嚴重損害設備的生產(chǎn)制作能力，另外，因裝置重心在Z軸偏下，造成不平衡的現(xiàn)象，因此，高速旋轉(zhuǎn)加工的過程中，磁極壓板腰部兩側(cè)圓弧結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生振動，不利于裝置加工面的粗糙度，嚴重時候會產(chǎn)生顫紋，降低產(chǎn)品的加工質(zhì)量，也會減少刀具的使用壽命[8]。

鑒于三維軟件仿真之后的情況，為提升產(chǎn)品的生產(chǎn)加工質(zhì)量，需要在偏心車胎底面胎體部位適量減輕重量，可在胎體上增加多個去重孔，增多的去重孔的位置，需要與工裝回轉(zhuǎn)中心線對稱，通常，偏心磁極壓板車胎中心線左右兩側(cè)去重孔的位置對稱、直徑大小相同，要保證工裝的整體平衡，以免生產(chǎn)加工過程中，因整個裝置的重心不在中心部位，造成加工偏差，甚至對設備產(chǎn)生損害。增加磁極壓板車胎上去重孔的位置如圖3所示。

圖3 偏心磁極壓板車胎增加去重孔改進圖

因傳統(tǒng)的二維設計軟件，幾乎無法做到工裝回轉(zhuǎn)中心線與整個帶工件的夾緊裝置系統(tǒng)重心同心，因此需要采用先進的SolidWorks三維仿真設計軟件，對整個裝置系統(tǒng)進行仿真設計，建立模型，模擬系統(tǒng)的真實情況，根據(jù)仿真結(jié)果，在保證車胎底胎強度達到要求的情況下，逐步對偏心車胎底面胎體進行修改，增加去重孔數(shù)量或者修改去重孔的直徑大小等，最終設計出合適的同步機偏心磁極壓板車胎光孔尺寸與數(shù)量，達到工裝回轉(zhuǎn)中心線能與整個夾緊裝置重心符合的目標。如今，工業(yè)生產(chǎn)水平的提升離不開計算機技術(shù)以及軟件的應用，將SolidWorks三維仿真軟件技術(shù)應用到工裝夾具的設計過程中，是計算機技術(shù)應用于工裝設計的新思路，SolidWorks三維仿真技術(shù)有著較高的準確性和前瞻性，該技術(shù)在工裝設計中的值得廣泛推廣和采用。

4 結(jié)語

綜上所述，增安型同步電動機在石油、化工等行業(yè)的應用廣泛，同步電機磁極壓板的加工要求較高，偏心車胎是影響同步電機磁極壓板加工質(zhì)量的關鍵因素，其設計結(jié)構(gòu)，以及加工質(zhì)量，都會影響轉(zhuǎn)子動平衡質(zhì)量和磁極絕緣性能，從而對同步電機工作性能造成影響。利用設計完成后的偏心車胎對磁極壓板進行加工制作，生產(chǎn)出的磁極壓板尺寸標準，金加工面粗糙度達標，腰部兩側(cè)的圓弧結(jié)構(gòu)也能達到合格對稱。采用SolidWorks三維仿真軟件能夠很好對工裝夾具進行設計與修改，應大力推廣該仿真技術(shù)對工裝進行設計，從而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)加工質(zhì)量。