磁懸浮儲能飛輪中幾個重要組件的制造

2017-05-13 23:35:40李嚴成喬紅霞

微特電機 2017年4期

李嚴成，喬紅霞

(山東山博電機集團,博山特型電機公司,博山255200)

0 引言

中國的能源資源儲藏總量不足,能源利用率較低。在不斷開發新能源的同時,如何更有效地利用現有的能源,是現在所面臨的重大課題之一。儲能飛輪是將電能、風能、太陽能等能源轉化成飛輪的旋轉動能加以儲存的一種新型的高效的機械裝置。是一種機-電能量轉換與儲存裝置,其工作原理:電動機通過外部輸入電能旋轉,電動機帶動飛輪旋轉,飛輪則將機械能儲存起來,當外部負載需要能量時,飛輪釋放能量,帶動發電機旋轉,將動能轉化為電能。某高校設計了一種磁懸浮儲能飛輪進行樣機試制,飛輪設計額定轉速20 000～25 000 r/min,儲能量270～300 W·h,其支撐系統采用磁懸浮軸承。飛輪轉速很高,傳統的滾動軸承和滑動軸承由于受極限轉速和潤滑條件等的限制都不能滿足需求。磁懸浮軸承是一種新發展起來的利用電磁力使轉子懸浮的高性能非接觸式軸承,與傳統軸承相比,具有轉速高、能耗低、無機械磨損、噪聲小,無潤滑介質、壽命長、控制靈活等一系列突出優點[2]。下面分別對儲能飛輪中的上、下軸向磁軸承定子組件、徑向磁軸承定子組件、電機定子組件在制造過程中的難點進行分析,并詳細介紹解決辦法和使用的工藝裝備。

1 上、下軸向磁軸承定子組件

上、下軸向磁軸承定子組件結構如圖1所示。這個組件要求將繞組線圈繞制成圓環形,嵌入槽內,然后裝配磁鋼組件和磁環。

線圈繞組參數:2×0.25(銅線直徑0.25 mm),800匝。

圖1 上、下軸向磁軸承定子組件

制造難點是繞組內徑、外徑和高度都受到了嚴格的限制,必須小于規定的空間。繞組線徑細、匝數多,要使線圈繞制好后保持如此嚴格的尺寸是非常困難的。首選方案是制造一個繞線骨架,將銅線繞在骨架上,連同骨架一起放入定子座內,這樣可以保證線圈繞好以后形狀不發生改變。但是骨架要占較大的空間,這里的空間不允許,這個方案只能放棄。于是采取第2個方案:設計一套繞線模,如圖2所示,靠繞線模來保證線圈尺寸。

圖2 繞線模

首先要用繞線模繞制一個尺寸合適的線圈。為了保證繞制好的線圈尺寸不發生變化,繞線前先在繞線模Φ91 mm外圓包上一層復合材料6650-0.2(厚度為0.2 mm),尺寸為26 mm×300 mm,線圈按規定的匝數繞好后,在線圈外面再包一層復合材料6650-0.2,將內、外2層復合材料與線圈繞組一起從繞線模具上取下,一定要小心不能將繞組弄亂,然后用復合材料6050-0.05(厚度為0.05 mm)將線圈繞組與內、外2層復合材料一起完全包覆,不允許有銅線外露。內、外2層復合材料6650-0.2既有絕緣作用又起到為線圈繞組定型的作用,比線圈骨架占據的空間也小得多。在用復合材料6050-0.05包覆過程中,必須很好地控制綁扎的松緊程度,綁得過松,會使線包尺寸過大;綁得過緊,線包尺寸就會變小,都不能放入定子座的槽中,要綁得松緊適中才可以。裝配時預先用復合材料6650-0.2剪一個圓環放入槽底,尺寸為Φ90 mm×Φ104 mm,然后嵌入綁好的線包。線包嵌入槽內以后如果有高出定子座的部位,可以用竹棒輕輕敲擊高點,使線包低于槽口平面。然后將磁鋼組件放入定子座,套入磁環。引出線與定子座接觸的位置套入硅橡膠玻璃纖維軟管,以免引出線與定子座接觸,損傷引出線。至此上、下軸向磁軸承定子組件完成。

2 徑向磁軸承定子組件

徑向磁軸承定子組件如圖3所示。這個組件有上、下兩個定子疊層,每個釘子疊層上安裝4個線圈繞組,并要控制外形尺寸。綜合分析這個組件有兩個制造難點。第一個難點是定子疊層的制作。定子疊層由定子疊片噴膠粘接而成,定子疊片的材料為軟磁合金帶1j50 0.1GBn198,材料厚度0.1 mm,要求雙面噴膠X98-11,膠層厚度不能大于0.1 mm,關鍵是厚度要均勻。如何在軟磁合金上噴涂一層既薄又均勻的膠層是制造的難點。如果膠層厚度不均勻,經多片疊加后就不能很好地控制粘接厚度14.5±0.1 mm。經多方嘗試,終于在磨床上解決了這個問題。將涂好膠的定子疊片平放在磨床的工作臺上,磨削膠層,這樣就可以使膠層厚度薄而均勻,達到尺寸要求。

這個組件制作的第2個難點是線圈繞組的制作和控制外形尺寸。如圖3所示,線圈的裝配空間非常小,高度要小于4 mm,嵌好線以后外形直徑要小于Φ84.4 mm。線圈繞組的形狀要呈圓弧形與定子疊層吻合。由于空間有限,線圈的長度和寬度必需嚴格限制,線圈形狀還是要靠繞線模來控制。首先計算出線圈的周長,設計一個繞線模,繞制出尺寸合適的線圈。繞線模如圖4所示。

圖3 徑向磁軸承定子組件

圖4 繞線模

線圈繞組參數:2×0.25(銅線直徑為0.25 mm),100匝。用繞線模在繞線機上繞好線圈,用無緯綁扎帶將線圈完全包覆,不允許有銅線外露。掌握好包扎的松緊程度,不可過松也不可過緊。用一個較小的圓柱將線包壓成弧形。嵌線之前先要銼修定子疊層,外形所有銳角倒鈍R0.5 mm。銼修完成后嵌入線包。用竹棒輕敲線包外形,使線包與定子疊片很好地貼合,既要控制線包高度不能大于4 mm,又要控制外圓直徑小于Φ84.4 mm。形狀基本合格后用綁扎線延圓周方向把周邊4個線包和定子疊層綁扎在一起。綁扎好后再次修整外形尺寸使其符合圖紙要求。然后放在真空浸漆爐中浸CH1140-CP無溶劑浸漬樹脂。至此徑向磁軸承定子組件完成。

3 電機定子組件

電機定子組件如圖5所示。這個定子組件的特別之處是嵌線方式與普通電機完全不同,普通電機的定子是將線圈嵌入定子鐵心的槽中,而這個定子是將線圈嵌在電機骨架的外圓面上。電機骨架如圖6所示。首先要計算定子線圈的尺寸以便制造繞線模,線圈節距為1-4,線圈寬度要大于2個槽的弧長L,L=2πD/12+1.5=45.46 mm,取整數為 46 mm。線圈寬度要大于11 mm,取12 mm。線圈圖如圖7所示。

圖5 定子組件

圖6 電機骨架

圖7 線圈

該骨架的12個槽是在外圓的圓周上,就相當于把線圈貼在骨架的外圓面上。用普通的嵌線方法根本無法操作,不借助外力線圈就會從外圓面脫落,必須有專門的工裝將嵌入的線圈逐個固定才能使嵌線過程繼續。為此專門設計的嵌線工裝如圖8所示。嵌線工裝由模板1和模板2組成。將導磁環疊層裝入電機骨架內,放入模板1和模板2之間,用螺母緊固。將線圈逐個嵌入,每嵌入線圈的一邊,就插入槽楔將其壓住。12個線圈全部嵌好以后,要延圓周方向用綁扎線系牢,以免拆下工裝以后線圈脫落。拆除工裝之前要對外圓進行認真整形,嚴格控制外圓尺寸不大于Φ84.2 mm。拆除工裝以后用綁扎線將線圈的端部綁扎,同時放入霍爾元件一起綁扎牢固。綁扎完成后對外形再次整形,使尺寸符合圖紙要求。

嵌線完成后還要灌膠,周邊12個槽沒有銅線的空間必須要用膠填滿,使銅線和骨架完全成為一個整體。12個槽嵌好線以后幾乎就變成了12個獨立的空間,要使膠分別灌入12個槽中就要有12個澆口。灌膠工裝如圖9所示。灌膠工裝做成分體式,由2個半圓組成。把嵌好線的組件放在灌膠工裝的中部,將工裝Φ1.5 mm的小孔對準組件周邊槽形的空檔處,用螺釘將工裝的兩半緊固,裝配底板和O形圈,防止膠泄露。將膠灌入12-Φ5孔中,膠通過Φ1.5 mm的小孔流入組件的空隙之中。當空隙逐漸被填滿以后,Φ5 mm孔里的膠面不再下降。放入烘箱中將膠烘干。待冷卻后拆除工裝。由于有工裝保證,組件的外圓尺寸得到了很好的控制。