SolidWorks仿真同步機偏心磁極壓板車胎的研究

劉亮

（西安職業技術學院，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，且其功率因數可以調節，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。增安型同步電動機磁極壓板加工要求較高，其加工質量影響著設備的運轉性能[1]。磁極壓板腰部兩側圓弧面是偏心結構的設計，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，關乎到工業使用的安全。隨著科學技術的發展與計算機應用軟件的研發，仿真設計逐漸成為工業設計生產方面必不可少的環節。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，促進車胎結構以及同步電機的合理性。

1 同步電機偏心磁極壓板結構與工藝

■1.1 同步電動機結構概述

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

與其他普通旋轉電機一樣，同步電機的組成也是定子和轉子兩大部分，旋轉磁極式同步電動機的定子的主要結構有鐵心、機座和定子繞組。定子鐵心是由薄硅鋼片疊裝組成，此結構能夠有效減少磁滯和渦流損耗，其內表面嵌有三相繞組，繞組在空間上呈對稱分布。轉子的主要構成為滑環、轉軸、鐵心與轉子繞組，轉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，凸極式轉子磁極的表面上安裝有黃銅材料制作而成的導條，用銅環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 磁極壓板外形結構與工藝分析

磁極壓板外形結構如圖1所示，使用ZG270-500鑄鋼制作而成，其中，磁極壓板腰部兩側的圓弧，其圓心要高出底面十毫米，由此得到向內偏心結構的設計，偏心車胎的設計是保證磁極壓板較高質量與加工效率的關鍵因素。磁極壓板通常在工業上是小批量的生產方式，為滿足產品設計理念、加工工藝以及產品質量，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 磁極壓板外形結構圖

以往生產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，還要嚴格控制產品質量，因此造成磁極壓板的加工用時較長，生產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；利用數控銑床對零件剩余部位進行粗銑，之后精銑零件提升產品精度，利用數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呈圓弧形的結構，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動，采用水平車銑加工形式的小型數控臥車，選擇一卡一定的加工工藝，對腰部外側圓弧進行加工。

■2.2 定位裝置設計

通過上文對磁極壓板的外形結構及加工流程的介紹，車胎部位的設計可選擇“一面二孔”的定位結構，“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據的一致性[3]。

■2.3 夾緊裝置設計

夾緊裝置的設計能夠防止數控銑床加工過程中，工件位置發生變化或者松動，夾緊裝置是對工件的設計與生產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量、降低生產成本以及提高車間的生產效率等。因此，夾緊裝置在設計上應具備四個基本條件：一，夾緊裝置應能夠將工件各定位面進行牢固定位，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，工件不能產業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定，也要確保夾緊加工過程中工件表面和結構的完整性；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。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 偏心結構設計

從磁極壓板的結構圖中能夠看出，其腰部兩側R83.1圓弧的圓心不在中軸線，而是高出底面10mm，磁極壓板向內偏心結構的設計，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。因磁極壓板的生產模式為多品種小批量生產，因此選擇小型數控臥車，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，其內部有中心孔，以輔助臥車進行“一卡一定”的加工技術。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圓弧的中心線重合，因此，夾緊裝置夾緊以后，根據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構圖

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，滿足工業對磁極壓板車胎的高質量要求。其技術創新與CAD計算機輔助技術的研發趨勢相符，SolidWorks不僅功能強大，便于設計，且是一種基于Windows開發的三維CAD系統，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、parasolid內核、直觀式設計技術以及與第三方軟件的集成技術，因此SolidWorks三維機械設計軟件在全球內應用非常廣泛。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能夠對整個產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三維軟件具備優秀的基于特征的實體建模功能，能夠實現拉伸、旋轉、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。根據對定位裝置、夾緊裝置以及偏心結構的設計，我們使用SolidWorks三維軟件對整個夾緊裝置系統進行了模擬仿真，發現夾緊裝置與工裝等整個系統的質量重心位于Z軸方向上且與工裝回轉中心向下偏離了2.17mm左右，代表整個系統的重心偏下，質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方式為小批量、重復生產，利用小型數控臥車采用“一卡一定”的技術進行加工制作。因工件整體的重量分布不均勻，下半部分稍微重一些，如果在工裝回轉中心線與整個夾緊裝置重心不同心的現狀下，利用數控臥車進行高速旋轉重復加工制作，會嚴重損害設備的生產制作能力，另外，因裝置重心在Z軸偏下，造成不平衡的現象，因此，高速旋轉加工的過程中，磁極壓板腰部兩側圓弧結構會產生振動，不利于裝置加工面的粗糙度，嚴重時候會產生顫紋，降低產品的加工質量，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，為提升產品的生產加工質量，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，需要與工裝回轉中心線對稱，通常，偏心磁極壓板車胎中心線左右兩側去重孔的位置對稱、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

因傳統的二維設計軟件，幾乎無法做到工裝回轉中心線與整個帶工件的夾緊裝置系統重心同心，因此需要采用先進的SolidWorks三維仿真設計軟件，對整個裝置系統進行仿真設計，建立模型，模擬系統的真實情況，根據仿真結果，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量，達到工裝回轉中心線能與整個夾緊裝置重心符合的目標。如今，工業生產水平的提升離不開計算機技術以及軟件的應用，將SolidWorks三維仿真軟件技術應用到工裝夾具的設計過程中，是計算機技術應用于工裝設計的新思路，SolidWorks三維仿真技術有著較高的準確性和前瞻性，該技術在工裝設計中的值得廣泛推廣和采用。

4 結語

綜上所述，增安型同步電動機在石油、化工等行業的應用廣泛，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量的關鍵因素，其設計結構，以及加工質量，都會影響轉子動平衡質量和磁極絕緣性能，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，生產出的磁極壓板尺寸標準，金加工面粗糙度達標，腰部兩側的圓弧結構也能達到合格對稱。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對工裝進行設計，從而提高產品的生產加工質量。