一種永磁同步電動機合裝機構的研究與應用

蘇立國

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110169）

0 引言

近年來，隨著新能源電動汽車產業的迅速發展，國內各大汽車企業主機廠和配套供貨商開始主動尋求產業方向轉型，由傳統的內燃機生產為主轉換為新能源電驅動單元生產。作為新能源汽車驅動單元最主要的模塊之一，驅動電動機的研發和批量生產成為一個重要的研究課題。永磁同步電動機具有損耗小、效率高和功率因數高等一系列優點[1]，在目前追求高性能的電動汽車產業中逐步受到青睞, 成為越來越多的電動汽車生產企業的首選配套單元。由于永磁同步電動機磁鋼偏心磁拉力大，定子和轉子合裝時容易出現磁鋼刮擦等情況，對電動機性能影響較大[2]，因此裝配工藝與生產設備研究成為永磁同步電動機流水線生產中的關鍵問題。針對此種背景，本文基于國內某新能源汽車配套主機廠生產企業的永磁同步電動機產品特性及裝配要求，設計了一套該類型永磁同步電動機專用裝配機構，經過測試驗證，最終成功應用在某型號電驅動單元自動化生產線。

1 永磁同步電動機合裝機構的設計

國內某新能源汽車配套主機廠生產企業計劃建設一條電動汽車驅動單元的裝配線，該驅動單元裝配線包括減速箱、驅動電動機和控制器三大部分的組裝，其中驅動電動機為永磁同步電動機，來料狀態為零部件來料，在線組裝。

1.1 工藝分析

該款驅動單元結構如圖1所示。

圖1 某驅動單元結構剖視圖

通過該驅動單元結構剖視圖可以發現，電動機轉子分總成兩端的支撐軸承分別安裝在定子后端蓋和減速箱殼體上，減速箱殼體上的軸承起到支撐作用，所以定子和轉子的合裝過程需要與減速箱結合在一起。由于定子和轉子為圓周對稱結構，根據電磁學的知識可知，如果安裝過程中定子和轉子絕對同心，則轉子對定子的相吸力實現動態平衡，此時偏心磁拉力為0；但是，定子和轉子無法實現理論上的絕對同心，它們彼此的中心線會有一定的偏離，則此時會產生偏心磁拉力，中心線偏離越大，單邊磁拉力越強，轉子便越易向相近的一方相吸。通常情況下，在定子和轉子合裝過程中，為了減小中心線偏離幅度和抵抗定子和轉子的偏心磁拉力，會通過兩端頂針的方式將轉子導向安裝到定子腔體內。但是該產品安裝轉子軸承的減速箱殼體另一端是封閉的，不是通孔，所以無法使用兩端頂針的安裝方式。基于該種產品結構特性，規劃裝配工藝路線為：1）將轉子分總成與減速箱合裝；2）將定子分總成與轉子分總成和減速箱總裝到一起。工藝流程如圖2所示。

圖2 驅動單元裝配工藝流程圖

其中，裝配過程具體參數和要求如下:1）定子和轉子之間的氣隙為0.8 mm；2）電動機轉子軸與端蓋軸承之間為間隙配合（H7/g6）；3）定子殼體與減速箱殼體之間止口為過盈配合，需要勻速合裝到位，禁止中間有停頓、卡滯等情況，裝配壓裝力大約為1000 N左右；4）為了控制產品質量，定子殼體和減速箱殼體合裝到位的過程需要實現力和位移監控。

1.2 方案設計

根據該產品結構特點和裝配工藝要求，為了消除自身重力對裝配過程不穩定性的影響[3]，采取垂直方式的裝配方案，設計了圖3所示的裝配機構。

1）定位機構。定位機構采用一面兩銷的支撐方式，實現減速箱和轉子分總成的精確定位，保證定子分總成和轉子分總成的同軸度要求。2）浮動機構。浮動機構同樣采用一面兩銷的方式，實現定子分總成在浮動機構上的精確定位，定子分總成通過快擰螺栓固定在浮動機構的安裝板上。兩端支撐氣缸的推力抵消浮動機構自身重力，夾緊氣缸保證安裝板與浮動機構緊密貼合在一起；浮動機構可以沿著直線滑軌做垂直運動。3）導向機構。導向機構固定在壓裝機構的支架上，導向氣缸推動導向桿穿過壓裝機構的導向套筒，保證定子分總成和轉子分總成的同軸度，導向桿下端壓緊在轉子軸的錐形孔內，實現穩定轉子分總成的目的。4）壓裝機構。壓裝機構為整套機構的動力源，頂部伺服電動機轉動，通過絲杠和直線滑軌帶動壓裝機構沿垂直方向運動。壓裝機構的向下運動推動浮動機構向下運動，完成定子和轉子的合裝。壓裝機構在垂直運動過程中，導向套筒和定子分總成上端面保持一定的距離，隨著壓裝深度的增大，定子和轉子的偏心磁拉力也逐漸變大，而導向桿的有效長度在變短，這樣能夠更有效地抵抗偏心磁拉力造成的撓度變形。

該合裝機構設計的關鍵點是導向機構是否能夠抵抗定子和轉子合裝過程中的偏心磁拉力，避免定子繞組和轉子磁鋼之間的刮擦。通過理論分析，將圖3中的導向機構和浮動機構簡化為圖4所示的力學模型。

圖4 導向機構和浮動機構力學模型圖

在定子和轉子合裝前，導向桿頂端可以簡化為固定支撐，導向桿總長度為300 mm，定義為L3，隨著定子下行，定子和轉子合裝長度L2逐漸增加，最大極值為L1，也就是140 mm；此時導向桿的力學模型有效長度為L=L3-L2,則偏心磁拉力計算公式[4]為

式中：F為偏心磁拉力；β為常數，此處取值0.475；D為轉子磁鋼外徑；B為氣隙磁密；L2為定子和轉子重疊的有效長度；δ為電動機氣隙；θ為機構初始偏心量。

此時導向桿為懸臂梁模型，根據懸臂梁撓曲線微分方程[5]得最大撓度值的計算公式為

式中：W為導桿端部的撓度值，F為偏心磁拉力，E為彈性模量，I為慣性截面系數，L為導桿的有效長度。

則導向桿端部的撓度的計算公式為

根據定子的軸承孔結構參數，導向桿直徑最大值為20 mm。經過式（3）求解，L2為100 mm時取極大值，也就是定子和轉子重疊100 mm時，導向桿端部撓度值最大，代入數值計算：

那么定子和轉子合裝過程中在偏心磁拉力作用下最大的偏移值為機構初始偏心量和偏心磁拉力作用下的撓度值之和，也就是1.68θ，在該值小于電動機氣隙δ的情況下（即1.68θ<δ），理論上定子繞組和轉子磁鋼就不會發生刮擦。本產品中，電動機氣隙值為0.8 mm，所以得θ<0.47 mm。

根據該合裝機構的結構特性及考慮裝配累計誤差，定子和轉子合裝機構初始偏心量可以控制在0.12 mm以內，所以理論上該合裝機構滿足定子和轉子的合裝要求。

1.3 電氣控制

在實際生產中，設備的裝配動作順序需要嚴格按照工藝流程執行，同時需要實時監控生產過程中重要的工藝參數，所以電氣控制系統主要分為兩層：執行層和監控層。

執行層主要功能為：PLC通過邏輯程序控制氣缸、伺服電動機的啟動與停止，并將信息通過HMI和三色塔燈輸出給操作者，實現人機交互，完成整個裝配流程，如圖5所示。

圖5 裝配流程圖

監控層需要通過傳感器采集裝配過程的實時數據，并經過處理分析，判斷出設備的生產狀態和產品質量。通過伺服電動機的閉環反饋，來監控定子外殼和減速箱外殼接觸前的合裝流暢性；通過壓力傳感器和位移傳感器采集定子外殼和減速箱外殼接觸后壓裝過程數據，用該數據反饋合裝質量。為了達到最終“勻速壓裝到位”的要求，采用位控壓裝的方式，也就是將位移設為定值的前提下，監控壓力值變化情況，以定義最終產品質量[6]。如圖6所示，力-位移曲線的斜率代表了壓裝過程的平穩性，需要限制在一定范圍內；力-位移曲線折點代表已經壓裝到位，位移不再增加，而壓裝力突然增大，但是在控制系統的作用下，伺服電動機會迅速停止，不再增大壓力，也代表著壓裝過程的結束，最終的壓力值需要控制在F1以下。

圖6 合裝過程力-位移監控曲線圖

2 測試驗證

為了驗證該合裝機構的功能性和可靠性，設置了測試方案。測試方案分為兩步：第一步為實驗驗證，主要驗證定子和轉子合裝過程是否存在刮擦情況；第二步為測試臺驗證，主要通過驅動單元整體的性能測試來檢驗裝配過程的可靠性。

2.1 實驗驗證

1）驗證方法。將2個轉子分總成表面噴涂一層薄薄的紅色涂料，用該合裝機構按照工藝操作流程完成普通定子和“紅色轉子”合裝，然后通過拆卸機構將定子和轉子拆分，觀察“紅色轉子”表面是否有磨損痕跡。如此重復操作5次，完成總計10臺份的合裝實驗。2）驗證結果。10臺份的合裝實驗所用的噴有紅色涂料的轉子表面均沒有發現刮擦痕跡。

2.2 測試臺驗證

1）驗證方法。將該設備用于生產線中（如圖7），按照工藝流程試生產產品。將下線產品運送到測試臺進行100%的綜合性能測試，測試樣本容量為一個7 d生產周期內生產的總計850臺產品。2）驗證結果?？傆嫓y試的850臺下線產品，綜合性能全部合格，符合產品質量要求。

圖7 合裝機構在生產線中的應用

3 結論

1）本文分析了永磁同步電動機定子和轉子合裝過程中的難點問題，結合客戶產品結構特性，規劃了合理的裝配工藝流程。2）設計了一款可以用于客戶特定產品的合裝工裝，經過理論計算，在合裝機構初始偏心量小于0.12 mm的情況下完全滿足裝配要求。3）經過實驗和測試臺驗證，合裝機構性能可靠，成功應用于電動汽車電驅動單元生產線。