管狀電機的改進設計與轉速分析

周錦添

(廣東工程職業技術學院，廣州 510520)

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管狀電機的改進設計與轉速分析

周錦添

(廣東工程職業技術學院，廣州 510520)

介紹了在研發過程中3種類型管狀電機的主要性能參數，闡述了組成管狀電機的旁磁制動電動機、三級行星齒輪減速器、機械雙旋轉行程定位記憶開關3個主要部件的結構特點，并總結了在研制過程中確定各零件所使用的各種材料。同時應用運動簡圖分析方法，確定3種管狀電機速度的計算方法，指導管狀電機生產廠家調整技術參數，以便用戶獲得精確的電機輸出速度。

管狀電機；鼠籠鑲鑄制動磁極；減速器；運動簡圖

0 引 言

近些年，管狀電機的生產及應用在國內得到迅速發展，尤其在浙江、廣東兩省，產量累計每年幾百萬臺，產品大部分以出口為主。管狀電機在日常工作、生活中經常應用，在家庭中使用的窗卷簾，在辦公場所中使用的投影屏幕，在智能家居中使用的卷閘門、遮陽棚等，這些產品均用到管狀電機。它的主要功能就是為這些門窗、投影屏幕、卷閘門、遮陽棚等提供動力。此外，管狀電機還有一個功能就是在提升或下降過程中，實現行程的自動定位及制動。現有管狀電機主要存在行程定位不正確(俗稱走位)、減速器噪聲大(噪聲值大于52 dB)、電機提升力矩和制動力較小、由于傳統的結構設計原因導致的制造工藝復雜等技術缺陷。

1 管狀電機總體構造及其技術參數

1.1 管狀電機總體構造

管狀電機從構造來看，實際就是由輸出端的一臺三級行星齒輪減速器、連接減速器的動力源旁磁制動單相異步電動機以及末端的精確定位的機械雙向行程定位記憶開關3個主要部分組成，并依次內裝在一根細長型的圓型鋼管內，引出電源線后形成整體組合體。某35型管狀電機產品實物如圖1所示，其特點是結構緊湊、體積較小、轉矩較大、噪聲較小、隱蔽性好、使用方便。

圖1 35型管狀電機實物圖

1.2 管狀電機主要種類及其技術性能參數

目前在應用上主要有3種不同尺寸的管狀電機，直徑分別為Φ35 mm、Φ45 mm和Φ60 mm，以此命名為35型、45型和60型，其主要技術參數如表1所示。它們的輸出扭矩、輸出轉速、功率、旋轉最大定位計數圈數等主要參數各異。

表1 3種型號管狀電機主要技術參數

2 管狀電機設計的新型結構

管狀電機設計上有三大新型結構，分別為采用長型旁磁制動單相異步電機、高減速比三級行星齒輪減速器、機械雙向旋轉行程定位記憶開關。

2.1 采用長型旁磁制動單相異步電機設計[1]

由于中英文在語言形式、語序結構、表達方式等方面存在較多差異，而合同中又常常使用長句來使得語義更加明確，因此在翻譯長句時，常常出現邏輯混亂、語意不明的情況。這是因為中文結構在形式上較為松散，主要靠語義銜接，而英文更重視嚴密的邏輯關系和形式上的連接。在進行英譯漢長句處理時，則經常打破英文行文的原有順序，進行形式調整，以追求中文譯文的準確、自然、流暢。在這些操作中，稍有不慎，就可能出現語句邏輯不清晰甚至混亂，造成譯文讓人感到費解的情況。因此，復雜長句的處理需要反復斟酌，慎之又慎，把每個成分之間的關系徹底理清再開始翻譯。

經過縝密調研和市場的需求分析，管狀電機其中一部件均采用兩極旁磁制動單相異步電動機，設計的三維圖如圖2所示。正反轉速均為2 800 r/min，電機采用短時間歇工作制，最大連續工作時間為4 min，電動機定子繞組設計成主副繞組匝數相同。根據其應用場合短時工作、電動機頻繁起動和大扭矩輸出的工作特點，電動機容易過熱，因此，電動機絕緣材料如漆包線、絕緣漆和絕緣槽紙等均采用F絕緣等級，定子繞組內還需埋裝熱保護器，防止繞組過熱燒毀。

圖2 旁磁制動單相異步電動機三維圖

管狀電機使用中頻繁提升重物，為防止提升重物后物體墜落，設計必須采用制動結構，經過多個方案的比較，最終采用機構簡單、成本低、制動可靠安全的內置式旁磁制動結構。這種制動形式為電磁失電彈簧張力制動式。制動原理為在通電后，電動機轉動時，所產生的電磁力帶動鼠籠轉子及制動磁極轉動，由于磁力吸合磁靴的作用，制動滑塊克服了彈簧的張力，與制動磁極吸合，此時彈簧為壓縮狀態，制動滑塊與剎車摩擦片不接觸；但在電動機定子失電后，制動磁極和制動滑塊之間的電磁吸力消失，制動滑塊在彈簧的張力推動下向外移動，與剎車摩擦片接觸，實現制動[2]。旁磁制動三維結構如圖3所示，產品實物如圖4所示。

圖3 旁磁制動結構三維圖

圖4 旁磁制動結構實物圖

制動磁極為圓盤狀，分布著數個獨立磁靴，定子鐵心長度比鼠籠式轉子鐵心長度多出一個制動磁極距離。制動磁極與鼠籠式轉子同時鑄出，就在轉子鐵心比定子鐵心短的這塊區域，與鼠籠轉子疊壓在一起。而制動彈簧安裝在鼠籠式鑄鋁轉子與制動滑塊之間，并套進電機軸處于轉子中心處，在電機剎車制動時起提供制動張力的作用。制動磁極前方為制動滑塊和剎車摩擦片，剎車摩擦片依靠固定座固定。

這種新型的制動結構，我們稱之為轉子鼠籠鑲鑄制動磁極。與傳統制動磁極的制造方式不同，傳統鼠籠轉子鐵心和制動磁極由兩種不同材料制造，其中轉子鐵心用硅鋼片、制動磁極用導磁性高的材料獨自制造成磁靴，兩者分別制造后再與制動彈簧等零件組裝成一體。而這種創新機構的制動磁極直接采用轉子鐵心片疊加而成，并疊成磁極需要的一定長度，不再需要另外加工數個獨立的磁靴，它是利用鐵心片的轉子槽分隔開的自身鐵心片經過加工后作為獨立的磁靴，在轉子鐵心片與磁極鐵心片之間還需放置沖壓而成的鋁合金薄片，鋁合金薄片鑄造后熔成鼠籠轉子的一端鋁環，在鑲鑄時將轉子鐵心片、鋁合金薄片和磁極鐵心片依次用一支假軸通過各自中心孔組裝成一體，并一道采用離心鑄造方法鑄成。最后，采用車削加工，把磁極鐵心片內外連接的材料切除掉，這樣磁極鐵心片被加工成互不相連接的并由轉子鐵心槽分割開的小片，形成數個獨立磁靴。獨立磁靴切削加工前后比較圖如圖5所示。這種結構設計獲得實用新型專利，它不需外置制動裝置，旁磁磁場強度高，制動力大，結構簡單，制造工藝特別簡單，成本低，旁磁制動效果好。

圖5 形成的獨立磁靴切削前后比較圖

2.2 采用高速比三級行星齒輪減速器的設計

以35型管狀電機為例，經調研定型減速器主要性能參數：減速器輸出轉速為nout=28 r/min，傳動轉速比為i≈98，其輸出最大轉矩為T=3 N·m，外徑Φ為34 mm。三維設計圖如圖6所示。

圖6 行星齒輪減速器三維圖

應用場合要求傳動比大，承載能力強，結構緊湊，體積小，因此宜采用三級行星齒輪減速結構。根據行星齒輪傳動的傳動特點和型式，把一、二、三級行星輪系的傳動比[3]初定分配為i1級∶i2級∶i3級=7∶3.5∶4。每一級行星齒系均為主動輪是太陽輪，內齒圈固定，從動是行星架的裝置，因內齒圈固定，屬于減速傳動。這種減速器設計出行星架滑槽與行星齒輪轉軸的向心滑槽創新結構，而不是采用已有技術行星架圓柱孔與行星輪圓柱軸的配合。這種結構設計與已有的設計不同，每一級行星架與行星輪軸的配合型式采用滑槽配合型式，即行星架加工出均勻分布的3條徑向滑槽，而行星輪軸兩端圓柱頭銑削加工出對稱扁形形狀，這樣使得安裝著行星輪的行星輪軸就可以沿著徑向在運轉過程中自由浮動，補償了由于加工尺寸精度誤差引起的嚙合間隙，能大幅降噪減震。內部結構三維圖如圖7所示。

圖7 行星架與行星齒輪轉軸的向心滑槽創新結構三維圖

這樣的設計，對于各級的行星輪系來說，在各級行星架內的行星齒輪轉軸處，設計出2個自由度、1個約束的徑向向心滑槽創新結構。不再采用傳統的1個自由度、2個約束的圓柱孔結構。各級行星齒輪的轉軸均與相應的各級行星架的徑向滑槽各自配合，并安裝于各級行星架上，如圖7所示。由于所有的行星齒輪轉軸與行星架均采用了徑向向心結構，轉動時行星架能自動浮動，自動消除間隙，并校正偏心，補償了尺寸誤差，并減少了由于行星架偏垂、偏心產生的徑向跳動，保證了運轉精度，降低了運轉噪聲和振動，噪聲測試低至42 dB。三級行星齒輪減速器三維爆炸圖如圖8所示。這種創新結構，獲得了實用新型專利[4]。

圖8 三級行星齒輪減速器三維爆炸圖

2.3 采用專用機械雙向旋轉行程定位記憶開關設計

圖9 行星齒輪減速器三維實體爆炸圖

開關初次使用前的準備：將機械雙向旋轉行程定位記憶開關組裝于管狀電動內，并連接需管狀電機驅動的產品圓筒上，將外信號輸入內齒圈的凸鍵套裝上圓筒末端的鍵槽上。接著調節電機端頭上的兩個蝸桿，旋動其中一個絲母，使其與其中一個開關觸動塊觸碰，致使微動開關觸頭壓下接通，另一個蝸桿也需調節，使其絲母旋至行程距離所需位置。

開關的動作流程：當接通電源電機轉動后，圓筒就轉動，利用凸鍵帶動外信號輸入內齒輪圈旋轉，通過嚙合驅動著兩根齒輪桿轉動，其上的左右旋絲母亦隨之移動。由于兩根左右旋向絲桿的螺旋方向相反，必然驅使兩個左右旋絲母相背或相向移動。原先與觸動塊觸動的絲母將后移，另一個絲母則前移。當另一個絲母前移至觸動塊并壓住另一個微動開關觸頭時，電源切斷，電機與圓筒停止轉動。當電機再次啟動后，由于控制線路改變，電機反轉，圓筒又跟著轉動，隨后的開關動作如上述一樣，如此循環，便可實現圓筒行程自動控制。在使用過程中，如需設置行程上限和下限的位置，只需分別調節蝸桿，調節兩個絲母的相對縱向距離，就可控制卷簾上下位置。

這種新型雙絲桿雙向設計已獲實用新型專利[5]。這種新型雙絲桿比原有的單絲桿設計行程長，且開關體積小，能套進管狀電機內部，并不需外接行程開關，具有隱蔽性好、行程調節容易、圓筒安裝方便等優點，解決了現有單絲桿設計的功能缺陷。

2.4 管狀電機零件所使用材料的特點

管狀電機3個主要部件在選材上也與傳統考慮不同，主要的3個部件旁磁制動單相異步電動機、三級行星齒輪減速器、機械雙向旋轉行程定位記憶開關所選用的材料多采用粉末冶金零件和強度較高耐高溫的塑料。減速器初級行星輪首創采用了新型材料彈性體塑料，達到了降噪減震、壽命長的效果。經過試驗，確定三主要部件的材料如表2～表4所示。

表2 三級行星齒輪減速器零件材料表

表3 旁磁制動單相電動機材料表

表4 雙向行程定位記憶開關材料表

3 60型管狀電機轉速的分析計算

3.1 60型管狀電機運動簡圖及其速度分析計算

60型管狀電機減速器為2K-H(NW)行星齒輪傳動型式[6]，電機轉子齒輪軸設定為主動太陽輪，行星架為輸出從動裝置，內齒圈固定，屬于減速傳動，其運動結構剖面簡圖如圖10所示。

圖10 60型管狀電機傳動運動簡圖

圖10中，a—k為各齒輪符號，根據2K-H(NW)型行星齒輪傳動的常用傳動型式、特點和齒數選配方法，確定各齒輪的齒數如表5所示。

表5 60型管狀電機2K-H(NW)型減速器各齒輪齒數

由計算及選用模數原則，一級減速內齒輪均采用同一小模數m=0.9 mm的變位齒輪，二級、三級內外齒輪均采用統一小模數m=1 mm的變位齒輪。一級傳動的行星輪設計 成雙聯齒輪，它為2K-H(NW)型內外嚙合方式，二級、三級為常見的2K-H(NGW)型[6]，它們具有公用行星輪的嚙合方式，因此管狀電機輸出速度為nout，其輸出速度按如下式(1)計算，其中iak為減速器總傳動比，iae為第一級傳動比，ieh為第二級傳動比，ihk為第三級傳動比，n電機為旁磁制動單相異步電動機輸出速度。管狀電機輸出速度nout計算過程如下：

(1)

因此，iak=iae×ieh×ihk=231.43。

若n電機=2 800 r/min，則管狀電機輸出軸轉速nout=12.1 r/min。

3.2 35型和45型管狀電機運動簡圖及其速度分析計算

由于35型和45型管狀電機傳動型式、安裝方式和傳動原理相同，均為2K-H(NGW)行星齒輪傳動型式，它們只是齒輪齒數、模數和變為系數等不相同，因此，它們的也可分析其傳動簡圖后，其三級減速器每一級的速比iac計算方法可按式(2)得出，其中za為太陽輪齒數，zc為內齒輪齒數，這里不再詳細分析。

(2)

4 結 論

管狀電機包含零件數量達90種之多，大部分采用塑料注塑成型和粉末冶金壓制而成，零件尺寸小，要求尺寸精度高至IT7，而且管狀電機的設計是短時工作制，運轉溫度最大至攝氏145°C，為了保證零件精度和變形量更小，保障運轉平穩，降低運轉噪聲，我們在研制過程中，創造性地設計了行星齒輪減速器的行星架與行星輪軸向心滑槽結構，且十多次改變了設計方案，不斷掌握了各種材料的使用特性和其制造工藝，不斷的變換不同的制造方法，合理選取微注塑成型工藝[7]，合理選用適合各種零件的材料，達到了降噪減震的預期效果，按GB標準管狀電機運轉噪聲在半消聲室按聲功率工程級測試結果低至：40～42dB；并通過分析運動簡圖，找出各種行星齒輪減速器的速度的計算公式，指導設計、生產和應用。通過幾年優化方案，管狀電機產品取得3項實用新型專利，并獲第十六屆中國專利博覽會發明專利金獎，產品性能穩定，噪聲低，壽命長，受到客戶青睞。

[1] 廣東凱科機電有限公司.長型旁磁制動單相異步電動機：CN03223022.2[P].2004-02-11.

[2] 柏遠康,許愛華.提高旁磁式制動電機的剎車性能[J].電機技術,2013(5):32-33.

[3] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社,1995:32.

[4] 廣東凱科機電有限公司.低噪聲三級行星齒輪減速器：CN03222819.8[P].2004-01-07.

[5] 廣東凱科機電有限公司.內置式旋轉行程開關:CN03223021.4.[P].2004-04-07

[6] 張展,姚振甫.實用機械傳動設計手冊[M].上海：科學出版社,1994:565-566.

[7] 趙雅珠.微型行星齒輪減速機構制造工藝概述[J].機械設計與制造,2010(9)：242-243.

Improvement Design and Revolving Speed Analysis of Tubular Motor

ZHOUJin-tian

(Guangdong Engineering Polytechnic,Guangzhou 510520,China)

Three different types of tubular motors' major performance parameters during the period of research and development were introduced. Major components of tubular motors include side-magnetism brake motors, planetary reducers and ovonic mechanical stroke positioning memory switches. Structural features of components above were explained. Different materials utilized for various components during research and development process were concluded. At the same time, kinematic diagram analysis method was exploited to confirm calculation methods for three kinds of tubular motors. Thus tubular motor manufacturers can be directed to adjust technical parameters, making users acquire more accurate motor output speed.

tubular motor; squirrel cage with cast brake magnet; reducer; kinematic diagram

2015-09-18

TM343

A

1004-7018(2016)06-0013-04

周錦添(1965-)，高級工程師，主要研究方向為電機生產系列設備研發、電機制造工藝研究、機械設計、機電一體化技術。