自動小型電機繞線機的設計

馬質璞，劉宏偉，張 抗，冉中陽

(1.南陽農業(yè)職業(yè)學院，南陽 473000；2.南陽理工學院，南陽 473000)

0 引 言

小型電機廣泛應用于各種產品,涵蓋了工業(yè)、農業(yè)、國防、公用設施和家用電器等各個領域，可以作為風力渦輪機，泵，壓縮機，機床，印刷機械，造紙機械，紡織機械，軋機，空調，城市交通和各種運輸工具的動力[1]。隨著科學技術水平的不斷提高，中小型電機產品的產量和品種將逐步發(fā)展，特別是近年來，小型無人機和移動機器人的快速增長，都依賴于小型電機[2]。目前，這些小型電機的繞組所采用的卷繞方式大多為手動卷繞，勞動強度大，費時費力，成本高，維修不便等。市場上的電機自動排線裝置大多數為大型設備，結構復雜，不利于小型電機繞線，而且在繞線過程會對漆包線造成傷害,產品質量一致性較差,嚴重影響了電機的生產效率及質量，因此有必要研制更加方便有效的小型電機繞線器自動排線裝置。

國內人工或自動控制的電機繞線裝置的研究也有一些，控制方式有機械、液壓、電動等，各有優(yōu)劣。文獻[3]提出定子繞組的繞線和繞線新工藝，對個別機構進行簡要分析，制訂工藝規(guī)程,進行電機繞線；文獻[4]以手工繞線工藝流程為分析背景,設計自動繞線設備的相關結構,進行電機繞線；文獻[5]在原繞線機的基礎上作了改動，利用液壓控制方式，設計一種半自動繞線機進行電機繞線；文獻[6]通過電子感應和單片機調節(jié)阻尼器的扭矩,結合簡便的剛性結構設計,使繞線機實現自動適應性調節(jié)，繞線無斷線,具有速度快,整套設備價格便宜的特點。上述電機繞線裝置多數為大型設備，繞線方式、工藝及結構復雜，不適合小型電機使用。本文在綜合調研國內現有電機繞線機的基礎上，設計了一套全新的小型自動電機繞線機，其基于PLC控制，可以實現從繞線、排線到電機旋轉的整套自動作業(yè)。

本文通過對小型電機排線過程的分析，利用ADAMS10.0仿真軟件，進行空心下線針的運動分析，建立了空心下線針的運動軌跡模型[7]，并對其進行了運動學分析，在此基礎上設計了空心下線針自動繞線機構、電機自動排線裝置，同時對排線工藝進行分析，運用PLC控制技術，保證排線電機的移動速度能夠滿足繞線要求。針對不同直徑及槽數的下線對象，采用PLC控制下線過程，以小型直流伺服電動機為動力，實現自動繞線[8]，進一步提升排線精度。本設計實現了小型電機排線的自動控制，自動調節(jié)，自動下線，自動檢測的全自動作業(yè)，徹底解決了電機維修人員在給電機下線時只能手工下線的技術難題，繞線速度快，工作效率高，精度準確，制造成本低。

1 繞線機下線針的運動特點分析

內轉子電機鐵心的圓柱面上均勻分布有許多槽，槽間角為a，如圖1所示。如欲在1～3槽中繞上線圈，一般的繞線機是無法在槽中緊密地繞制線圈的。為保證繞線緊密，需要對下線針的運動軌跡進行分析計算?？招南戮€針的運動軌跡呈三維形狀，類似一個錐形[9]。由于內轉子電機定子下線是一個動態(tài)過程，因此需要從幾何角度描述和研究下線針位置隨時間的變化規(guī)律。在此過程中需要考慮2方面的運動：一方面是下線針末端的點的運動方程、移動軌跡、位移、速度等運動特征；另一方面是下線針作為一個剛體本身的轉動過程，角速度等更復雜的運動特征[10]。通過對下線系統(tǒng)的運動學分析，進一步優(yōu)化設計。

圖1 繞線情況

1.1 空心下線針運動軌跡模型的建立

圖2是空心下線針的末端繞制出的線圈模型，為研究方便，我們把它放進三維坐標系中進一步研究。

當內轉子電機的槽數不同，其相鄰兩槽口中心面的夾角a就不同，我們取其中的一匝繞線，并觀察線圈的投影形態(tài)特征，如圖3所示。

圖2 線圈三維模型建立

圖3 線圈投影形狀 利用ADAMS 10.0仿真軟件，進行空心下線針的運動分析，在線圈的投影軌跡中，兩端半圓弧的半徑變化范圍14 mm≤r≤25 mm，取r=15 mm，單匝繞線時下線針隨時間的位移，如圖4和圖5所示。

圖4與圖5反映了在空心下線針繞制一匝線圈的過程中，x軸y軸方向坐標的變化特點。

圖4 下線針隨時間的 位移投影

圖5 下線針隨時間的 位移曲線 下線針旋轉一周用時12 s，一匝完整線圈的上下兩端為2個r=15 mm的半圓弧，兩側的連線為直線，下線針的軌跡方程如下：x2+y2=225 (-15≤y<0)

x=±15 (0≤y≤40)

x2+(y-40)2=225 (40

由于兩端圓弧的運動過程和左右兩直線的運動過程各自中心對稱，我們選取下圓弧和右直線2個運動過程共6 s詳細分析。

圖6為仿真過程中下線針末端在x軸,y軸方向上的位移、速度、加速度曲線。

(a) x方向位移

(b) y方向位移

(c) x方向速度

(d) y方向速度

(e) x方向加速度

(f) y方向加速度圖6 位移、速度、加速度仿真曲線圖

根據下線針隨時間的位移曲線，以及速度、加速度的曲線可知：

在y方向的加速度曲線中，加速度并不是逐漸變化，而是瞬間加速，瞬間減速，由此可能造成機械故障或嚴重影響到下線針的繞線質量。在使用過程中，需要根據具體情況進行調整。

(2)在2.16s

下線針在此過程中以10.5 mm/s的速度做勻速直線運動。下線針運動軌跡模型如圖7所示。

圖7 下線針旋轉軌跡模型

1.2 下線針繞線結構設計

為了讓空心下線針的針頭旋轉軌跡滿足上述方程，設計了一窄和一寬兩弧形滑針板并平行放置，如圖8所示。使下線針繞線時緊貼其側面，用兩者的邊沿作為空心下線針繞線運動的滑動導軌，用以控制空心下線針繞線運動軌跡[11]。

兩弧形滑針板的高度由鐵心的厚度所決定，線圈軌跡與導軌面需在同一個錐面上。

設兩槽中心面的夾角為a，兩弧形滑針板的寬度由a角兩邊的延長線所決定，如圖9所示。其中，窄弧形滑針板靠近定子鐵心，寬弧形滑針板與窄弧形滑針板左右距離取30～40 mm為宜，從而確定兩弧形滑針板的寬度。

圖8 下線針繞線結構

圖9 兩弧形滑針板的寬度

2 電機自動排線裝置設計

電機繞線時，繞一個線圈容易，但是繞所有線圈的過程中要讓圓弧直徑不斷變化，實現在圓錐面上的自動排線，這是一個技術難題。

2.1 線圈直徑變化的規(guī)律

如圖10所示，當我們將所有線圈向XOZ平面上水平投影時，各線圈的圓弧直徑是不一樣的，由左

圖10 各線圈的圓弧直徑

到右各直徑逐漸增大，直徑的大小由夾角a的2條邊所決定，這2條邊的直線方程如下：

為了讓空心下線針的針頭旋轉軌跡滿足上述方程，必須讓空心下線針與夾角a的邊重合，且順著a的邊左右移動時，其針頭的軌跡就能滿足在XOZ平面上的直線軌跡。

2.2 空心下線針設計

一般的下線針是無法完成線圈直徑變化的規(guī)律，因此，我們設計了空心下線針，如圖11所示?？招南戮€針部分由空心針、小彈簧、軸套、喇叭口組成[9]?？招尼樀淖蠖俗龀蓮潬?，右端做成外螺紋[11]。喇叭口的左孔要做成內螺紋[11]。安裝時，軸套夾在調整架上，使軸套在皮帶上固定不動，空心針上的軸肩與軸套之間裝一小彈簧后，再把空心針穿過軸套，讓空心針右端與喇叭口螺紋連接。調整空心下線針與Z軸的夾角，使空心下線針與夾角a的邊重合，使空心針位于定子槽口中間即可。

圖11 空心下線針

2.3 電機繞線機的裝置設計

如圖12所示，電機繞線機由排線滑移部分、自動旋轉軸、繞線部分3大結構組成，其中，繞線部分由空心下線針、皮帶、導向輪、線圈、支架、繞線伺服電動機等組成[12]。排線部分及自動旋轉軸分別由排線伺服電動機及旋轉伺服電動機實現。

圖12 電機繞線機裝置

排線伺服電動機軸通過導軌與需要繞線的內轉子結構(滑移部分)相連，使之能左右移動。導線由導向輪上繞過，使導線與空心下線針之間具有一定的張力即可。

在繞線機使用過程中，需配置相應數量的行程開關，從而確定繞線的起點、終點，以及滑移部分左右移動的端點位置。當一組繞線繞制完成后，旋轉伺服電動機在角度控制模式下旋轉固定角度，并繞制下一組繞線[13]。

3 電機繞線機的控制功能設計

3.1 排線電機和繞線電機的配合及控制

在繞線的整個過程中，繞線電機通過皮帶輪帶動空心針往齒槽中繞線，每繞制一匝線圈，需要空心針繞兩弧形滑針板公轉一周，并能在軸套中自由轉動。為了實現自動排線，空心針每繞完一匝線圈，必須向右移動一段距離，這一距離就要靠排線電機帶動需要繞線的內轉子(滑移部分)左右移動來完成，為此，每繞制一匝線圈，排線電機需帶動滑移部分后退導線直徑的距離。

在此過程中，下線針每繞完一匝線圈，必須向右移動固定距離，也就是說，這里需要2方面的控制：一方面是對電機旋轉角度的控制；另一方面，在于繞線電機與排線電機的配合。因此，采用PLC的角度閉環(huán)控制，繞線電機與排線電機均選用伺服電動機。當繞線電機帶動下線針繞制一匝線圈后，排線電機要先帶動滑移部分左移導線直徑的距離，繞線電機才能繼續(xù)繞制下一匝線圈，直到一組線圈繞制完成。將內轉子鐵心固定在旋轉伺服電動機軸端，每組線圈繞制完成后，給電機發(fā)出一個脈沖信號，使鐵心旋轉一個固定角度?；赑LC控制的自動排線系統(tǒng)可以進一步提升排線精度[14]。

3.2 伺服電動機位置控制方式設計

伺服驅動器共有7種控制運行方式，其中位置控制模式通過輸入脈沖序列來進行電機定位操作。 脈沖序列頻率決定了電機的轉速，脈沖數決定了電機的旋轉角度，這足以滿足控制要求[15]。使用時，伺服電動機轉子在驅動器控制的電磁場中轉動，與此同時，電機的編碼器向驅動器提供反饋信號，驅動器將反饋值與目標值進行比較以調整轉子的旋轉角度[15]。將PLC的連接電纜，接在伺服驅動器對應接口上，并通過伺服驅動器設置參數[16]。

電機繞線機工作流程如圖13所示。

圖13 電機繞線機工作流程圖

在此過程中，可以通過給排線電動機發(fā)出不同相序的脈沖信號來實現滑移部分向左右2個方向上的移動，通過脈沖個數及頻率的控制，使滑移部分按照用戶需求的位移及速度直線運動。

繞線電機的繞制與排線電機的直線移動配合進行，通過伺服電動機的位置控制來實現[17]。由于伺服電動機本身所具有的反饋特性，伺服電動機的速度及位置控制，比步進電動機更精確。

4 結 語

通過對下線針運動學分析，利用仿真軟件，建立了空心下線針的運動軌跡模型，克服了大型設備繞線方式、工藝及結構過于復雜，不適合小型電機使用的難題，設計了控制其按相應軌跡運動的機構，下線針繞線結構及電機自動排線裝置。

研究了繞線電機和排線電機的配合，針對不同直徑及槽數的下線對象，采用PLC控制下線過程，以小型直流伺服電動機為動力，實現了自動排線。不僅改善了繞組的工藝性，還提高了繞線的效率，也為自動化下線作好了準備。實現了小型電機排線的自動控制，自動調節(jié)，自動下線，自動檢測的全自動作業(yè)，解決了電機維修人員在給電機下線時只能手工下線的技術難題，繞線速度快，工作效率高，精度準確，制造成本低。