宇航用步進(jìn)電機定子多余物控制方法研究

西安航天動力測控技術(shù)研究所 陜西 西安 710025

0 引言

目前宇航領(lǐng)域所使用的步進(jìn)電機以提高電機可靠性為核心,電機在使用過程中所發(fā)生的質(zhì)量問題主要包括定/轉(zhuǎn)子卡滯和定子絕緣損壞兩個方面,而無論是定轉(zhuǎn)子卡滯或者定子絕緣損壞均因多余物引起。為避免該問題發(fā)生,必須進(jìn)行多余物預(yù)防及控制。

1 宇航用步進(jìn)電機特點

1.1 宇航環(huán)境條件分析 宇航領(lǐng)域的環(huán)境條件主要是指其真空環(huán)境,且溫度范圍典型值為-50℃～+70℃。真空環(huán)境對步進(jìn)電機的影響主要是造成電機散熱困難,散熱形式僅有熱輻射形式,基于熱學(xué)知識可知,相比空氣對流散熱,熱輻射形式效率低、效果差,給步進(jìn)電機散熱帶來很大的困難。

1.2 宇航用步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)特點 定子主要由機殼、硅鋼片、繞組、后蓋、卡簧以及防塵蓋5分布組成;轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、軸承、轉(zhuǎn)子軛、磁鋼以及隔磁環(huán)組成。

1.3 “一刀通”結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機為提升輸出扭矩,提高電機工作效率以降低熱損耗,電機本體定/轉(zhuǎn)子氣隙很小,典型值為0.05mm,該設(shè)計參數(shù)對電機零部件裝配以及同軸度提出嚴(yán)苛的機加要求。基于此,步進(jìn)電機典型的結(jié)構(gòu)為“一刀通”結(jié)構(gòu)設(shè)計,該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢旨在從設(shè)計角度降低機加難度和裝配難度,依靠兩端軸承實現(xiàn)定/轉(zhuǎn)子定位,保證單邊0.05mm氣隙均勻,實現(xiàn)電機可靠運行。“一刀通”結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示:

圖1 “一刀通”結(jié)構(gòu)示意圖

2 定子多余物原因

定子內(nèi)腔鐵屑產(chǎn)生于定子內(nèi)腔“一刀通”內(nèi)圓磨工序產(chǎn)生,其機理為磨內(nèi)圓時,殼體及定子材料會產(chǎn)生鐵屑,大部分鐵屑會隨著砂輪及冷卻液排出定子內(nèi)圓,少量鐵屑受到定子內(nèi)圓與砂輪的擠壓,隨著定子槽口及小齒齒口進(jìn)入定子內(nèi)腔,槽口及小齒內(nèi)腔路徑示意圖見圖2所示:

圖2 鐵屑進(jìn)入內(nèi)腔位置示意圖

由“一刀通”機加工序及定子結(jié)構(gòu)可知,該結(jié)構(gòu)雖然實現(xiàn)單邊氣隙均勻,但是存在定子端部留有磨損鐵屑的風(fēng)險。該風(fēng)險可能會導(dǎo)致兩方面電機故障:

1)鐵屑在定子內(nèi)腔自由流動,當(dāng)鐵屑在流動過程中沒有發(fā)生機殼或者后蓋與定子漆包線短路時,則電機絕緣檢測正常;當(dāng)鐵屑在流動過程中卡在機殼或者后蓋與定子漆包線端部中間時,則電機絕緣下降甚至為0;

2)在使用過程中,尤其是電機振動時,鐵屑容易從定子內(nèi)腔沿著小齒口或者槽口進(jìn)入定/轉(zhuǎn)子氣隙,此時極易導(dǎo)致定/轉(zhuǎn)子卡滯。

3 控制措施研究

3.1 槽口封堵控制 針對圓柱形“一刀通”結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機以及第2節(jié)所述問題發(fā)生原因,本文提出封堵工藝以實現(xiàn)磨削加工中產(chǎn)生的鐵屑進(jìn)入定子內(nèi)腔。其原理主要指通過使用703硅橡膠等易清除的膠在磨削前封堵定子槽口及小齒槽口,此時磨削產(chǎn)生的鐵屑就無法進(jìn)入定子內(nèi)腔,解決該問題。

3.2 環(huán)氧膠灌封工藝 因3.1方法中所使用的硅橡膠遇到冷卻液時發(fā)生變質(zhì),且槽口存在橡膠顆粒對電機清理增大了工藝的復(fù)雜性,效果不理想,因此本文提出采用環(huán)氧膠灌封工藝。其核心思路是采用環(huán)氧膠將定子內(nèi)腔全部灌封,使得磨削加工時,鐵屑不會進(jìn)入定子內(nèi)腔,徹底解決定子絕緣下降的質(zhì)量問題。

4 控制效果評價標(biāo)準(zhǔn)

1)防止殘留鐵屑。工藝優(yōu)化的目的是防止定子絕緣下降,因此工藝優(yōu)化的核心是防止加工過程中定子內(nèi)腔殘留多余物。

2)不產(chǎn)生多余物。工藝優(yōu)化解決定子內(nèi)腔殘留多余物后,該改進(jìn)方法不能自身帶入多余物,以防止出現(xiàn)新的質(zhì)量問題。

3)環(huán)境適應(yīng)性。宇航用步進(jìn)電機常規(guī)環(huán)境溫度為-55℃～+70℃,但是由于真空環(huán)境散熱差,僅有輻射散熱的條件,且步進(jìn)電機效率極低,因此電機發(fā)熱較大。

4)工藝通用性。因宇航用步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)基本一致,環(huán)境適應(yīng)性特點高度相似,且當(dāng)前步進(jìn)電機均存在第2節(jié)所述的質(zhì)量問題,因此對工藝優(yōu)化方法提出通用性要求,以徹底解決該共性問題,提高電機可靠性。

5)產(chǎn)品合格率。工藝優(yōu)化方法的優(yōu)劣評價樣本不僅要按照單個產(chǎn)品的優(yōu)化結(jié)果為依據(jù),更要以批次性產(chǎn)品的檢測為依據(jù),以檢測該方法的可靠性和成熟度。

6 結(jié)論

形成如下結(jié)論:

方法1:該方法沒有引入其它材料,但是在清理環(huán)節(jié)工作量極大,且清理效果不能保證100%無殘留,因此給電機帶來質(zhì)量隱患;

方法2:該方法已經(jīng)通過各類嚴(yán)格的環(huán)境試驗和壽命考核,表明該工藝不會發(fā)生原理性質(zhì)量問題,但是該方法對灌封時的操作工序有著嚴(yán)格的要求。