宇航用步進電機定子多余物控制方法研究

西安航天動力測控技術研究所 陜西 西安 710025

0 引言

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

1 宇航用步進電機特點

1.1 宇航環境條件分析 宇航領域的環境條件主要是指其真空環境,且溫度范圍典型值為-50℃～+70℃。真空環境對步進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,給步進電機散熱帶來很大的困難。

1.2 宇航用步進電機結構特點 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;轉子由轉軸、軸承、轉子軛、磁鋼以及隔磁環組成。

1.3 “一刀通”結構 步進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/轉子氣隙很小,典型值為0.05mm,該設計參數對電機零部件裝配以及同軸度提出嚴苛的機加要求。基于此,步進電機典型的結構為“一刀通”結構設計,該結構最大的優勢旨在從設計角度降低機加難度和裝配難度,依靠兩端軸承實現定/轉子定位,保證單邊0.05mm氣隙均勻,實現電機可靠運行。“一刀通”結構示意圖見圖1所示:

圖1 “一刀通”結構示意圖

2 定子多余物原因

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

圖2 鐵屑進入內腔位置示意圖

由“一刀通”機加工序及定子結構可知,該結構雖然實現單邊氣隙均勻,但是存在定子端部留有磨損鐵屑的風險。該風險可能會導致兩方面電機故障:

1)鐵屑在定子內腔自由流動,當鐵屑在流動過程中沒有發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,鐵屑容易從定子內腔沿著小齒口或者槽口進入定/轉子氣隙,此時極易導致定/轉子卡滯。

3 控制措施研究

3.1 槽口封堵控制 針對圓柱形“一刀通”結構步進電機以及第2節所述問題發生原因,本文提出封堵工藝以實現磨削加工中產生的鐵屑進入定子內腔。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,此時磨削產生的鐵屑就無法進入定子內腔,解決該問題。

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

4 控制效果評價標準

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

2)不產生多余物。工藝優化解決定子內腔殘留多余物后,該改進方法不能自身帶入多余物,以防止出現新的質量問題。

3)環境適應性。宇航用步進電機常規環境溫度為-55℃～+70℃,但是由于真空環境散熱差,僅有輻射散熱的條件,且步進電機效率極低,因此電機發熱較大。

4)工藝通用性。因宇航用步進電機結構基本一致,環境適應性特點高度相似,且當前步進電機均存在第2節所述的質量問題,因此對工藝優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)產品合格率。工藝優化方法的優劣評價樣本不僅要按照單個產品的優化結果為依據,更要以批次性產品的檢測為依據,以檢測該方法的可靠性和成熟度。

6 結論

形成如下結論:

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

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