基于非直連結構的編碼器組件結構優化設計

劉 赫 鐘成堡,2 陳飛龍,2 楊文德

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.廣東省高性能伺服系統企業重點實驗室 珠海 519070）

引言

隨著智能裝備產業的高速發展，自動化產線、機械化生產、精密加工等日漸成為我國工業發展的主要趨勢。而伺服電機與傳統電機相比，具有高精度、高功率密度、高魯棒性等特點，在智能裝備產業的應用越來越廣泛[1]。

編碼器作為伺服電機上的信息采集和信號反饋元件，嚴格控制了電機運行的精密性和平穩性[2]。而編碼器的安裝精度差和使用環境溫度過高，是造成電機運行不平穩和限制伺服電機高功率密度小型化發展的主要原因。

為了提高伺服電機運行的精度和長期運行可靠性，許多國內外的專家學者和工程技術人員對電機的溫度場、電機定位精度、編碼器的采樣精度等進行了模擬和研究。文獻[3]以電機電磁場與熱交換理論為基礎，分析了永磁伺服電機（PMSM）繞組分布對電機電磁場與溫度場的影響；文獻[4]分析了PMSM的鐵心損耗和永磁體渦流損耗，并對PSMS低速和堵轉時的溫度場進行了計算；文獻[5]研制了一套編碼器圓光柵偏心調整自動裝卸裝置，用于提高編碼器在PMSM上的裝配精度和自動化安裝；文獻[6]分析了PMSM參數變化的原因，對比了PMSM參數辨別的多種技術方法。

上述文獻分別從電機溫度場、電機定位精度和電機內置編碼器裝配精度等方面進行了研究。而將這些方面結合起來，綜合考慮電機長期運行下，自身發熱使編碼器溫升過高，導致編碼器定位精度下降的研究卻很少。因此，本文將通過分析伺服電機發熱源分布、降低零件間熱傳導、減少零件間裝配尺寸鏈的方式，對非直連結構的編碼器組件結構進行優化設計，提高伺服電機長期、高速運行的可靠性。

1 非直連的編碼器組件結構分析

1.1 非直連結構分析

常見的伺服電機通常是編碼器直接安裝在電機轉軸上，這種連接方式稱為直連結構。而大口徑大功率伺服電機，電機質量較大、制造成本較高，而編碼器作為電機中易損件，為了方便其替換和安裝，將編碼器及相關零件設計為一個組件，安裝在體積較小的軸上，通過類似聯軸器的結構，使小軸與電機轉軸連接，這種連接方式稱為非直連結構。

本文涉及的伺服電機為非直連結構，由電機半總成和編碼器組件兩部分組成（圖1）。電機半總成包含電機的標準零件定子、轉子、軸承、端蓋等，編碼器組件包含電機的監控反饋零件編碼器和一些輔助零件軸承、端蓋等。

圖1 伺服電機的兩部分組成

1.2 編碼器組件結構分析

編碼器組件如圖2所示，由小軸、軸承、墊片、聯軸器端蓋、編碼器和編碼器蓋組成。為了改進編碼器組件結構，本文將從分析熱源發熱量、減小熱量傳遞、保證安裝精度以及計算尺寸鏈等方面進行組件的結構優化設計。

圖2 編碼器組件示意圖

2 編碼器組件結構優化設計

2.1 編碼器組件尺寸鏈校核

為了保證編碼器的安裝精度，我們首先分析編碼器的安裝方式和影響安裝的相關零件。編碼器為分體式結構，由編碼器本體和碼盤兩部分組成，碼盤安裝在小軸上，本體安裝在聯軸器端蓋上。安裝時要保證碼盤與本體之間的距離，即保證好小軸端面到聯軸器端蓋之間的距離（圖3尺寸E）。而為了使碼盤和小軸與電機同步轉動，在聯軸器端蓋內部固定了2個尺寸型號完全相同的軸承。針對該結構，本文進行了尺寸鏈校核。

圖3 編碼器安裝位置的尺寸鏈示意圖

A、B、C、D、F分別代表各個零件的尺寸，它們構成一個閉合的尺寸鏈（A+B+C+D+E=F）。但實際生產中，A、B、C、D、F對應的零件都存在加工公差，裝配后累計誤差較大，無法保證尺寸E的精度，會增加編碼器信號出錯的可能性。

為了優化編碼器安裝精度，減小零件軸向累計誤差帶來的影響，本文將2個相同尺寸的軸承替換為內徑相同、外徑不同的軸承，通過端蓋凸臺定位。這樣既減少了裝配的累計誤差，又減少了零件墊片。優化后的結構尺寸鏈校核如圖4所示。

圖4 優化后編碼器安裝位置的尺寸鏈示意圖

a、d、F分別代表各個零件的尺寸，它們構成的閉合尺寸鏈，較之前的方案少了2個尺寸（B、C）。這樣在相同的工藝水平下，累計誤差小，更好的保證了尺寸E的精度，提高了編碼器安裝的可靠性。

2.2 編碼器組件溫度場分析

為了降低編碼器溫升，本文首先分析影響編碼器溫升的熱源。如圖5所示，影響編碼器溫升的熱源共有4處，①電機轉軸的熱量，通過連接結構和小軸向編碼器傳導；②電機半總成末端的熱量，通過聯軸器端蓋向編碼器傳導；③編碼器組件中軸承摩擦發熱，通過聯軸器端蓋向編碼器傳導；④編碼器自身發熱。

圖5 影響編碼器的熱源分布示意圖

其中熱源①受非直連結構的影響，電機轉軸與編碼器組件小軸間有塑料連接件，該零件已較好的隔絕了轉軸熱量向小軸和編碼器的傳遞，因此熱源①本文不再考慮。下面將主要針對熱源②③④進行詳細分析和改善。

首先考慮編碼器自身發熱（熱源④），該熱量無法被隔絕和減小，因此先準確測量編碼器自身的發熱量。實驗方法是只接通編碼器的5 V電源，使編碼器芯片發熱，此時無其他發熱和傳熱對編碼器產生影響，編碼器芯片穩定后的溫升即為編碼器芯片發熱量約11.5 K。

其次評估編碼器組件中軸承摩擦發熱（熱源③）。將編碼器組件置于對拖臺上，在編碼器芯片發熱穩定的基礎上，接通對拖電機的電源，對拖電機拖動編碼器組件轉動，使編碼器組件中軸承發熱。再將編碼器組件由1 000 rpm逐漸增加至6 000 rpm，監控每增加1 000 rpm后，編碼器組件中軸承和芯片穩定時的溫升變化（見圖6）。

圖6 軸承發熱溫升及對編碼器的溫升影響

觀察發現，該編碼器組件轉速每增加1 000 rpm，軸承溫升增加近8.5 K，熱量傳導至編碼器芯片，芯片溫升增加7 K，而轉速5 000 rpm時，編碼器芯片溫升達到48.5 K。說明此時的軸承發熱對編碼器溫升影響很大。

為了改善該情況，本文分析了組件中軸承的選型。如圖4所示，組件由一個外徑大、密封性良好的接觸型軸承和一個外徑小、密封性較好非接觸型軸承組成，兩者的摩擦扭矩值為3.41 mNm。軸承密封性越好，油脂揮發性越小，對編碼器的信號影響越小，但是密封性好也會導致軸承的摩擦扭矩變大，致使編碼器溫升過高。

為了平衡軸承密封性與摩擦扭矩對編碼器的影響，本文將距離編碼器較遠的大軸承替換為密封性稍差、但摩擦力小的非接觸型軸承，而距離編碼器近的小軸承仍舊以密封性好為主，測試兩者的摩擦力矩為1.6 mNm。

最后分析電機半總成末端熱量（熱源②）對編碼器的影響，本文通過優化聯軸器端蓋結構改善熱量傳導。

2.3 編碼器組件結構優化

傳統的聯軸器端蓋通常為鋁材質，電機半總成末端的熱量，易通過金屬的聯軸器端蓋傳遞給編碼器，聯軸器端蓋內的軸承摩擦生熱，易通過金屬的聯軸器端蓋傳導至編碼器。為解決這兩種熱源對編碼器溫度的影響，本文將一體式全鋁的聯軸器端蓋，改為內、外圈兩部分結構（圖7）。內圈為軸承室鋁圈，用于安裝軸承，外圈為塑料聯軸器端蓋，用于隔絕電機半總成末端傳遞過來的熱量。

圖7 聯軸器端蓋的內外圈示意圖

聯軸器端蓋內圈為鋁圈，既保證了軸承室的加工精度、軸承的安裝精度，又保證了編碼器通過螺釘鎖緊至聯軸器端蓋的強度。而外圈采用導熱系數小的塑料材質，有效隔絕了熱量向編碼器的傳遞。編碼器組件優化后的結構如圖8所示。

圖8 結構優化后的編碼器組件示意圖

通過編碼器組件的熱源分析、軸承修改、結構優化等，再次采用與前文相同的溫升實驗方法，測試編碼器組件的軸承和編碼器溫升。

觀察圖9發現，結構優化后的編碼器組件，轉速每增加1 000 rpm，軸承溫升增加約3.6 K，轉速5 000 rpm時，編碼器芯片溫升僅23.3 K。說明優化后的編碼器組件結構，可以有效降低編碼器溫升，并且電機通過長期壽命實驗觀察，替換后的軸承對編碼器的長期可靠使用無影響。

圖9 軸承發熱溫升及對編碼器的溫升影響

2.4 編碼器組件仿真驗證

為了驗證編碼器組件溫升測試的合理性，和組件結構優化后的溫度分布，本文采用有限元穩態溫度場Steady-State Thermal對編碼器組件進行了溫升仿真。

首先簡化編碼器模型，以圓環代替發熱芯片，逐漸增加編碼器芯片發熱功率，觀察編碼器溫升變化，直到編碼器的仿真溫度與測試溫度11.5 K一致，此時的編碼器芯片損耗0.18 W即為仿真中的芯片加載損耗。然后測試編碼器組件轉速1 rpm、空載下的摩擦轉矩1.6 mN.m，再依據摩擦損耗計算公式，計算任意轉速下的軸承摩擦損耗（表1）。

表1 不同轉速下的軸承摩擦損耗

基于上述模型簡化、條件假設、加載條件計算等，選取兩個轉速下的溫升仿真結果如圖10、圖11所示。

圖10 1 000 rpm下的編碼器組件溫升仿真示意圖

圖11 5 000 rpm下的編碼器組件溫升仿真示意圖

仿真結果與測試溫升相近，編碼器芯片仿真誤差小于5 %。軸承溫升隨轉速成正比例增長，轉速每增加1 000 rpm，軸承仿真溫升增加4 K，與測試結果轉速每增加1 000 rpm，軸承溫升增加3.6 K相比，仿真結果溫升偏高。猜測是由于軸承滾珠模型簡化增加軸承傳熱面積、軸承缺少防塵蓋增加熱傳導等原因，但測試結果與仿真誤差小于10 %，認為仿真合理。

3 總結

本文首先分析了編碼器組件的零件組成和影響編碼器溫升的熱源分布，然后通過尺寸鏈校核提高了編碼器安裝精度；通過溫升實驗量化分析了編碼器受熱源的影響；通過聯軸器端蓋結構優化降低了電機定、轉子溫升向編碼器的傳遞；通過Steady-State Thermal仿真分析驗證了實驗的合理性和結構優化的有效性。編碼器組件新方案在5 000 rpm轉速下，較原來的方案摩擦扭矩降低1.81 mNm，編碼器溫升降低25 K。