电机定、转子铁心自动叠装模设计

电机定、转子铁心自动叠装模设计
1.引言
铁心是电机、变压器等产品的重要零件之一，一般由导磁率高、低损耗的硅钢片制成，为了减少损耗，在铁心轴线方向上由厚度为0.35mm 或0.5mm的硅钢片组成。

因此，一台产品的铁心可由几片至几百片硅钢片组成；铁心冲片的生产用量非常大，同时，对铁心的质量要求也很高。

铁心叠装后要紧密，叠压力要求在100-150N，铁心叠装质量的好坏将直接关系到产品的性能。

随着模具技术的发展，铁心冲片的加工由单冲模、复合模的冲裁，发展到用高速级进模冲裁。

模具的结构形式从单列散片级进冲模，发展到双列、三列等多列自动叠片高速级进冲模。

冲裁速度可达280-400次/min ，模具一次刃磨寿命在300万次以上，模具总寿命高达亿次以上。

铁心叠装技术已由传统的手工理片，发展到自动叠片技术。

它去除了人工理片、加压、铆钉或螺钉联接、氩弧焊等工艺，使冲片在副模具中完成冲片叠装工艺。

大大减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产效率，保证铁心冲片的叠装质量。

自动叠片技术现已广泛应用于电机定、转子冲片铁心，变压器冲片铁心等产品中。

2.铁心自动叠装技术
铁心自动叠装是在1副多工位级进冲模中实现。

叠装的原理是采用按扣的原理，通常由2次冲压来完成冲片的叠装。

冲裁时，先在条料上冲制出凸起，然后在落料的同时，后一冲片的凸起下部在铆紧凸模向下运动的冲压力作用下，扣入前一冲片凸起上部，即叠压。

为使铁心能完成叠装并承受一定的叠压力，铆合的上部压力来自落料凸模，下部支撑力则来自落料凹模下面的收紧套，利用落料冲片回弹造成的冲片外缘与收紧套内壁产生的挤压摩擦力，使冲片与冲片紧密地扣接在一起完成叠装铆紧。

另有种下部的支撑力来之于冲床垫板下部的液压缸。

冲裁过程中，液压缸上的托盘随着叠片的不断增高而逐步下移，当叠片达到设定片数时，液压缸驱动托盘迅速下降到与冲床垫板等高，模具下的横向气缸开始工作，将产品推出模外，然后复位，即完成一个工作循环。

3.铁心叠装形式
（1）直铆接。

冲片与冲片间的平面投影相互重合，这样的叠合称为直铆接。

电机定子冲片都为直铆接。

（2）扭斜铆接。

冲片与冲片间的平面投影相互绕中心转一角度，即有一定角度的旋转位移差，这样的叠合称为扭斜铆接。

交流电机的转子铁心为改变产品性能一般均采用扭斜铆接。

扭斜铆接的原理是：冲床每工作一个行程，落料凹模与收紧套带动落料冲片扭斜（旋转）一角度，冲片冲下后，前后2片产生一定的旋转位移后铆接，使铁心由首片到末片旋转成一定的角度。

落料凹模的旋转是由蜗杆、蜗轮带动完成的，如图1所示。

旋转角度的控制有机械拨杆式和步进电机式2种传动方式。

机械拨杆方式是通过上模在与下模冲裁过程中的运动，带动拨杆往复运动，拨杆上安装有单向轴承（超越离合器）带动齿轮作单向旋转，从而达到拨杆带动蜗轮、蜗杆转动，把模具的上、下运动转变为转子下模的旋转运动，旋转角度的大小可通过调节拉杆支点的位置来达到，如图2所示。

步进电机方式是根据高速冲床的冲次确定步进电机触发信号的频率，根据脉冲电源发出的脉冲数确定步进电机的旋转角度。

图1 落料扭斜机构
1.模座
2.旋转套
3.转子落料下模
4.收紧套
5.柄丝
6.滚针
7.螺钉
8.轴承外套9.推力轴承10.蜗轮11.蜗杆12.模座
图2 机械拨杆机构
1.拨杆调节固定座
2.上模座
3.拉杆
4.下模座
5.拨杆
6.向心轴承
7.大齿轮8.单向向心轴9.小齿轮
（3）回转铆接。

硅钢片的磁性能，在不同的扎制方向有差异，为消除这些差异和弥补
由材料厚度带来的铁心高度不均，高质量的定、转子铁心要求叠片间相互回转一个大角度（6
0、90、120 、180），称为回转铆接。

回转的角度要求很严格，回转后的冲片，其槽形平面投影必须重合（回转直叠）或相互转过一相同小角（回转扭叠），旋转角度稍有偏差，刃口就会产生啃坏。

因此，在上模上需增加一个回转不到位定位检测销，在回转的下模旋转套上按所需回转的角度增加定位孔，当旋转套回转不到位时，发出信号，冲床停止工作，这时应对回转机构进行转动角度的调整。

叠铆与扭斜是电机定、转子铁心自动叠装模的关键所在，它不仅关系到模具所冲产品质量的好坏，同时对提高生产效率和电机的性能都有很大的影响。

4.叠压点的几何形状、分布及冲压深度
常见的叠压点（铆扣）几何形状有V形、圆形、长方形、长弧形等，如图3所示，每一种形式其端面形状又可分为柱形、V形、圆弧形等。

柱形、V形一般用于冲片直铆接，形铆扣凸模如图4所示，图4（a）、(b) 转子扭斜计数、拉形铆紧用凸模,图4(c) 、(d)定子计数、铆紧用凸模。

圆弧形一般用于扭斜铆接，如图5所示。

叠压点的分布一般以均匀分布为好，转子冲片一般设置3-5个叠压点，设置在槽孔与轴孔之间。

定子冲片一般设置6-12个叠压点，设置在冲片的轭部。

具体部位根据冲片形状、尺寸产品的技术要求而设定，但叠压点不宜过多，否则会给模具制造带来困难。

冲压深度关系到铁心叠装的质量，冲压深度过浅，铁心叠装易松动，出现散片。

冲压深度过深，叠压点连接强度降低，冲片出现变形，严重时会出现卡模现象。

冲压深度的控制可通过调整合模深度来控制，通过观察冲床滑块显示器，微调模具中的上、下限位柱间隙即可达到。

对于圆形叠压点，拉形压入条料的深度应控制在70%的条料厚度；对于V形叠压点，拉形压入条料的深度应控制在150%的条料厚度。

不论采用何种形状的叠压点，计数分台最后一片均需将叠铆处冲通。

图3 叠压点几何形状
图4 V形铆扣凸模
图5 扭斜叠片
5.铁心叠装分台的实现
为了实现多工位高速级进冲模的优点，就必须使它能对冲出的片子自动分台，如图6所示，并使1副模具冲裁不同规格的轴孔，甚至达到冲裁不同形状的转子槽形，要达到以上目的，则由活动拉板来完成。

当冲片叠铆到技术规定的冲片数时，通过机床的电控制柜发出的电信号传到模具电磁铁上或气缸上，使电磁铁或气缸带动拉板产生一个位置移动量，将冲片铆接部位冲通，使冲片与冲片无法铆接在一起，从而实现铁心分台。

整个过程都是计数器循环计数、输出分台信号自动完成。

图6 分台结构
1.卸料板
2.分台凸模
3.凸模固定板
4.分台凸模
5.导向板
6.垫板
7.活动拉板
8.气缸
9.上模座
6.模具设计要点
电机定、转子片级进模零件的精度要求高，形状复杂，模具的结构设计和加工制造都有一定的难度。

模具制造后，如果试模失败很难修改。

因此在设计时各种问题都应考虑周全，在结构上应考虑如果试模时出现问题将如何进行修改。

（1）条料的宽度许用公差应控制在A-0.05-0.15mm，宽度尺寸的平行度应控制在0.1 mm/1000nm以内，条料毛刺高度应小于0.1mm 。

（2）条料导向件宽度应比条料宽0.1-0.2mm，导向件可采用导料板或浮升导料销导料，
如图7、8所示。

采用导料板导向时，抬料销抬起料后应保证与导料板挂台上部有（0.5-2）t 的间隙。

采用浮升抬料销导料时，凹槽高度应保证在（5-6）t的高度。

顶料销顶起条料应高出下模面2-3mm，在送料方向上将顶料销做成斜面并低于下模面，以有利于条料的准确送进。

顶料销过高易造成条料下垂，过低易造成条料与模面摩擦。

图7 导料板导料
1.下模座
2.固定板
3.条料
4.抬料销
5.导料板
图8 浮升导料销导料
1.下模座
2.下模固定板
3.条料
4.抬料销
5.浮升导料销
（3）在拉深工位（第1次在条料上冲制出凸起部位）下模应设有成形顶件器，以便将冲压成形的凸起部分迅速、可靠地从下模孔中顶出，不影响送料。

（4）排样时应考虑设置导正孔（定位孔），导正孔至少设2排，并设在2个步距中间（即导正孔间距等于步距），搭边尺寸应适当放大，以加强搭边的强度或借用冲片现有的孔作为导正孔。

（5）在导正销中应至少设定一组作为送料不到位检测销。

（6）导正销导正部位的长度高出导向板模面的长度应小于条料厚度t，以有利于导正销导向后迅速将条料从导正销中卸出。

（7）尽可能减少工位数目，避免累积定位误差，影响制件精度。

（8）小凸模在首次冲裁时，必须冲全孔，以防细小凸模早期损坏或变钝。

（9）冲孔时，如果孔距太近，应分在几个工位上冲出或在其中增加空工位，以解决模具强度和要求。

（10）应尽可能使模具压力中心与压力机的压力中心相一致，如偏差太大，可通过调整工位、增加空工位等方法进行调整。

（11）在转子落料工位后，应增加一空工位，便于安装旋转装置。

（12）因叠压点冲压成形后，不论其几何形状如何，冲出的叠压点的孔和凸起部分应有一个过盈量，因此应减小叠压点凸、凹模的间隙，即增加冲件的回弹，使过盈量增大，叠压力增大。

（13）自动叠装模具的排样与一般定、转子冲片级进模的排样相比，增加了3个工位，分台工位、拉形工位和铆接工位，有时也可将分台、拉形设定为一个工位。

总之，自动叠装模具设计既要遵循连续冲压模设计原则，又要根据自动叠装要求设置相应的工位。

永磁交流伺服电机位置反馈传感器检测相位与电机磁极相位的对齐方式
2008-11-07 来源：internet 浏览：504
主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等。

为支持永磁交流伺服驱动的矢量控制，这些位置反馈元件就必须能够为伺服驱动器提供永磁交流伺服电机的永磁体磁极相位，或曰电机电角度信息，为此当位置反馈元件与电机完成定位安装时，就有必要调整好位置反馈元件的角度检测相位与电机电角度相位之间的相互关系，这种调整可以称作电角度相位初始化，也可以称作编码器零位调整或对齐。

下面列出了采用增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等位置反馈元件的永磁交流伺服电机的传感器检测相位与电机电角度相位的对齐方式。

增量式编码器的相位对齐方式
在此讨论中，增量式编码器的输出信号为方波信号，又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器，普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B，以及零位信号Z；带换相信号的增量式编码器除具备ABZ 输出信号外，还具备互差120度的电子换相信号UVW，UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。

带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位，或曰电角度相位之间的对齐方法如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察编码器U相信号跳变沿，和Z信号，直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平），锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，Z信号都能稳定在高电平上，则对齐有效。

撤掉直流电源后，验证如下：
1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合，编码器的Z信号也出现在这个过零点上。

上述验证方法，也可以用作对齐方法。

需要注意的是，此时增量式编码器的U相信号的相位零点即与电机UV线反电势的相位零点对齐，由于电机的U相反电势，与UV线反电势之间相差30度，因而这样对齐后，增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐，而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致，所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。

有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐，为达到此目的，可以：
1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线；
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U 相反电势波形；
3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置；
4.一边调整，一边观察编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使上升沿和过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。

由于普通增量式编码器不具备UVW相位信息，而Z信号也只能反映一圈内的一个点位，不具备直接的相位对齐潜力，因而不作为本讨论的话题。

绝对式编码器的相位对齐方式
绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言，差别不大，其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。

早期的绝对式编码器会以单独的引脚给出单圈相位的最高位的电平，利用此电平的0和1的翻转，也可以实现编码器和电机的相位对齐，方法如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察绝对编码器的最高计数位电平信号；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察最高计数位信号的跳变沿，直到跳变沿准确出现在电机轴的定向平衡位置处，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，跳变沿都能准确复现，则对齐有效。

这类绝对式编码器目前已经被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行协议，以及日系专用串行协议的新型绝对式编码器广泛取代，因而最高位信号就不符存在了，此时对齐编码器和电机相位的方法也有所变化，其中一种非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM，存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：
1.将编码器随机安装在电机上，即固结编码器转轴与电机轴，以及编码器外壳与电机外壳；
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
3.用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值，并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中；
4.对齐过程结束。

由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向，因此存入的编码器内部EEPROM中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。

此后，驱动器将任意时刻的单圈位置检测数据与这个存储值做差，并根据电机极对数进行必要的换算，再加上-30度，就可以得到该时刻的电机电角度相位。

这种对齐方式需要编码器和伺服驱动器的支持和配合方能实现，日系伺服的编码器相位之所以不便于最终用户直接调整的根本原因就在于不肯向用户提供这种对齐方式的功能界面和操作方法。

这种对齐方法的一大好处是，只需向电机绕组提供确定相序和方向的转子定向电流，无需调整编码器和电机轴之间的角度
关系，因而编码器可以以任意初始角度直接安装在电机上，且无需精细，甚至简单的调整过程，操作简单，工艺性好。

如果绝对式编码器既没有可供使用的EEPROM，又没有可供检测的最高计数位引脚，则对齐方法会相对复杂。

如果驱动器支持单圈绝对位置信息的读出和显示，则可以考虑：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.利用伺服驱动器读取并显示绝对编码器的单圈位置值；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.经过上述调整，使显示的单圈绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的单圈绝对位置点，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，上述折算位置点都能准确复现，则对齐有效。

如果用户连绝对值信息都无法获得，那么就只能借助原厂的专用工装，一边检测绝对位置检测值，一边检测电机电角度相位，利用工装，调整编码器和电机的相对角位置关系，将编码器相位与电机电角度相位相互对齐，然后再锁定。

这样一来，用户就更加无从自行解决编码器的相位对齐问题了。

个人推荐采用在EEPROM中存储初始安装位置的方法，简单，实用，适应性好，便于向用户开放，以便用户自行安装编码器，并完成电机电角度的相位整定。

正余弦编码器的相位对齐方式
普通的正余弦编码器具备一对正交的sin，cos 1Vp-p信号，相当于方波信号的增量式编码器的AB正交信号，每圈会重复许许多多个信号周期，比如2048等；以及一个窄幅的对称三角波Index信号，相当于增量式编码器的Z信号，一圈一般出现一个；这种正余弦编码器实质上也是一种增量式编码器。

另一种正余弦编码器除了具备上述正交的sin、cos信号外，还具备一对一圈只出现一个信号周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信号，如果以C信号为sin，则D信号为cos，通过sin、cos信号的高倍率细分技术，不仅可以使正余弦编码器获得比
原始信号周期更为细密的名义检测分辨率，比如2048线的正余弦编码器经2048细分后，就可以达到每转400多万线的名义检测分辨率，当前很多欧美伺服厂家都提供这类高分辨率的伺服系统，而国内厂家尚不多见；此外带C、D信号的正余弦编码器的C、D信号经过细分后，还可以提供较高的每转绝对位置信息，比如每转2048个绝对位置，因此带C、D信号的正余弦编码器可以视作一种模拟式的单圈绝对编码器。

采用这种编码器的伺服电机的初始电角度相位对齐方式如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察正余弦编码器的C信号波形；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察C信号波形，直到由低到高的过零点准确出现在电机轴的定向平衡位置处，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，过零点都能准确复现，则对齐有效。

撤掉直流电源后，验证如下：
1.用示波器观察编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

这种验证方法，也可以用作对齐方法。

此时C信号的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。

如果想直接和电机电角度的0度点对齐，可以考虑：
1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线；
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U 相反电势波形；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察编码器的C相信号由低到高的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使2个过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。

由于普通正余弦编码器不具备一圈之内的相位信息，而Index信号也只能反映一圈内的一个点位，不具备直接的相位对齐潜力，因而在此也不作为讨论的话题。

如果可接入正余弦编码器的伺服驱动器能够为用户提供从C、D中获取的单圈绝对位置信息，则可以考虑：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.利用伺服驱动器读取并显示从C、D信号中获取的单圈绝对位置信息；
3.调整旋变轴与电机轴的相对位置；
4.经过上述调整，使显示的绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的绝对位置点，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，上述折算绝对位置点都能准确复现，则对齐有效。

此后可以在撤掉直流电源后，得到与前面基本相同的对齐验证效果：
1.用示波器观察正余弦编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，验证编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器，也可以存储正余弦编码器随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：
1.将正余弦随机安装在电机上，即固结编码器转轴与电机轴，以及编码器外壳与电机外壳；
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
3.用伺服驱动器读取由C、D信号解析出来的单圈绝对位置值，并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中；
4.对齐过程结束。

由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向，因此存入的驱动器内部EEPROM等非易失性存储器中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。

此后，驱动器将任意时刻由编码器解析出来的与电角度相关的单圈绝对位置值与这个存储值做差，并根据电机极对数进行必要的换算，再加上-30度，就可以得到该时刻的电机电角度相位。

这种对齐方式需要伺服驱动器的在国内和操作上予以支持和配合方能实现，而且由于记录电机电角度初始相位的EEPROM等非易失性存储器位于伺服驱动器中，因此一旦对齐后，电机就和驱动器事实上绑定了，如果需要更换电机、正余弦编码器、或者驱动器，都需要重新进行初始安装相位的对齐操作，并重新绑定电机和驱动器的配套关系。

旋转变压器的相位对齐方式
旋转变压器简称旋变，是由经过特殊电磁设计的高性能硅钢叠片和漆包线构成的，相比于采用光电技术的编码器而言，具有耐热，耐振。

耐冲击，耐油污，甚至耐腐蚀等恶劣工作环境的适应能力，因而为武器系统等工况恶劣的应用广泛采用，一对极（单速）的旋变可以视作一种单圈绝对式反馈系统，应用也最为广泛，因而在此仅以单速旋变为讨论对象，多速旋变与伺服电机配套，个人认为其极对数最好采用电机极对数的约数，一便于电机度的对应和极对数分解。

旋变的信号引线一般为6根，分为3组，分别对应一个激励线圈，和2个正交的感应线圈，激励线圈接受输入的正弦型激励信号，感应线圈依据旋变转定子的相互角位置关系，感应出来具有SIN和COS包络的检测信号。

旋变SIN和COS 输出信号是根据转定子之间的角度对激励正弦信号的调制结果，如果激励信号是sinωt，转定子之间的角度为θ，则SIN信号为sinωt×sinθ，则COS信号为sin ωt×cosθ，根据SIN，COS信号和原始的激励信号，通过必要的检测电路，就可以获得较高分辨率的位置检测结果，目前商用旋变系统的检测分辨率可以达到每圈2的12次方，即4096，而科学研究和航空航天系统甚至可以达到2的20次方以上，不过体积和成本也都非常可观。

商用旋变与伺服电机电角度相位的对齐方法如下：。