综合步进铁芯叠片结构及积叠方法研究

综合步进铁芯叠片结构及积叠方法研究

李小刚

上海中浦电磁科技有限公司 上海市 201600

摘要：随着我国制造业的快速发展，对步进式冲床的需求不断增加。本文针对步进式冲床中步进铁芯的结构设计和积叠方式进行了研究，为步进式冲床中步进铁芯的结构设计和积叠方式提供了理论支持和参考依据。同时，本文所研究的内容对步进式冲床的研发也具有一定的借鉴作用。

关键词：铁芯叠片；积叠；步进冲压

引言：随着全球经济的快速发展，汽车行业的发展速度也在不断加快，汽车产量、销量等不断增长。为了降低生产成本、提高产品质量和生产效率，汽车零部件制造商普遍采用冲压成形工艺生产零部件。铁芯叠片是其中关键部件，需要对其结构与积叠方式进行探究。

1、步进式冲床结构

步进式冲床一般采用多个冲头同时工作来实现产品加工。步进铁芯是步进式冲床的核心部件，其主要作用是将工件从一个工位移动到下一个工位。因此，步进铁芯的结构设计和积叠方式对于步进式冲床的生产效率和加工精度有着直接影响。

步进式冲床是一种多工位数控机床，其结构紧凑，冲压件的精度高，生产效率高。步进铁芯在装配过程中需要保证其形状、尺寸以及精度，以提高步进铁芯与冲头的配合精度和生产效率。目前，步进铁芯的结构设计主要包括三个方面：一是铁芯叠片结构设计，二是铁芯积叠方式设计，三是铁芯受力分析。目前步进铁芯的叠片结构主要有：单片叠、双片叠、三片叠三种类型。其中单片叠片是将多块铁芯直接叠放在一起，这种叠放方式相对简单，但是存在铁芯受力不均、精度不高等缺点；双片叠片是将多个铁芯叠放在一起并固定在一起，这种方式可以有效避免铁芯受力不均的情况发生；三片叠是将多块铁芯叠放在一起，并且用螺栓固定在一起。本文主要介绍的是三片叠结构和积叠方式设计。

2、综合步进铁芯叠片结构及积叠方式

2.1步进铁芯结构设计

步进铁芯一般由铁芯、夹板、铁芯块、导柱等组成。其中，铁芯为上下两层结构，上一层为夹板，下一层为铁芯；夹板上设有导柱和导套，其上有固定孔和活动孔；导柱上设有多个固定孔和活动孔。夹板表面设有凸模，其上设有凹模和固定孔，将铁芯夹紧在夹板上。在移动冲头时，冲头将工件从一个工位移动到另一个工位。铁芯的两端设有弹簧座和弹簧。步进铁芯滑块的滑动部分由导向板和导向块组成。

2.2铁芯积叠方法

在步进式冲床加工过程中，铁芯需要在多个冲头的作用下进行往复运动，因此，铁芯与冲头之间的积叠方式也非常重要。目前，步进式冲床的铁芯积叠方法主要包括连续积叠、间隔积叠和旋转积叠三种。连续积叠法是指步进式冲床的铁芯在运行过程中直接与冲头进行接触，并通过多次重复积叠实现铁芯与冲头之间的连续积叠。这种方式能够有效保证铁芯与冲头之间的接触时间，并且能够有效提高生产效率[1]。

2.3步进铁芯结构的有限元分析

步进铁芯的结构设计影响了其在冲床上的受力情况，因此，需要对其进行强度、刚度分析，从而保证其使用安全。根据步进铁芯的结构特点，采用 ANSYS软件对其进行了有限元分析。该分析可以准确地计算出步进铁芯的受力情况，从而为步进铁芯的设计提供参考。本文根据步进铁芯的结构特点，对其进行了网格划分，并在ANSYS软件中设置了不同的材料属性。同时，根据实际情况选择了不同的接触类型，对步进铁芯进行了接触分析。通过ANSYS软件对不同结构的步进铁芯受力情况进行分析，步进铁芯受力情况主要集中在中心区域，并且应力主要集中在步进铁芯端部和边缘处，如图为步进铁芯网格剖面图。

图 1 网格剖分图

铁芯材料为45钢，铁芯厚度为0.6mm，用UG建模，划分网格并赋予材料属性。建模时将铁芯分为四个部分，分别为上、下铁芯各两个，中间与外框通过螺栓连接[2]。对于铁芯的两个边缘，由于步进电机转子直径较大，所以在其边缘设置了一圈齿形条。步进电机的工作过程是通过定子铁心旋转来带动转子轴旋转，因此步进式电动机定子部分的电磁振动是由定子磁场产生的电磁力引起的。根据步进电机的结构特点和工作原理，计算出步进式电动机在转子上所产生的电磁力大小和方向。步进电机铁芯的电磁力与转子轴之间的夹角为120°。

2.4步进式冲床加工工艺

步进铁芯的加工工艺主要包括两个方面：一是将冲头加工出来，二是将工件装配到冲床上。步进铁芯的加工过程中，一般需要将工件放入到一个工作台内，然后通过夹具或者滑块将工件夹好。步进铁芯的夹具主要分为夹紧机构和滑块机构。夹紧机构的作用是使步进铁芯能够保持稳定状态，从而实现对工件的夹紧。而滑块机构的作用是使步进铁芯能够实现往复运动。 步进铁芯的加工过程中，工件首先经过一次冲裁加工，然后将其装配到冲床上。最后通过安装在冲床上的夹具或者滑块机构来完成对工件的装配。在安装好之后，将工件安装到冲床上进行冲裁加工。冲裁加工完成后，工件可以直接通过夹具或者滑块机构实现自动退出。

步进式电动机的铁芯主要由硅钢片叠成，而硅钢片又由多个不同形状的铁芯组合而成，因此铁芯的结构形状对步进式电动机的性能有很大的影响。步进式电动机的铁芯结构主要有普通扇形块、普通矩形块叠片、阶梯形块叠片以及阶梯块叠片。步进电机铁芯结构设计中，除了要考虑材料的性能外，还要考虑铁芯加工和装配过程中的工艺要求，同时还要考虑装配过程中对铁芯形状、尺寸的影响，并考虑电机运行时磁场对铁芯表面及附近区域产生的电磁力影响。 根据步进电动机铁芯结构设计要求，以普通扇形块为例，将步进式电动机铁芯结构进行优化设计，以达到减少能耗、降低噪音、提高电机性能的目的。

2.5分析结果

    步进铁芯是电机的重要组成部分，合理的铁芯结构是提高步进式电动机效率，降低噪声和发热，延长其使用寿命的关键。本文基于有限元分析方法，对步进电机铁芯结构进行优化设计。根据步进电机的工作原理，利用ANSYS软件对步进电机铁芯结构进行了仿真分析，得到了步进电机在空载时铁芯结构的磁场分布，并对其进行了分析比较，同时得到了不同铁芯结构对其磁场分布和铁耗的影响。得到如下结论：（1）步进电机在空载时，定子铁芯的磁场分布与空载时的磁场分布基本一致，但当步进电机处于起动和运行状态时，由于气隙的存在会使磁场分布发生变化。（2）在不同定子铁芯结构下，定子铁芯所受磁场分布也存在较大差异。（3）由于步进电机工作过程中要求转矩输出较大，所以在满足额定工作转速的情况下应选用气隙较小、磁密较高、损耗较低的步进铁芯结构。

结语：本文对步进式冲床的基本结构进行了分析，并根据具体的生产需求设计了一种适用于步进式冲床的步进铁芯。在此基础上，针对步进铁芯的结构特点，对其进行了优化设计，并针对步进铁芯的积叠方式进行了研究。实验结果表明，该步进铁芯具有较好的结构稳定性和使用寿命，同时也具有较高的生产效率。

参考文献：

[1]李世峰,陈龙,张泽宇,邹震,贲彤. 基于非线性复数磁导率模型的叠片铁心损耗计算[J]. 电工电能新技术,2021,42(04):68-76.

[2]庄飞,温宇舟. 电力变压器铁心自动叠片工艺研究[J]. 变压器,2022,59(07):12-15.