共轴旋翼无人机中空电机设计全指南：6015 型 60A 定制中空轴电机从设计计算到加工方案详解（下）

5.2.2 步骤 2：转子铁芯加工

工序	设备	工艺参数	质量标准	注意事项
铁芯冲裁	数控冲床（AMADA VIPROS 368）	冲裁速度 80 次 /min，定位精度 ±0.01mm，转子铁芯外径 53.7±0.02mm	毛刺≤0.02mm，内孔（与中空轴配合）直径 18±0.005mm	冲裁模具需与定子铁芯模具匹配，保证气隙均匀
铁芯叠压	液压机（Y32-50）	压装压力 40kN，保压时间 8s，叠压后长度 11±0.1mm（与定子铁芯一致）	叠压系数≥0.95，铁芯与中空轴配合间隙 0.005~0.01mm（过渡配合）	叠压前在铁芯内孔涂少量防锈油，避免装配卡滞
铁芯与中空轴压装	数控压装机（YZ30-20）	压装速度 1mm/s，压装力 20kN，保压时间 5s	压装后同轴度≤0.01mm，无松动（扭矩≥5N・m 不打滑）	压装前检查铁芯内孔与中空轴外圆的清洁度，无杂质

5.2.3 步骤 3：转子磁钢粘贴（磁场核心，保证磁密均匀）

工序	设备	工艺参数	质量标准	注意事项
磁钢清洁	超声波清洗机（KQ-500DE）	清洗液：无水乙醇，温度 50℃，清洗时间 5min	磁钢表面油污≤5mg/m²，无氧化层	清洗后用氮气吹干，避免水渍残留
胶水调配	自动配胶机（DJ-05）	E-44 环氧树脂 AB 胶，A:B=1:1（质量比），搅拌速度 500r/min，搅拌时间 2min	胶水混合均匀，无气泡，粘度 25℃时 500~800mPa・s	胶水需现配现用，适用期≤2h（25℃）
胶水涂抹	点胶机（DD-331）	涂胶量 0.1g/cm²（磁钢粘贴面），涂胶速度 10mm/s	胶水均匀覆盖粘贴面，无漏涂，厚度 0.05~0.1mm	避免胶水溢出磁钢边缘，污染铁芯表面
磁钢定位粘贴	半自动磁钢粘贴机（CZ-06）	定位精度 ±0.02mm，粘贴压力 0.2MPa，保压时间 30s	磁钢间距误差≤0.05mm，与铁芯贴合度≥95%	粘贴时需按 “N-S-N” 极性交替排列，用极性检测仪实时确认
胶水固化	烘箱（101-3）	固化温度 80℃，固化时间 2h；升温至 120℃，固化时间 1h	胶水剪切强度≥15MPa，磁钢无松动（拉力测试≥100N 不脱落）	固化过程中转子需水平放置，避免磁钢偏移
磁钢表面处理	砂纸（800#）	手工打磨，打磨力度 5N	磁钢表面无胶水残留，无划痕	打磨后用无水乙醇清洁，避免铁屑残留影响气隙

5.2.4 步骤 4：转子动平衡处理（减少振动，保证共轴稳定性）

共轴无人机对转子动平衡要求极高，需达到G1 级动平衡精度（转速 6840rpm 下，许用不平衡量≤0.05g・mm）：

工序	设备	工艺参数	质量标准	注意事项
动平衡检测	硬支承动平衡机（PHQ-5）	转速 3000r/min，测量精度 ±0.01g・mm	不平衡量≤0.05g・mm，不平衡相位误差≤5°	检测前需校准动平衡机，用标准转子验证精度
不平衡量校正	激光去重机（LQD-10）	激光功率 50W，去重深度 0.1~0.3mm，去重范围≤转子外径 53.7mm	校正后不平衡量≤0.03g・mm，去重面无毛刺	去重位置避开磁钢区域，避免损伤磁钢；每次去重后需重新检测，避免过度去重
二次动平衡验证	PHQ-5 动平衡机	转速 6840rpm（最高工作转速），测量时间 10s	不平衡量≤0.05g・mm，无明显振动峰值	验证时需模拟实际工作状态，将转子安装在专用夹具上

5.3 电机总装流程（整合定子、转子、机壳，保证装配精度）

总装需严格控制 “同轴度、密封性能、电气连接可靠性”，按以下顺序执行：

工序	设备	工艺参数	质量标准	注意事项
机壳预处理	喷砂设备（SB-600）	喷砂粒度 80#，压力 0.5MPa，喷砂时间 10s	机壳内表面粗糙度 Ra1.6μm，无氧化皮	喷砂后用压缩空气吹除机壳内铁屑，避免污染定子
导热硅胶涂抹	点胶机（DD-331）	硅胶涂抹量 0.2g/cm²（机壳内壁与定子接触面积），厚度 0.1~0.2mm	硅胶均匀覆盖，无气泡、无断胶	选用 7921 导热硅脂，涂抹后 1h 内完成定子安装，避免硅胶固化
定子与机壳压装	数控压装机（YZ30-20）	压装速度 0.5mm/s，压装力 15kN，保压时间 5s	定子与机壳同轴度≤0.02mm，定子端面与机壳端面平齐（误差≤0.1mm）	压装前检查定子绕组端部，避免与机壳内壁碰撞
轴承安装	轴承加热器（ZJ20X）	加热温度 80℃，加热时间 5min，安装速度 1mm/s	轴承内圈与中空轴过盈配合（过盈量 0.01~0.02mm），轴承外圈与端盖过渡配合（间隙 0.005~0.01mm）	加热后用隔热手套操作，避免烫伤；轴承安装到位后需冷却至室温再进行下一步
转子与定子装配	手动装配	装配时转子缓慢插入定子，同轴度偏差≤0.01mm	转子转动灵活，无卡滞（转动扭矩≤0.1N・m）	装配过程中禁止触碰磁钢表面，避免磁钢吸附铁屑；若有卡滞，需检查气隙是否有杂质
端盖安装	扭矩扳手（CDI 1002MFR）	端盖螺栓（M3×8）扭矩 1.5N・m，拧紧顺序 “对角交替”	螺栓无滑牙，端盖与机壳贴合间隙≤0.05mm	端盖密封圈（NBR 材质）需提前安装在端盖槽内，避免密封圈脱落；拧紧后检查端盖是否松动
密封圈密封检测	气密性检测仪（AL-980）	测试压力 0.2MPa，保压时间 30s	压力下降≤0.005MPa，无漏气	检测前在端盖与机壳接缝处涂肥皂水，观察是否有气泡（无气泡即为合格）
电气连接（引线焊接）	点焊机（DN-10）	焊接电流 100A，焊接时间 0.5s，电极压力 5N	焊点牢固（拉力测试≥5N 不脱落），焊接电阻≤0.01Ω	绕组引线与电机引出线（16AWG 硅胶线）焊接，焊接后用热缩管（Φ2mm，耐温 150℃）绝缘，热缩温度 120℃
引线固定	扎带枪（IT-160）	尼龙扎带（Φ1.5mm）捆扎力度 5N	引线无松动，捆扎处无损伤绝缘层	扎带需远离转子转动区域，避免干涉

5.4 电机测试流程（验证性能是否达标，分 4 大类测试）

测试是验证设计与制造质量的关键，需覆盖 “电气、机械、热、可靠性” 四大维度，所有测试数据需记录存档。

5.4.1 电气性能测试（核心指标：KV 值、效率、耐流能力）

测试项目	设备	测试参数	合格标准	测试步骤
KV 值测试	电机 KV 测试仪（KM-200）	测试电压 12V/24V，空载转速测量精度 ±1rpm	KV 值误差≤±3%（如 200KV 实测 194~206KV）	1. 将电机固定在测试台，连接测试仪电源；2. 施加 12V 电压，记录空载转速 n1，计算 KV1=n1/12；3. 施加 24V 电压，记录空载转速 n2，计算 KV2=n2/24；4. 取 KV1 与 KV2 平均值，判断是否在 150~285KV 范围
效率测试	电机效率测试系统（MTS-1000）	测试电流 5~60A（步长 5A），电压 12V/24V，扭矩测量精度 ±0.01N・m	10~60A 范围内效率≥85%，额定电流（60A）效率≥88%	1. 电机连接扭矩传感器与负载电机；2. 设定电压 12V，逐步增加电流至 60A，记录每档电流下的扭矩 T、转速 n；3. 计算效率 η=（nT/9550）/（UI）×100%；4. 重复 24V 电压测试，绘制效率曲线
耐流能力测试	直流电源（IT6720）+ 温升测试仪（TH-880）	持续电流 60A，测试时间 2h，环境温度 25℃	2h 内电机无冒烟、无异味，绕组温度≤105℃（环境 25℃+ 温升 80K）	1. 电机固定在通风环境（风速 1m/s），绕组埋置 PT100 温度传感器；2. 施加 60A 电流，每隔 10min 记录一次温度；3. 若温度超过 105℃，立即停机，分析铜损或散热问题
绝缘性能测试	绝缘电阻测试仪（ZC25B）+ 耐压测试仪（YD2010）	绝缘电阻测试电压 500V DC，耐压测试电压 1500V AC，测试时间 1min	绝缘电阻≥100MΩ，耐压无击穿、无闪络	1. 绝缘电阻：测试仪一端接绕组，一端接机壳，施加 500V DC，读取 1min 后的电阻值；2. 耐压测试：测试仪一端接绕组，一端接机壳，施加 1500V AC，保持 1min，观察是否有击穿现象

5.4.2 机械性能测试（核心指标：同轴度、振动、扭矩）

测试项目	设备	测试参数	合格标准	测试步骤
同轴度测试	激光同轴度测量仪（LSM-50）	测量范围 0~50mm，精度 ±0.001mm	转子与机壳同轴度≤0.02mm	1. 将电机固定在测量台，激光发射器对准转子一端，接收器对准另一端；2. 转动转子 360°，记录最大偏差值，判断是否≤0.02mm
振动测试	振动测试仪（VM-63A）	测试频率 10~2000Hz，加速度测量范围 0~100m/s²	振动加速度≤0.5m/s²（6840rpm 下）	1. 将振动传感器粘贴在电机机壳中部；2. 电机空载运行（24V，285KV，转速 6840rpm），记录 X、Y、Z 三向振动加速度，取最大值
扭矩测试	动态扭矩测试仪（DN-50）	扭矩测量范围 0~5N・m，精度 ±0.01N・m	最大扭矩≥0.8N・m（12V/60A），扭矩波动≤±5%	1. 电机输出轴连接扭矩传感器，施加 60A 电流（12V）；2. 记录稳定运行时的扭矩值，连续测量 5 次，取平均值与波动范围
轴承寿命测试	寿命测试台（自制）	测试转速 6840rpm，轴向载荷 50N，径向载荷 100N，测试时间 500h	500h 后轴承磨损量≤0.01mm，转动噪音≤60dB	1. 电机按实际工况安装，施加轴向 / 径向载荷；2. 每隔 50h 停机检查轴承温度（≤80℃），测试结束后拆解轴承，测量磨损量

5.4.3 热性能测试（核心指标：温升、散热效率）

测试项目	设备	测试参数	合格标准	测试步骤
满负荷温升测试	恒温箱（BPH-9040）+ 温度巡检仪（Agilent 34970A）	环境温度 25℃，持续电流 60A，测试时间 2h，温度采集间隔 1min	绕组温升≤80K，机壳温升≤60K，轴承温升≤70K	1. 电机放入恒温箱，绕组、机壳、轴承分别埋置 PT100 传感器；2. 接通电源，施加 60A 电流，记录各点温度变化；3. 2h 后计算温升（实测温度 - 环境温度），判断是否达标
散热效率测试	热成像仪（FLIR E8）	测试距离 0.5m，分辨率 320×240，测温范围 - 20~120℃	机壳表面温度分布均匀，最大温差≤10K	1. 电机满负荷运行 1h 后，用热成像仪拍摄机壳表面；2. 分析热成像图，查看是否有局部热点（温度超过 105℃），计算最大温差

5.4.4 可靠性测试（模拟实际工况，验证长期稳定性）

测试项目	设备	测试参数	合格标准	测试步骤
高低温循环测试	高低温箱（GDW-100）	温度范围 - 20~60℃，循环次数 50 次（高温 60℃/2h→常温 25℃/0.5h→低温 - 20℃/2h→常温 25℃/0.5h）	循环后电机 KV 值误差≤±5%，绝缘电阻≥50MΩ，无零件损坏	1. 电机放入高低温箱，按设定程序循环；2. 每 10 次循环后取出电机，常温放置 1h，测试 KV 值与绝缘电阻；3. 50 次循环后，满负荷运行 30min，观察是否正常
湿热测试	湿热箱（SH-600）	温度 40℃，相对湿度 90%，测试时间 100h	测试后绕组无霉变，绝缘电阻≥50MΩ，无短路	1. 电机放入湿热箱，保持 40℃/90% RH 环境 100h；2. 测试后取出，用压缩空气吹干表面，测试绝缘电阻与耐流能力；3. 拆解检查绕组是否有霉变、锈蚀
振动冲击测试	振动冲击台（JZK-50）	振动：10~2000Hz，加速度 50m/s²，X/Y/Z 三向各 2h；冲击：半正弦波，加速度 100m/s²，脉冲宽度 10ms，X/Y/Z 三向各 10 次	测试后电机无零件松动，KV 值误差≤±5%，转动无卡滞	1. 电机固定在振动冲击台，按参数执行振动与冲击；2. 测试后检查外观（端盖、引线是否松动），测试电气性能与机械性能

第六章 6015 中空电机设计与制造常见问题解决

在实际设计与生产中，常遇到 “KV 值偏差、温升超标、绕线困难” 等问题，以下为针对性解决方案：

6.1 电气性能问题：KV 值偏离设计范围

问题现象	可能原因	解决方案	验证方法
KV 值偏高（如设计 200KV，实测 220KV）	1. 每相匝数偏少（实际匝数＜设计匝数）；2. 磁钢剩磁偏低（实际 B_r＜1.42T）；3. 气隙偏大（实际 g＞0.15mm）	1. 重新绕制绕组，确保匝数 = 设计值（如 32 匝），绕线时实时计数；2. 更换磁钢牌号（如 N52），或筛选磁钢（B_r≥1.45T）；3. 调整转子外径（增大 0.05mm），减小气隙至 0.12~0.15mm	1. 拆检绕组，计数匝数；2. 用磁强计测量磁钢剩磁；3. 用塞尺测量气隙；4. 重新测试 KV 值，确认是否在 194~206KV
KV 值偏低（如设计 200KV，实测 180KV）	1. 每相匝数偏多（实际匝数＞设计匝数）；2. 气隙偏小（实际 g＜0.15mm）；3. 绕组系数偏低（实际 k_dp＜0.707）	1. 减少匝数至设计值（如 32 匝），绕线后用匝数测试仪确认；2. 增大气隙（转子外径减小 0.05mm）；3. 调整绕组节距（如 1-3），重新计算绕组系数（确保 k_dp≥0.7）	1. 匝数测试与调整；2. 气隙测量与调整；3. 绕组节距优化后，测试 KV 值
不同电压下 KV 值偏差大（如 12V 下 200KV，24V 下 180KV）	1. 绕组存在匝间短路（部分匝数失效）；2. 磁钢存在局部退磁（磁场不均匀）	1. 用匝间耐压测试仪检测绕组，更换短路的定子；2. 用磁强计测量磁钢表面磁密，更换磁密不均匀的转子	1. 匝间耐压测试（无击穿为合格）；2. 磁钢表面磁密测量（偏差≤5% 为合格）；3. 重新测试不同电压下的 KV 值，偏差≤3% 为合格

6.2 热性能问题：60A 下温升超标

问题现象	可能原因	解决方案	验证方法
绕组温升＞80K（如 100K）	1. 电流密度偏高（实际 J＞6A/mm²）；2. 铜损过大（绕组电阻 R＞0.103Ω）；3. 散热不良（导热硅胶未涂满或机壳散热面积不足）	1. 增大绕组截面积（如并绕股数从 12 股增至 13 股，线径 0.8mm，总截面积 6.52mm²，J=34.64/6.52≈5.3A/mm²）；2. 选用导电率更高的 T2 紫铜（确保 ρ=1.72×10^{-8}Ω・m），减少绕组电阻；3. 补涂导热硅胶（确保覆盖所有定子与机壳接触面积），或增加机壳散热鳍片（散热面积增加至 0.03m²）	1. 测量绕组截面积与电阻；2. 满负荷运行 2h，记录绕组温度，温升≤80K 为合格；3. 用热成像仪查看散热是否均匀
轴承温升＞70K（如 90K）	1. 轴承润滑不良（润滑脂填充量不足或型号错误）；2. 轴承与轴配合过盈量过大（实际过盈量＞0.02mm）；3. 同轴度偏差大（＞0.02mm），导致轴承受力不均	1. 重新填充 2 号锂基润滑脂（填充量为轴承内部空间的 1/3~1/2）；2. 调整中空轴外圆尺寸（减小 0.005mm），过盈量控制在 0.01~0.02mm；3. 重新调整定子与转子同轴度（≤0.02mm）	1. 拆解轴承，检查润滑脂；2. 测量轴承与轴的配合间隙；3. 满负荷运行 1h，记录轴承温度，温升≤70K 为合格

6.3 制造工艺问题：绕线困难与槽满率超标

问题现象	可能原因	解决方案	验证方法
绕线时线径不均，部分线股断裂	1. 漆包线质量差（线径公差＞±0.01mm）；2. 绕线张力过大（＞60g）；3. 排线精度低（＞±0.02mm），线股相互摩擦	1. 更换漆包线（选用线径公差 ±0.005mm 的 T2 紫铜漆包线）；2. 降低绕线张力至 50~55g，实时监控张力波动；3. 校准绕线机排线机构，精度控制在 ±0.01mm	1. 测量漆包线线径；2. 试绕 10 个定子，检查是否有线股断裂；3. 测量绕线后绕组的平整度
槽满率＞85%（如 90%），绕线无法嵌入	1. 定子槽尺寸偏小（实际槽面积＜29.25mm²）；2. 漆包线绝缘漆厚度偏厚（＞0.04mm）；3. 并绕股数过多（12 股导致总截面积过大）	1. 调整定子槽尺寸（槽宽 4.6mm，槽高 6.6mm，槽面积 = 4.6×6.6=30.36mm²）；2. 选用绝缘漆厚度 0.03mm 的漆包线；3. 减少并绕股数至 11 股（单股 0.8mm，总截面积 = 11×0.502≈5.52mm²，槽满率 = 5.52×4/30.36≈72.6%）	1. 测量定子槽尺寸；2. 测量漆包线绝缘漆厚度；3. 绕线后用槽满率测试仪检测，确保槽满率在 70%~80%

6.4 机械性能问题：转子动平衡不达标

问题现象	可能原因	解决方案	验证方法
动平衡检测不平衡量＞0.05g・mm	1. 磁钢重量偏差大（单块磁钢重量差＞0.1g）；2. 磁钢粘贴位置偏差（＞0.02mm）；3. 转子铁芯叠压不均匀（厚度偏差＞0.1mm）	1. 筛选磁钢（单块重量差≤0.05g）；2. 校准磁钢粘贴机定位精度（±0.01mm），重新粘贴磁钢；3. 调整铁芯叠压工艺（保压时间延长至 15s），确保厚度偏差≤0.05mm	1. 称量单块磁钢重量；2. 测量磁钢粘贴位置偏差；3. 重新做动平衡检测，不平衡量≤0.05g・mm 为合格
动平衡校正后反弹（再次检测不平衡量超标）	1. 去重位置不当（靠近磁钢，导致磁钢损伤）；2. 去重深度过大（＞0.3mm），转子结构强度下降；3. 动平衡机精度失准（未校准）	1. 调整去重位置（远离磁钢，在转子铁芯非磁区域）；2. 控制去重深度≤0.2mm，每次去重后检查转子强度（扭矩≥5N・m 不变形）；3. 用标准转子校准动平衡机（精度 ±0.005g・mm）	1. 检查去重位置是否损伤磁钢；2. 测量去重深度；3. 重新校正动平衡，连续检测 3 次，不平衡量均≤0.05g・mm 为合格

第七章 总结与展望

共轴旋翼无人机 6015 中空电机的设计与制造是 “多学科协同” 的工程实践，需在 “6015 尺寸限制、60A 大电流、150~285KV 转速范围” 的边界条件下，平衡电磁性能、热性能与机械性能。本文通过以下核心工作，形成完整的技术方案：

1. 需求拆解与理论计算：将抽象的性能指标（60A、150~285KV）转化为可量化的设计参数（12 极、32 匝 / 相、12 股并绕 0.8mm 漆包线），所有推导均基于电磁学基本公式与工程简化方法，确保计算结果的准确性与可操作性。

1. 材料精准选型：针对大电流、高温、户外环境需求，选定 T2 紫铜漆包线、N50 钕铁硼磁钢、35W250 高硅钢片、铝合金 6061 机壳等核心材料，同时明确绝缘、润滑、密封等辅料的规格，为性能达标奠定基础。

1. 制造工艺标准化：细化定子叠压、绕组绕制、磁钢粘贴、动平衡校正、总装等 20 余道工序的设备参数与质量标准，解决绕线困难、温升超标、动平衡不达标等常见问题，确保量产一致性。

1. 测试体系完善：建立覆盖电气、机械、热、可靠性的 4 大类 12 项测试，明确每一项测试的设备、参数与合格标准，形成 “设计 - 制造 - 测试” 的闭环，避免不合格产品流入市场。

未来，6015 中空电机的优化方向可聚焦三点：

• 性能提升：探索 “无刷无齿槽电机” 结构，减少齿槽转矩，提升共轴旋翼悬停稳定性；

• 成本控制：开发绕线自动化生产线（如多轴同步绕线机），将绕线效率提升 50%，降低人工成本；

• 功能集成：在中空轴内集成温度传感器与信号线，实现电机状态实时监控，提升无人机飞行安全性。

通过持续的技术迭代，共轴旋翼无人机电机将向 “更高效率、更低温升、更小型化” 的方向发展，为植保、巡检、物流等应用场景提供更可靠的动力支持。