地鐵直流牽引電機(jī)磁極線圈制造工藝改進(jìn)與創(chuàng)新

摘 要：國(guó)內(nèi)某地鐵線路地鐵車(chē)輛配置的牽引電機(jī)此前為國(guó)外進(jìn)口電機(jī)，其成本高，供貨期長(zhǎng)，不能快速響應(yīng)國(guó)內(nèi)日新月異的城市軌道交通發(fā)展。在對(duì)該地鐵車(chē)輛電機(jī)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化制造時(shí)，發(fā)現(xiàn)按國(guó)內(nèi)現(xiàn)有制造工藝，其電機(jī)磁極線圈質(zhì)量與原裝電機(jī)差距較大，為此提出了改進(jìn)線圈引線頭焊接方式、改進(jìn)固型模式、優(yōu)化匝間絕緣，并對(duì)改進(jìn)前后進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的工藝方案不僅確保了線圈外型尺寸及裝配質(zhì)量，同時(shí)在電機(jī)溫升試驗(yàn)時(shí)線圈性能良好，各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)制造要求。

關(guān)鍵詞：地鐵電機(jī) 磁極線圈 工藝改進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）02（a）-0046-03

Abstract： The traction motor of a subway line in China has been used to import， and its cost is high and the delivery time is long， so it cannot respond quickly to the rapid development of urban rail transit in China， and therefore， we try to realize the domestic manufacture. However， according to the existing domestic manufacturing technology， the motor pole coil quality is poor compared to the original. In order to improve the quality of products， we proposed to improve the wire leading terminals welding way， to improve the solid model and to optimizing the turn-to-turn insulation. The new technology ensures the coil shape size and assembly quality， and can satisfy the requirements of design and manufacture of various parameters.

Key Words： Metro Motor； Pole Coil； Technology Improvement

隨著我國(guó)城市建設(shè)發(fā)展的步伐加大加快，城市軌道交通發(fā)展勢(shì)頭迅猛，在各大城市日臻完善的地鐵建設(shè)和城軌交通日益便捷的今天，地鐵車(chē)輛無(wú)疑成為城市居民綠色出行的首選，而地鐵電機(jī)作為地鐵車(chē)輛的牽引動(dòng)力，它的各項(xiàng)性能指標(biāo)在城軌交通中扮演著重要角色，并為我們的快節(jié)奏生活提供速度保障。因此地鐵電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)、運(yùn)行指標(biāo)、安全可靠性在電機(jī)設(shè)計(jì)與制造中是重中之重。在電機(jī)各重大部件中，線圈作為核心之一，其設(shè)計(jì)與制造關(guān)系著整臺(tái)電機(jī)的性能與安全，因此它的質(zhì)量對(duì)電機(jī)而言舉足輕重。國(guó)內(nèi)某地鐵線路的地鐵電機(jī)此前一直為國(guó)外進(jìn)口牽引電機(jī)，該電機(jī)由于供貨周期長(zhǎng)、成本高，較大程度上制約了城市軌道交通運(yùn)輸?shù)亩?、頻、快運(yùn)力需求。在對(duì)該電機(jī)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制中，受現(xiàn)有裝備制造能力、工藝設(shè)計(jì)水平影響，電機(jī)的磁極線圈質(zhì)量不穩(wěn)定，裝配質(zhì)量不高，通過(guò)對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)后，絕緣結(jié)構(gòu)得到了較大改善，現(xiàn)已成功實(shí)現(xiàn)了該電機(jī)的裝車(chē)試運(yùn)行，且各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有線圈制造工藝水平的提升。

1 問(wèn)題提出

該地鐵電機(jī)磁極線圈主極開(kāi)口、交叉各兩組，附極線圈共4組，主極線圈采用傳統(tǒng)的扁繞工藝[1]，附極線圈采用平繞工藝，在線圈制造中主要出現(xiàn)了以下問(wèn)題。

（1）主極線圈成型質(zhì)量不高：主極線圈共計(jì)24匝，繞制時(shí)匝間不齊度高，且每匝的端部比直線段內(nèi)寬小約2～4mm，線圈R角外側(cè)銅帶有不同程度的拉伸變薄，嚴(yán)重的有開(kāi)裂和卷邊現(xiàn)象，R角的內(nèi)側(cè)有增厚現(xiàn)象。雖后工序會(huì)對(duì)線圈進(jìn)行油壓整形、端部壓弧和手工打磨，但仍難徹底消除匝間不齊，因此給磁極鐵芯一體化裝配帶來(lái)困難。

（2）冷態(tài)電阻值超差：線圈引線頭焊接后，主、附極線圈的冷態(tài)電阻值要求不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的±5%，而主極線圈實(shí)測(cè)值已超標(biāo)準(zhǔn)值9%以上，附極線圈成型較好，內(nèi)阻值基本滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）主極線圈壓弧后端部高度超差：主極線圈經(jīng)油壓整形和端部壓弧后，R角處的增厚仍不能徹底消除，使得墊入匝間絕緣后，線圈的整體高度超差2～3mm，且端部表現(xiàn)突出。經(jīng)磁極鐵芯一體化后與機(jī)座裝配時(shí)，磁極鐵芯與機(jī)座貼合不緊密，形成了第二氣隙，使得電機(jī)因散熱不好而在運(yùn)行中造成持續(xù)溫升超差。

（4）引線頭焊接方式有待改進(jìn)：線圈首末匝與引線頭的焊接位置分別位于線圈端部上下兩側(cè)弧形段中心處，見(jiàn)圖1主極開(kāi)口線圈所示。由于焊接位置會(huì)多出半匝線圈，且焊接為搭接焊，因此焊接后會(huì)高出2匝線圈即3mm的厚度。為保證后工序裝配質(zhì)量，需改進(jìn)焊接方式。

2 原因分析

該電機(jī)主極線圈的制造工藝流程見(jiàn)圖2所示，影響線圈質(zhì)量的關(guān)鍵工序有線圈扁繞、油壓整型、壓弧、固型，因此結(jié)合當(dāng)前的制造工藝對(duì)其問(wèn)題進(jìn)行原因分析和排查。

（1）針對(duì)繞制成型質(zhì)量不高：主極線圈使用的銅帶為1.5mm×30mm的TDR軟銅帶，繞制設(shè)備為數(shù)控扁繞機(jī)，因其線規(guī)的寬厚比較大，對(duì)繞線模和設(shè)備的精度要求較高。繞制時(shí)夾持銅帶的夾板需力度適中，過(guò)緊易造成銅帶因拉伸而變形，過(guò)松則易造成銅帶在送線中出現(xiàn)褶皺；且送線夾板與繞線模需位于同一水平位，否則線圈R角易出現(xiàn)不平整。通過(guò)對(duì)設(shè)備和工裝進(jìn)行分析和原因排查，發(fā)現(xiàn)繞線模與銅帶夾板間存在約2.3mm的高度差，該高度差等同于給繞制中的銅帶施加了縱向剪切力，造成R拐角處銅帶內(nèi)收而形成褶皺，這也是端部寬度尺寸小于直線段的重要原因。

（2）針對(duì)電阻值超差：根據(jù)電阻計(jì)算公式R=ρ×L/S，繞制中銅帶在R拐角因受拉伸變長(zhǎng)、變窄，因此長(zhǎng)度L會(huì)增大，截面S會(huì)變小，電阻值增大。盡管R角內(nèi)側(cè)銅帶出現(xiàn)一定的增厚會(huì)使截面S呈增大趨勢(shì)，但該影響對(duì)于銅帶長(zhǎng)度上的變形可忽略。因此線圈的電阻值更多受銅帶拉伸變形影響大，這也是造成電阻值超差的主要原因。

（3）針對(duì)壓弧后端部高度超差：線圈繞制時(shí)線匝不齊度高，R拐角有拉伸變形和增厚現(xiàn)象，油壓整形時(shí)采用的是整體油壓[2]，因此對(duì)每匝去增厚的效果不高。當(dāng)后工序嵌入匝間絕緣并固型、真空浸漆及對(duì)地絕緣包扎后，線圈的整體高度已超高2～3mm，給下工序磁極鐵芯一體化裝配和機(jī)座裝配帶來(lái)較大影響。

（4）針對(duì)引線頭焊接改進(jìn)分析：線圈引線頭焊接采用的是搭接焊，焊后引線頭位置會(huì)比周?chē)?mm，即線匝與引線頭的厚度。焊后線圈引線頭會(huì)單獨(dú)進(jìn)行絕緣包扎，包扎后會(huì)放大該高度差，在磁極鐵芯與機(jī)座裝配時(shí)，下層引線頭會(huì)抵住機(jī)座裝配面，使得磁極螺栓無(wú)法將線圈緊固到機(jī)座上，而上層引線頭焊接位置因超高而影響電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配。

（5）針對(duì)線圈匝間絕緣分析：主極線圈匝間絕緣要求首末匝各墊t0.1mm的二苯醚胚布各四層，其余匝間墊兩層，固型后進(jìn)行烘培。因二苯醚胚布特點(diǎn)，匝間絕緣熱烘排膠后固型工裝會(huì)出現(xiàn)松弛，需趁熱再次對(duì)固型工裝進(jìn)行緊固，若緊固不到位，線匝與絕緣的一體化效果會(huì)比較差，這也會(huì)給線圈高度超差帶來(lái)較大影響，而熱態(tài)下對(duì)固型工裝再次緊固存在一定的安全操作隱患。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)以上原因分析與查找，采取了以下四方面的改進(jìn)措施：

（1）修復(fù)繞線模并修訂數(shù)控設(shè)備補(bǔ)償參數(shù)：對(duì)銅帶固定夾板、繞線模進(jìn)行修復(fù)，使其工作面光滑、平整，夾板與繞線模保持同一水平面。修訂設(shè)備參數(shù)，尤其R角的補(bǔ)償參數(shù)，調(diào)整銅帶夾緊力，使得繞制中銅帶與工裝不發(fā)生相對(duì)位移，防止轉(zhuǎn)角速度與送線速度不匹配造成的過(guò)渡拉伸或送線遲滯。這是線圈成型質(zhì)量保障最關(guān)鍵的一步。

（2）設(shè)計(jì)去增厚墊塊：線圈油壓整型時(shí)通過(guò)模具對(duì)線圈的內(nèi)外框、上下面及側(cè)面進(jìn)行油壓整型，未單獨(dú)對(duì)每匝進(jìn)行去增厚操作，因此在消除線圈R角處增厚的效果不明顯。為提高油壓整型效果，新設(shè)計(jì)制作了匝間去增厚墊塊，即在線圈每匝端部位置墊入墊塊后再進(jìn)行油壓，以降低和消除線圈R角的增厚影響。

（3）改進(jìn)引線頭焊接方式：將主極交叉、開(kāi)口線圈的引線頭焊接由搭接焊改為對(duì)接焊，焊后焊接位置與末匝線圈高度持平，由于焊接位置不受作用力影響，且電流密度滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行宏觀金相檢測(cè)和分析后，對(duì)接焊的質(zhì)量完全滿足設(shè)計(jì)要求。此外，引線頭的焊接位置還可調(diào)整至線圈直線位置上，目的是便于線圈端部的壓弧操作和質(zhì)量保證，同時(shí)也可降低弧形段的焊接難度。

（4）匝間絕緣二苯醚漆布替代二苯醚胚布：由于磁極線圈裝配采用的是白胚定裝工藝，因此匝間絕緣改為二苯醚漆布對(duì)線圈固型效果更好。同時(shí)將原首末匝間各墊四層，其余匝間墊兩層改為各匝間均墊兩層，固型后線圈整體浸T1153絕緣漆。改進(jìn)匝間絕緣材料后，線圈固型后不需要在熱態(tài)下再次對(duì)固型工裝進(jìn)行緊固，且真空浸漆后線圈的一體化效果好，因此工藝執(zhí)行更為方便。

4 效果及建議

通過(guò)以上原因分析與改進(jìn)后，該地鐵電機(jī)主極線圈繞制的形狀規(guī)整，R角變形得到控制，消除了線圈內(nèi)框兩端部與直線段的寬度差，成型質(zhì)量的提高使線圈冷態(tài)電阻值得到了控制，已滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)通過(guò)改進(jìn)引線頭焊接方式，焊接位置的高度得到了控制。此外，優(yōu)化匝間絕緣設(shè)計(jì)，對(duì)地絕緣包扎后的線圈整體高度滿足了設(shè)計(jì)要求。在后續(xù)批量生產(chǎn)的線圈其一次性合格率達(dá)到了98%以上，并且在電機(jī)持續(xù)溫升試驗(yàn)中，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，目前國(guó)產(chǎn)化后裝配該磁極線圈的地鐵電機(jī)已成功裝車(chē)運(yùn)行，且各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)良好。

建議今后對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與制造時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)有的工藝裝備和制造能力，重視工藝設(shè)計(jì)與工藝路線，唯有好的工藝方案、好的工藝流程才能確保好的設(shè)計(jì)理念得以實(shí)現(xiàn)，才能對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提供保證，也才能設(shè)計(jì)和制造出高品質(zhì)的鐵路電機(jī)產(chǎn)品。

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