汽車用電機鐵心加工技術的發(fā)展

董 輝

對汽車電機來說，鐵心是其上的一個重要部件。其加工技術不僅對電機的性能有一定影響，而且還與電機的生產、制造成本、交貨期及材料利用率都密切相關?？v觀50多年來，隨著機械加工技術的進步，汽車電機鐵心的加工技術也在不斷地改進與提高，即在不斷地改進鐵心的加工工藝、縮短加工工時、提高材料的利用率。

1 電機鐵心發(fā)展回顧

回憶汽車電子技術的歷史，一般都從20世紀60年代開始裝用交流發(fā)電機談起，因為交流發(fā)電機上裝有電子元件二極管。而交流發(fā)電機上較大且較重的部件是定子鐵心。傳統(tǒng)制作鐵心的方法是利用模具沖出所謂的定子沖片 （散片），經過理片、再經鉚接或焊接等工序制成鐵心。交流發(fā)電機定子沖片的示意圖如圖1所示。

圖1 交流發(fā)電機定子沖片的示意圖

采用這種方法制造定子沖片的材料是冷釓電工鋼板或卷料，顯而易見的缺點是材料的利用率很低，材料的利用率大約為20%。對此問題的一項改進措施是采用套裁，即將定子沖片的中間要費掉的部分沖出其它產品的部件。原長沙汽車電器廠在20世紀70年代就引進了外國的沖壓設備與模具，同時加工出交流發(fā)電機的定子沖片和起動機的電樞沖片。一個工廠既生產交流發(fā)電機又生產起動機且都采用同樣厚度的電工鋼板采用這種工藝才比較方便。但采用這種工藝需要大型的沖壓設備及級進模。

采用套裁在一定程度上提高了材料的利用率，材料的利用率大約為30%，仍然是偏低的。從20世紀80年代起，外國很多廠家及國內的一些廠家開始采用螺旋式卷繞鐵心。螺旋式卷繞鐵心的示意圖如圖2所示。

圖2 螺旋式卷繞鐵心的示意圖

螺旋式卷繞鐵心的加工方法是將鋼板加工成帶齒狀的薄片，然后在卷繞機上將其自動卷繞成形，經疊壓、整形及焊接工序，制成定子鐵心總成。材料利用率得到大幅度提高。

螺旋式卷繞鐵心可以達到的加工精度為：內徑精度±0.02mm，內外徑偏心度0.05mm以內，軸向垂直度0.015／疊厚25mm，兩端面的平行度0.03mm以內，槽的成形精度0.03mm以內。這樣的精度可以滿足燃油車用交流發(fā)電機的要求。

螺旋式卷繞鐵心加工工藝主要用于外徑Φ200之內的燃油車用交流發(fā)電機的制造。目前還難以用于新能源車驅動電機定子鐵心的制造。其原因可以從兩個角度認識，一個問題是電動汽車及混合動力車上所裝備驅動電機多數(shù)場合下內外徑尺寸較大、軸向長度較短，因此，與通用電機相比，其材料利用率較低。對混合動力車，則期望其電機耗電較低才好；電機的磁路損耗較高的話，消耗的電力就多，這與新能源車是不相稱的。

第二個問題是：若采用螺旋式卷繞鐵心加工工藝，因驅動電機內外徑尺寸較大，在卷繞工序完成之后，鋼板的厚度將發(fā)生變化，由此造成疊厚精度惡化；此外，卷繞工序后所形成的應力造成電損增加，導致驅動電機的定子鐵心難以采用這種工藝。

于是，許多企業(yè)與院所的相關人員在21世紀初研發(fā)出兩種新型的電機定子鐵心，并首先在汽車上得到了運用，即拼塊式定子鐵心與鉸鏈式定子鐵心；利用這兩種鐵心制成的電機電樞可以提高材料的利用率，降低成本，改善電機產品的性能。

2 新能源車用驅動電機鐵心的結構

鉸鏈式定子鐵心的電樞沖片不是傳統(tǒng)電樞的整圓結構，而是由一整串的T形片相互銜接而成。鉸鏈式定子鐵心電樞沖片的示意圖如圖3所示。采用這種結構的電樞沖片可以將繞制好的電樞線圈安放到槽中或將導線直接繞在電樞沖片的槽中，即為嵌線。燃油汽車上有多種電機采用這種結構的定子鐵心。

圖3 鉸鏈式定子鐵心電樞沖片的示意圖

拼塊式定子鐵心的電樞沖片不是傳統(tǒng)電樞的整圓結構，而是由數(shù)個T形沖片分總成 （也稱為扇形沖片）組合而成。拼塊式電樞沖片的形式多種多樣，其中的一個例子如圖4所示。

圖4 拼塊式T形沖片定子鐵心與T形沖片的示意圖

采用拼塊式定子鐵心制造電機定子總成有兩種方案。第一種方案是將線圈元件插入鐵心中，即將分段的扁銅線插入經紅套等方法制成的鐵心中。這種方案的示意圖如圖5所示。

第二種方案是事先將銅線繞制成形，即繞成鳥籠狀的定子線圈總成，鳥籠狀的定子線圈總成的示意圖如圖6所示，再從外側插入T形沖片分總成。最后固定鐵心，制成定子，其示意圖如圖7所示。豐田公司的Aqua車用驅動電機采用的就是這種工藝制造的驅動電機。

圖5 分段扁銅線插入鐵心中

3 T形沖片分總成的制作

T形沖片也要經過理片、疊片才能制成T形沖片分總成。其制作方法大致有3種，下面分別加以介紹。

圖6 鳥籠狀的定子線圈總成的示意圖

圖7 T形沖片分總成插入鳥籠狀定子線圈示意圖

3.1 疊鉚法

這種方法是在T形沖片的適當部位上沖出一定的幾何形狀，將這些幾何形狀稱為疊鉚點，如圖8所示。T形沖片的上部是凹坑，下部是凸起，在加工過程中，將同一名義尺寸的上一沖片的凸起部分嵌入到下一沖片的凹坑中，在模具落料凹模收緊圈內自然形成過盈，達到緊固連接的目的。如圖9所示。在模具內鐵心形成的過程是：在沖片落料工位上，上一沖片疊鉚點的凸起部位與下一沖片的凹坑部位準確地重合在一起，當上面一片受到落料凸模的壓力作用時，下面一片借助其外形與凹模壁所產生的反作用力使兩片形成疊鉚。

T形沖片疊鉚點的幾何形狀有：①圓柱形疊鉚點，其特點是定位精度高，占地少，即在狹小的場所就可以事先疊鉚，疊鉚力較低，但需要較高精度的模具；②V形疊鉚點，其特點是可以實現(xiàn)疊層的扭斜，疊鉚力較大，疊鉚位置易于重合；③L形疊鉚點；④梯形疊鉚點。這幾種疊鉚點幾何形狀示意如圖10所示。

圖8 T形沖片疊鉚點的示意圖

圖9 鐵心自動疊鉚結構

3.2 激光焊接疊片法

這種方法適用于小型電機且采用薄鋼板的定子鐵心。激光焊接疊片法的示意如圖11所示。

3.3 粘接法

這種方法適用于大型電機且采用薄鋼板的定子鐵心。粘接法的示意如圖12所示。

T形沖片分總成的這3種加工方法，如果采用的是級進模的話，在連續(xù)沖壓的過程中就可以完成沖片分總成的緊固工序。

近幾年以來，疊鉚法難以適用或者根本不適用于薄、硬鋼板的沖片分總成加工，所以，在制造高效電機的定子鐵心時，更青睞選用激光焊接疊片法或粘接法。

T形沖片分總成的這些加工方法對電機的主要特性會有一定的影響。影響較大的項目有鐵損、表明傳熱程度的散熱性以及耐振性能。因此，對損耗要求較高以及高效率電機來說，必須根據電機的規(guī)格選用沖片分總成的加工方法。

圖10 疊鉚點幾何形狀示意圖

圖11 激光焊接疊片法示意圖

圖12 粘接法示意圖

4 沖片分總成加工方法的損耗

4.1 沖片分總成不同加工方法時電機的鐵損

在生產電機的過程中，電機的鐵心要經過退火、壓軸、嵌線、螺栓緊固及壓入外殼等一連串的工序，各個工序都是造成鐵損增加的原因。在審核電機的鐵損時，這些都是不可遺漏的項目。但是，在實際工作過程中，往往都是采用不同加工方法制造出沖片，利用這些分總成制造出參數(shù)、外形、規(guī)格等相同的樣品電機，再對電機的鐵損加以比較，得出沖片分總成加工方法的優(yōu)劣。

粘接法與疊鉚法沖片分總成制得電機的鐵損對比如圖13所示，從圖中可以看出，在整個轉速范圍里，與疊鉚法相比，粘接法電機的鐵損要低10%～15%。從損耗的分類來看，在高轉速區(qū)，渦流損耗的比例較高。

圖13 粘接法與疊鉚法沖片分總成制得電機的鐵損對比

4.2 沖片分總成不同加工方法時電機的散熱性能

對比疊鉚法與粘接法沖片分總成的散熱性能可知，與疊鉚法相比，粘接法電機的散熱性能更好。散熱性的對比就是測試兩種沖片分總成的溫升隨著時間的變化狀況，測試結果如圖14所示。

測試時，將沖片分總成置于有一定溫度的平板上，根據沖片分總成表面溫度變化的曲線計算出熱時間常數(shù)，并加以對比，可知粘接法沖片分總成的散熱性要比疊鉚法沖片分總成的高25%。其原因是：沖片分總成的各層間空隙充填了粘接劑，其熱傳導性能得到了改善。

圖14 沖片分總成散熱性能的對比

5 結語

本文回顧了交流發(fā)電機定子沖片加工工藝的發(fā)展，介紹了當代新能源汽車用驅動電機定子鐵心的現(xiàn)狀，其中主要介紹了T形沖片分總成的加工方法，不同加工方法的試驗對比數(shù)據來自國外廠家資料。另據其它資料介紹，粘接法不僅在電動汽車、混合動力車上得到應用，而且在氫燃料電池汽車上也得到了應用。