電加熱紫外光固化浸漆工藝在新能源汽車電機(jī)制造中的應(yīng)用

劉杰軍,陳求索,魏雄強(qiáng),王浙棟,代廣超

(1.臥龍電氣驅(qū)動(dòng)集團(tuán)股份有限公司，浙江 紹興 312300；2.湖南湘電動(dòng)力有限公司，湖南 湘潭 411101；3.華域汽車電動(dòng)系統(tǒng)有限公司，上海 201323)

0 引 言

電加熱是一種常用的加熱方式，熱量產(chǎn)生于被加熱物體本身，屬于內(nèi)部加熱，熱效率很高[1]。電加熱工藝在電機(jī)上的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代末期，主要應(yīng)用于大型線棒多膠云母帶模壓成型、電機(jī)結(jié)構(gòu)件的化壓模塑料(SMC、DMC、4330等)壓制成型加熱以及修理電機(jī)的烘潮等，在浸漆工藝上的應(yīng)用則比較晚。

2005年以來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一種新型的電機(jī)絕緣處理工藝——電加熱紫外光固化(E-UV)沉浸工藝。該技術(shù)采用了電加熱與紫外光(UV)固化相結(jié)合的技術(shù)，將輻射固化技術(shù)成功引入電機(jī)絕緣處理中，可大幅降低能耗、縮短生產(chǎn)周期、提高絕緣漆利用率[2]。

維斯塔斯散嵌繞組風(fēng)電定子采用了電加熱工藝(沒有UV固化工序)。該定子采用單臺(tái)定子浸漆方式，無節(jié)拍時(shí)間要求，電加熱固化后即完成電機(jī)浸漆，無需再進(jìn)行后固化，從而提高了能源利用率。中國國內(nèi)也曾有其他電機(jī)生產(chǎn)廠家嘗試過電加熱工藝，如文獻(xiàn)[3]對(duì)外徑為5.8 m、鐵心長0.9 m的風(fēng)電散嵌繞組定子用普通絕緣漆進(jìn)行常壓浸漆+電加熱旋轉(zhuǎn)烘干的方法，通過可控直流電對(duì)定子繞組加熱，使定子在烘焙過程中升溫和降溫時(shí)間大為縮短，從而提高生產(chǎn)效率，降低成本?，F(xiàn)階段，E-UV沉浸工藝技術(shù)在國外應(yīng)用實(shí)例較多，但由于進(jìn)口設(shè)備昂貴，前期投入較大，一定程度上限制了該技術(shù)的普及應(yīng)用，國內(nèi)只有一部分電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車(EV/HEV)電機(jī)生產(chǎn)廠家使用該技術(shù)。在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域，該工藝已經(jīng)應(yīng)用于曳引機(jī)電機(jī)、水泵電機(jī)等，其應(yīng)用范圍在逐年擴(kuò)大。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是EV/HEV核心部件之一，具有高瞬時(shí)功率、高功率密度、強(qiáng)耐過載能力及長壽命等特性，選擇合適的絕緣處理工藝尤為重要。E-UV沉浸工藝路線具備掛漆量多、可改善局部放電起始電壓(PDIV)、散熱性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)繞組掛漆量的大幅提升,達(dá)真空浸漆(VI)的3～4倍，可提高定子整體機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度[4-5]，具有設(shè)備能耗低，絕緣漆浪費(fèi)少，可連續(xù)、自動(dòng)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合EV/HEV驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制造要求。本文針對(duì)E-UV沉浸工藝在EV/HEV電機(jī)制造中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，以期推廣其應(yīng)用。

1 E-UV工藝路線

對(duì)于中心高小于315 mm的小型電機(jī)，制造商一般引入流水生產(chǎn)線進(jìn)行大批量生產(chǎn)。為滿足流水線生產(chǎn)對(duì)節(jié)拍時(shí)間的要求，在浸漆處理時(shí)，一般采用連續(xù)沉浸、滾浸以及滴浸技術(shù)，這些技術(shù)路線已經(jīng)相當(dāng)成熟。

EV/HEV汽車需要長時(shí)間地在復(fù)雜環(huán)境(高低溫沖擊、振動(dòng)頻繁等)下使用，對(duì)浸漬樹脂工藝的要求更高。EV/HEV驅(qū)動(dòng)電機(jī)體積小，散熱要求高，而且控制器中的逆變器高頻脈沖容易引發(fā)絕緣故障，常規(guī)浸漬工藝已不能滿足其技術(shù)要求。而E-UV沉浸工藝生產(chǎn)時(shí)間短，效率高，能夠適應(yīng)流水線作業(yè)，并可以精確控制用漆量和浸漆質(zhì)量。

E-UV沉浸工藝的步驟為：電機(jī)定子嵌線后接專用電源，通電預(yù)熱，浸漆，滴漆，電加熱預(yù)固化，UV固化，最后送入固化爐進(jìn)行后固化。該工藝的特點(diǎn)是直接給線圈通電加熱，線圈周圍的樹脂黏度迅速降低，能充分滲入繞組線束間，填充飽滿，繞組間的樹脂快速達(dá)到凝膠狀態(tài)，從而減少樹脂流失，提高線圈的掛漆量。采用E-UV沉浸工藝的定子掛漆效果如圖1所示。

圖1 電加熱沉浸后線圈端部及線包截面圖

從圖1可以看出，E-UV沉浸工藝處理的線定子，端部線圈的樹脂填充飽滿，掛漆充分。該工藝路線與其他浸漆工藝的對(duì)比如表1所示。

表1 各浸漆工藝方法對(duì)比

2 絕緣材料的選擇

絕緣浸漬漆是電機(jī)制造中的重要材料之一，也是發(fā)展變化較快且對(duì)電機(jī)制造質(zhì)量水平影響較大的液體絕緣材料。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，安全、節(jié)能、環(huán)保型絕緣浸漬樹脂成為行業(yè)新的關(guān)注點(diǎn)，也是絕緣浸漬漆的主要發(fā)展方向[6]。針對(duì)不同要求的電機(jī)，有不同種類的絕緣浸漬漆，浸漆工藝也各不相同。適用于E-UV沉浸工藝的絕緣浸漬漆需要滿足如下要求：(1)低揮發(fā)，不含苯乙烯、乙烯基甲苯等易揮發(fā)成分；(2)飽和蒸汽壓低，閃點(diǎn)高，利于安全生產(chǎn)；(3)適用于E-UV沉浸工藝，低溫下黏度高，隨溫度的升高黏度下降快，60～80 ℃時(shí)黏度降低到能充分填充散繞組線束間的程度，升溫至膠凝溫度后固化快，掛漆飽滿，可節(jié)約電能，提高生產(chǎn)效率；(4)UV固化快，UV照射后電機(jī)繞組外表面和鐵心外表面的樹脂可快速固化，迅速封住槽內(nèi)樹脂，減少樹脂流失，保證掛漆量；(5)浸漬漆在浸漆槽內(nèi)的熱穩(wěn)定性好，便于長期存儲(chǔ)使用；(6)浸漬漆應(yīng)具備二次固化能力。

絕緣材料廠家一般選用不飽和聚酯亞胺樹脂作為該工藝專用絕緣漆，該樹脂在加熱浸漬溫度下具有良好的穩(wěn)定性，能低溫快速固化，固化揮發(fā)分極低，閃點(diǎn)高，無火災(zāi)及爆炸危險(xiǎn)，能夠滿足通電加熱浸漬工藝要求[7]。不飽和聚酯亞胺的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 不飽和聚酯亞胺技術(shù)參數(shù)

3 生產(chǎn)設(shè)備的選擇和應(yīng)用

3.1 E-UV沉浸設(shè)備控溫原理

E-UV沉浸浸漆設(shè)備的關(guān)鍵是精準(zhǔn)控制線圈的溫度，使其滿足工藝參數(shù)要求，基本加熱原理為電阻加熱法，即P=I2R。現(xiàn)有的國外設(shè)備采用測(cè)量銅線電阻推算線圈平均溫度的方法來控制整個(gè)生產(chǎn)過程，基本推算過程如下。

已知線圈的電阻值隨溫度的變化而變化，而溫度的變化對(duì)電阻值的影響是通過電阻溫度系數(shù)衡量的。電阻溫度系數(shù)的定義為

(1)

式中：αR為電阻溫度系數(shù)；R為電阻；T為溫度。

金屬電阻的電阻值一般隨溫度的上升而增大，可表示為

RT=R0(1+αT+βT2+γT3+L)

(2)

式中：RT和R0分別為T和0 ℃時(shí)的電阻值；α、β、γ為電阻的溫度系數(shù)；L為常數(shù)。

對(duì)于純金屬，在溫度變化范圍不大時(shí)，電阻值和溫度的關(guān)系可近似為線性，即：

RT=R0(1+αT)

(3)

設(shè)k=1/α,則有RT/R0=1+T/k,整理即得：

T=(RT/R0-1)k

(4)

對(duì)于銅材來說，0 ℃時(shí)的溫度系數(shù)倒數(shù)k=234.5，線圈溫度值可用下式表示：

T=RT/R0×234.5-234.5

(5)

從式(5)可以得出，在電加熱過程中，線圈的溫度反饋可通過實(shí)時(shí)的電壓電流反饋測(cè)量值進(jìn)行推算[8]。

3.2 首臺(tái)E-UV沉浸設(shè)備的應(yīng)用

E-UV專用設(shè)備自動(dòng)化程度較高，制造技術(shù)掌握在國外少數(shù)幾家企業(yè)手中，設(shè)備價(jià)格昂貴[9]。為此，臥龍EV電機(jī)事業(yè)本部積極尋找本土化的解決方案，力圖使E-UV固化浸漆設(shè)備國產(chǎn)化。

臥龍公司首臺(tái)電機(jī)定子E-UV沉浸設(shè)備的核心技術(shù)是采用單點(diǎn)測(cè)溫反饋法，達(dá)到控制定子在預(yù)熱、沉浸、凝膠、UV固化各工藝階段溫度的目的，確保定子的整個(gè)浸漬過程可控。在此過程中根據(jù)絕緣浸漬漆工藝特性和定子相間阻值，采用程序設(shè)置加熱溫度曲線，并通過功率整流控制模塊對(duì)“低壓大電流”交流電源的輸出電流進(jìn)行整流控制。其中，繞組預(yù)埋測(cè)溫傳感器實(shí)時(shí)反饋，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化后，在可編程邏輯控制器(PLC)里生成的加工程序即為定子浸漬工藝溫度曲線。該設(shè)備可根據(jù)定子規(guī)格的不同而采取不同的加工工藝程序。為滿足3 min/臺(tái)的生產(chǎn)節(jié)拍要求，采用一次最多可同時(shí)浸漬10臺(tái)定子的設(shè)計(jì)，設(shè)備從8工位增加到10工位，初步滿足了整個(gè)電機(jī)產(chǎn)線的絕緣處理要求。

該浸漆設(shè)備在初步滿足量產(chǎn)要求的同時(shí)，運(yùn)行中也遇到了較多問題。其不足主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

(1) 由于采用單點(diǎn)熱電偶反饋方式控溫，電流數(shù)據(jù)采集時(shí)隨機(jī)性較強(qiáng)，比較難于控制，無法精準(zhǔn)控制掛漆量。測(cè)溫點(diǎn)稍有位置偏差，加熱程序即有較大不同。

(2) 掛漆量對(duì)絕緣漆的溫度比較敏感。隨著生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行，浸漆缸內(nèi)樹脂溫度上升，掛漆量隨之增加。

(3) 為滿足3 min/臺(tái)的生產(chǎn)節(jié)拍，采用10工位設(shè)計(jì)，導(dǎo)致浸漆槽缸體較大，由于絕緣漆數(shù)量多、黏度高，及時(shí)冷卻相對(duì)困難。

(4) 浸漆時(shí)采用掛鉤式托盤，托盤表面容易掛漆，且隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，托盤表面樹脂不斷積累，導(dǎo)致絕緣漆浪費(fèi)較大，托盤清理困難且頻次高。托盤定位銷粘漆變厚之后內(nèi)圓尺寸變小，機(jī)器人抓取時(shí)易導(dǎo)致鐵心翹片。

(5) 設(shè)備采用的是針對(duì)三相交流變壓器的初級(jí)電壓進(jìn)行的自整定控制，各工位電流值有較大差異，導(dǎo)致每批定子掛漆量不一致。

3.3 第2臺(tái)浸漆設(shè)備方案

為解決以上問題，第2臺(tái)設(shè)備選擇了測(cè)量線圈電阻推算線圈平均溫度的方法來控制溫度，從源頭杜絕了漆溫對(duì)掛漆量的影響。

第2條產(chǎn)線浸漆設(shè)備特點(diǎn)如下：(1)采用夾爪抓取工件，取消托盤，減少樹脂浪費(fèi)；(2)整條產(chǎn)線采用轉(zhuǎn)盤式，主機(jī)配備可靠的換向裝置保證定子在全周期工作中保持線圈不斷電，全周期溫度可控；(3)浸漆缸采用分體式設(shè)計(jì)，以提高絕緣浸漬漆冷卻效率；(4)設(shè)備測(cè)控采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)+PLC控制，在不同工藝階段采用針對(duì)性的控制策略，即在浸漆階段智能實(shí)時(shí)改變電源參數(shù)，在凝膠、固化階段采用高精度控制技術(shù)，精確實(shí)時(shí)控溫；(5)通過工序優(yōu)化，節(jié)拍時(shí)間可縮短為1.92 min/臺(tái)。

該套設(shè)備目前在裝配調(diào)試階段，即將投入產(chǎn)線使用。設(shè)備示意圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)盤式16工位E-UV浸漆機(jī)

3.4 工藝應(yīng)用實(shí)例

E-UV沉浸工藝已有大量的試驗(yàn)及推廣經(jīng)驗(yàn)，例如：外徑約200 mm的線定子(銅線電阻幾十毫歐)使用該工藝，測(cè)得掛漆量為使用VI工藝的定子掛漆量的4～5倍；外徑約300 mm的線定子使用電加熱工藝進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得掛漆量為使用VI工藝的定子掛漆量的3～4倍，定子平均溫升降低了10 K左右；銅線電阻約1 Ω的工業(yè)電機(jī)，采用直流電加熱方式，掛漆量增加3～4倍；浸漆前PDIV約為800 V的定子，浸漆后PDIV值、局部放電熄滅電壓(PDEV)等參數(shù)如表3所示。

表3 采用E-UV工藝后電機(jī)PDIV、PDEV等參數(shù)值

對(duì)不同型號(hào)的定子進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整，并對(duì)槽內(nèi)進(jìn)行剖切檢查，發(fā)現(xiàn)銅線之間的間隙填充飽滿，填充率均接近100%。實(shí)際效果如圖3和圖4所示。

圖3 某型號(hào)線定子浸漆后剖切圖

圖4 某型號(hào)定子E-UV沉浸后端部線包放大圖

4 結(jié) 語

本文介紹了E-UV沉浸工藝在EV/HEV電機(jī)制造上的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，電加熱工藝是否能應(yīng)用于中大型電機(jī)成型繞組真空壓力浸漆(VPI)后固化，以提高能源利用率，還需要工藝及設(shè)備人員不斷地試驗(yàn)探索。目前設(shè)想的工藝路線是整浸VPI之后，接線通電加熱并旋轉(zhuǎn)烘焙，同時(shí)UV固化，迅速封住絕緣漆，盡量減少絕緣漆流失，然后關(guān)閉UV燈，停止旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)通電加熱固化樹脂，直至絕緣電阻穩(wěn)定為止。單根線棒VPI通電加熱相對(duì)容易實(shí)施(類似于模壓結(jié)構(gòu))。此工藝路線關(guān)鍵在于通電電流對(duì)升溫速率的控制，以防止樹脂反應(yīng)過快或過慢導(dǎo)致不可預(yù)期的后果，同時(shí)要考慮通電加熱時(shí)電機(jī)各部位線圈的溫差影響(通電加熱計(jì)算的是線圈平均溫度)，并對(duì)設(shè)備做相應(yīng)的改造：基于絕緣漆穩(wěn)定性及成本考慮，可以僅采用電加熱取代烘箱加熱的方式基于已有設(shè)備做相應(yīng)改造。此外，絕緣漆生產(chǎn)廠家也需要配合工藝及設(shè)備廠家進(jìn)行配方優(yōu)化，以適應(yīng)成型繞組VPI絕緣處理工藝的要求。