Hairpin扁線電機(jī)定子工藝方法比較分析

曾凡林

(躍科智能制造(無錫)有限公司，江蘇 無錫 214105)

汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)功率密度和結(jié)構(gòu)的緊湊性有較高的設(shè)計(jì)要求，其中定子槽滿率(指線圈放入槽內(nèi)后占用槽內(nèi)空間的比例)是影響電機(jī)功率密度的重要指標(biāo)之一，槽滿率高的電機(jī)通常具有更高的功率密度和效率[1-3]。顯而易見，相對(duì)于圓線，采用扁線可以大幅提高槽滿率。有數(shù)據(jù)顯示，在相同的空間內(nèi)，扁線電機(jī)可以多填充20%～30%的導(dǎo)線，即可以提高20%左右的槽滿率[4],從而使整機(jī)最高效率提高2%左右[5]。扁線電機(jī)在具備諸多優(yōu)勢的同時(shí)，也同樣存在劣勢，特別是生產(chǎn)工藝及專業(yè)制造設(shè)備等方面成為扁線電機(jī)產(chǎn)業(yè)化的壁壘，這也是其尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的原因。從目前國內(nèi)主機(jī)廠和電機(jī)企業(yè)的研發(fā)進(jìn)度來看，國內(nèi)扁線電機(jī)最快將于2021年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在此之后將快速發(fā)展，2025年市場替代率有望達(dá)到90%以上。

扁線電機(jī)生產(chǎn)離不開的線圈成型、扭頭、焊接等重要工藝及技術(shù)目前仍由歐、美及日系企業(yè)壟斷。本文基于多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累，總結(jié)了Hairpin扁線電機(jī)定子主流的制造工藝和方法，以期在其產(chǎn)業(yè)化過程中涉及的核心工藝、專用設(shè)備等短板項(xiàng)目上取得突破，打破歐、美及日系企業(yè)的技術(shù)壟斷，為提高國內(nèi)電機(jī)制造廠商的國際競爭力提供有價(jià)值的參考方法。

1 Hairpin定子的特點(diǎn)

扁線電機(jī)顧名思義就是定子繞組中采用扁銅線，豐田普銳斯是最早運(yùn)用扁線電機(jī)的車型之一。扁銅線電機(jī)的繞組根據(jù)其扁平線形狀又可以分為I-pin、 Hairpin、Wavepin 3種[6]，因?yàn)椴簧僬噺S對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外形尺寸有嚴(yán)格的要求，而Hairpin電機(jī)的端部銅線徑向排布更緊密，所以目前超過90%的制造商都選擇使用Hairpin電機(jī)，即先把繞組做成類似發(fā)卡一樣的形狀，穿進(jìn)定子槽內(nèi)，再在另外一端把“發(fā)卡”的端部焊接起來。典型的Hairpin定子結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含定子鐵芯、絕緣紙及成型的發(fā)卡線。

圖1 Hairpin定子結(jié)構(gòu)圖

從Hairpin定子結(jié)構(gòu)圖可以看出，隨著定子每槽發(fā)卡層數(shù)的增多，其發(fā)卡線成型的一致性、插入銅線的數(shù)量、扭轉(zhuǎn)的層數(shù)及焊點(diǎn)的數(shù)量都會(huì)對(duì)制造工藝方案提出更高的要求。以6層48槽產(chǎn)品焊接為例，一個(gè)產(chǎn)品有100多個(gè)焊點(diǎn)需要焊接，保證每個(gè)焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量、焊接速度及穩(wěn)定性，是業(yè)內(nèi)有挑戰(zhàn)性的一大難題。攻克6層以上產(chǎn)品的制造技術(shù)難點(diǎn)，將Hairpin定子運(yùn)用到國內(nèi)廠商大批量電機(jī)的制造是最為迫切需要解決的問題。

2 Hairpin定子工藝路線介紹

典型的Hairpin定子工藝流程如圖2所示。表1基于目前Hairpin定子制造工藝路線，總結(jié)了已經(jīng)嘗試過的工藝方法的優(yōu)、缺點(diǎn)，下面將重點(diǎn)針對(duì)去漆皮、線成型、擴(kuò)口、扭頭及焊接工藝做對(duì)比分析，為本地化開發(fā)提供參考。

圖2 Hairpin工藝流程圖

表1 Hairpin各工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 Hairpin去漆皮

市場上常用的去漆皮工藝有兩種，分別為激光去漆皮和機(jī)械去漆皮，其中機(jī)械去漆皮又分為刮削和沖切兩種。如圖3所示，激光去漆皮工藝是將脈沖激光射到銅線表面，利用激光產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫將漆皮燒蝕干凈的一種工藝。如圖4所示，刮削去漆皮是將一組仿形刮刀壓在銅線表面，抽動(dòng)發(fā)卡線時(shí)切刀刃順勢將漆皮刮落。如圖5所示，沖切去漆皮是利用一組切刀具，沿發(fā)卡線垂直方向分別對(duì)其寬面和窄面依次進(jìn)行沖切。采用機(jī)械去漆皮工藝去漆皮時(shí)由于刀具磨損及機(jī)械結(jié)構(gòu)微小波動(dòng)易導(dǎo)致去漆皮效果不穩(wěn)定，而且都會(huì)對(duì)銅基材造成一定損傷。結(jié)合某設(shè)備制造商實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，推薦使用激光去漆皮工藝方法，雖然一次性投入較高，但后期設(shè)備的維護(hù)調(diào)試及兼容性都要優(yōu)于機(jī)械方法。

圖3 激光去漆皮

圖4 刮削去漆皮

圖5 沖切去漆皮

2.2 Hairpin成型

Hairpin 成型方式主要有兩種：CNC柔性成型和模具壓制成型。

如圖6所示的CNC柔性成型是通過控制成型導(dǎo)桿的動(dòng)作順序和幅度，使發(fā)卡線逐漸折彎至圖紙要求的形狀。其特點(diǎn)是柔性好，可以折彎各種形狀發(fā)卡線。但由于需要精確控制動(dòng)作精度才能保證成型的穩(wěn)定性，因此動(dòng)作速度不能太快，節(jié)拍較慢(約6 s/根)，且設(shè)備造價(jià)很高。

圖6 CNC柔性成型

如圖7所示的模具壓制成型(又叫沖壓成型)，是利用仿形模具將發(fā)卡線沖壓成圖紙要求的形狀，優(yōu)點(diǎn)是成型速度快(可達(dá)2.5 s/根)，缺點(diǎn)是一種模具只能成型一種形狀，換型麻煩。

圖7 模具壓制成型

從成型質(zhì)量來看，模具壓制成型質(zhì)量更好，批量生產(chǎn)成本更低，因此市場上大多采用壓制成型。但目前市場上大多采用的2D/3D模具是不可調(diào)的模具，而Hairpin成型工藝難點(diǎn)在于產(chǎn)品銅線較扁平，在折彎處漆皮容易破損，折彎后銅線會(huì)有反彈，成型時(shí)需要多次調(diào)整折彎參數(shù)以使其反彈后滿足外形尺寸的要求[7]，因此前期試驗(yàn)階段需要不斷地重復(fù)修模，以適應(yīng)發(fā)卡線反彈的特性，模具不可調(diào)整使前期的試驗(yàn)非常繁瑣。

某設(shè)備制造商經(jīng)過項(xiàng)目驗(yàn)證及大量綜合對(duì)比試驗(yàn)后，獨(dú)創(chuàng)了2D折彎+3D可調(diào)模具成型的形式。如圖8所示，2D折彎采用伺服控制折彎角度，只需要通過調(diào)整伺服參數(shù)，使銅線以與擋柱接觸點(diǎn)為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)折彎角度的調(diào)整。之后通過調(diào)整3D模具的分離式模芯滿足所需尺寸，壓制成最終形態(tài)。模芯分為五組可左右及上下調(diào)整的壓塊，根據(jù)實(shí)際銅線的回彈情況，調(diào)整相應(yīng)壓塊的高度及左右位置，使線型與理論數(shù)值接近，在線型差異不大的情況下，此種方式不需要重新設(shè)計(jì)及更換模具即可實(shí)現(xiàn)發(fā)卡線成型，可重復(fù)用于新產(chǎn)品的開發(fā)，且對(duì)自動(dòng)插線的適配性高。

圖8 2D折彎+3D可調(diào)模具成型

2.3 Hairpin擴(kuò)口工藝

Hairpin 擴(kuò)口方式主要有兩種：整體擴(kuò)口和單根擴(kuò)口。如圖9所示，整體擴(kuò)口即將Hairpin的同一層同時(shí)按照?qǐng)D紙要求的間距與相鄰的層分離開來。此種擴(kuò)口方式速度快，但工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且兼容性較差，也無法精確調(diào)整每根線的位置，在前期調(diào)試配合扭頭入桶時(shí)可調(diào)性差。單根擴(kuò)口即用夾爪抓取單根銅線并與相鄰的銅線分離開來(如圖10所示)，此種方法可通過調(diào)整分離參數(shù)來精確控制每根線的擴(kuò)口位置，適合前期小批量試制階段的工藝開發(fā)及優(yōu)化，大批量生產(chǎn)時(shí)可以通過增加夾爪的方式提高生產(chǎn)節(jié)拍，目前運(yùn)用該種方式的案例較多。

圖9 整體擴(kuò)口

圖10 單根擴(kuò)口

2.4 Hairpin扭頭工藝

圖11展示了每層銅線沿軸向扭轉(zhuǎn)的扭頭工藝過程，該工藝的難點(diǎn)在于扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和扭頭工裝(扭轉(zhuǎn)桶)的制造非常難(對(duì)每層桶的跳動(dòng)值要求在0.05 mm以內(nèi))。產(chǎn)品層數(shù)越多，對(duì)于扭轉(zhuǎn)桶加工精度的要求越高。扭轉(zhuǎn)桶為多層套筒結(jié)構(gòu)，相對(duì)扭轉(zhuǎn)時(shí)容易磨損。

圖11 扭頭過程

為了保證扭轉(zhuǎn)后銅線的頂端齊平，扭轉(zhuǎn)程序也需對(duì)應(yīng)不同的產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)。扭轉(zhuǎn)參數(shù)包括每層銅線到定子圓心的徑向距離(徑向位置半徑)R、每層高度(軸向位置)Z、每層轉(zhuǎn)角α等。圖12為扭轉(zhuǎn)完成之后，單根銅線最終的成型狀態(tài)，其中L為銅線扭轉(zhuǎn)完成后目標(biāo)直線段長度，θ為扭轉(zhuǎn)過程中不斷變化的中間變量角度,每一個(gè)θ值對(duì)應(yīng)一個(gè)扭轉(zhuǎn)高度Z和扭轉(zhuǎn)角度α,Δ為反復(fù)試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償值，由此得到扭轉(zhuǎn)參數(shù)Z及α計(jì)算方法如下：

圖12 扭轉(zhuǎn)參數(shù)計(jì)算方法

軸向位置

Z=Lcosθ+Δ

(1)

扭轉(zhuǎn)角度

(2)

因此，要完成扭頭工藝只需要在扭轉(zhuǎn)程序中輸入扭轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)過計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn)得到的Z與α值即可。圖13展示了8層Hairpin產(chǎn)品從最外層到最內(nèi)層扭轉(zhuǎn)時(shí)，取不同θ值時(shí)對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)高度及扭轉(zhuǎn)角度分布圖。在扭轉(zhuǎn)完成后，每根銅線最終的扭轉(zhuǎn)高度及角度應(yīng)相同，且接近計(jì)算出來的理論值。

圖13 扭轉(zhuǎn)程序參數(shù)Z和α

目前市場上一次扭兩層和所有層同時(shí)扭轉(zhuǎn)兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

2.5 HairPin焊接工藝

Hairpin 焊接主要有兩種工藝方案：Tig焊接和激光焊接。表2總結(jié)了激光焊焊接質(zhì)量、穩(wěn)定性等方面相比Tig焊接所具有的優(yōu)勢。

表2 激光焊接相比Tig焊的優(yōu)勢

由于激光焊接需要功率6 kW以上的激光器，目前還需要進(jìn)口，從而導(dǎo)致激光焊接的成本遠(yuǎn)高于Tig焊接的成本，因而多數(shù)國內(nèi)廠家選擇使用Tig焊接。隨著市場大批量生產(chǎn)趨勢的到來及國產(chǎn)高功率焊接激光器的開發(fā)，相信未來大批量生產(chǎn)(節(jié)拍<180 s)將會(huì)有更多廠商選擇使用激光焊接。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)Hairpin電機(jī)，基于某設(shè)備制造商團(tuán)隊(duì)多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)外工藝方法的分析，重點(diǎn)介紹了去漆皮、成型、擴(kuò)口、扭頭、焊接等工藝方法，可供行業(yè)研究者及生產(chǎn)制造商在選擇Hairpin制造方法時(shí)參考。

本文并未對(duì)扁線電機(jī)制造工藝之間的相互影響做詳細(xì)分析，而實(shí)際上前道工藝的一致性會(huì)對(duì)后續(xù)工藝有較大的影響，因此對(duì)產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量控制是一大難點(diǎn)，需要做進(jìn)一步研究。