Hairpin扁線電機(jī)定子工藝分析

摘要：在當(dāng)今能源轉(zhuǎn)型和技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展背景下，Hairpin扁線電機(jī)憑借其自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和性能，逐漸被廣泛地應(yīng)用在電機(jī)領(lǐng)域并成為熱點(diǎn)話題。而作為Hairpin扁線電機(jī)的重要組成部分，定子的質(zhì)量會(huì)對(duì)整個(gè)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生直接影響?；诖?，對(duì)Hairpin扁線的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，并對(duì)Hairpin扁線電機(jī)定子工藝進(jìn)行深入研究，并提出了一系列具有針對(duì)性的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：Hairpin扁線電機(jī)；定子；工藝分析；優(yōu)化策略

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2024-11-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.031

1 前言

Hairpin扁線電機(jī)又稱發(fā)卡電機(jī)，是一種常用于新能源汽車制造行業(yè)的部件，以其自身高轉(zhuǎn)速與高功率的特點(diǎn)滿足了當(dāng)前新能源汽車市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)發(fā)展需求。Hairpin扁線電機(jī)則是一種能夠完全替代傳統(tǒng)圓形漆包線的新型電機(jī)結(jié)構(gòu)，是指內(nèi)部定子繞組采用矩形橫截面的扁狀漆包線。因此，如何利用現(xiàn)有Hairpin扁線電機(jī)定子工藝實(shí)現(xiàn)繞組層數(shù)以及穩(wěn)定性的增加，就成為十分重要的問題。

2 Hairpin扁線電機(jī)的結(jié)構(gòu)

Hairpin扁線電機(jī)定子的主要組成部分包括成型發(fā)卡線、定子鐵芯以及絕緣紙三個(gè)部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。典型的Hairpin定子工藝流程如圖2所示。

定子鐵芯通常由經(jīng)過疊壓操作的多層硅鋼片構(gòu)成，這種鐵芯結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上減少渦流損耗，而整個(gè)Hairpin扁線繞組則通過特定的排列和連接方式連成電路。就目前Hairpin扁線電機(jī)的實(shí)際使用情況與其定子的整體結(jié)構(gòu)兩方面來(lái)看，定子每槽發(fā)卡數(shù)量與所用的銅線數(shù)量、焊點(diǎn)的位置和總量等存在明顯的直接關(guān)聯(lián)。也就是說，若Hairpin扁線電機(jī)定子中的每槽發(fā)卡數(shù)量越多，則插入銅線的數(shù)量也就越多，不同焊點(diǎn)的位置和數(shù)量以及實(shí)際扭轉(zhuǎn)的層數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)變化，最終會(huì)對(duì)Hairpin扁線電機(jī)定子的發(fā)卡線成型一致性造成影響。因此如何盡快克服并利用這種作用，提升不同焊點(diǎn)的實(shí)際焊接質(zhì)量和效果，增強(qiáng)Hairpin扁線電機(jī)定子的應(yīng)用穩(wěn)定性和有效性，是電機(jī)制造廠商需要關(guān)注的主要問題。

3 Hairpin扁線電機(jī)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

a.效率高且功率密度高。與傳統(tǒng)圓線電機(jī)不同，Hairpin扁線電機(jī)（主要規(guī)格參數(shù)如表1所示）具有更高的空間利用效率，能夠在相同條件下容納更多導(dǎo)線，裸銅槽滿率至少可以在傳統(tǒng)圓線電機(jī)的基礎(chǔ)上提升20%，質(zhì)量和性能較強(qiáng)的Hairpin扁線電機(jī)裸銅槽滿率可以在原有基礎(chǔ)上提升30%。這種提升能使得繞組電阻無(wú)法正常進(jìn)行阻進(jìn)作用，從而降低整個(gè)電機(jī)的運(yùn)行銅損耗。若所用的導(dǎo)線直徑較大，則其所產(chǎn)生的電阻較小，因此不會(huì)因?qū)Ь€運(yùn)行發(fā)熱而受到較大影響，整體損失能量情況在可控范圍之內(nèi)。也就是說，在相同損耗下，傳統(tǒng)圓線電機(jī)所輸出的功率和扭矩小于Hairpin扁線電機(jī)[1]。

b.具有卓越的散熱性能。Hairpin扁線采用扁平外觀設(shè)計(jì)，這種扁平的性狀能夠?yàn)楸饩€繞組與冷卻介質(zhì)之間的接觸提供一定空間。再加上整個(gè)Hairpin扁線電機(jī)的性狀較為規(guī)整，因此能夠在定子槽內(nèi)緊密貼合，有利于熱量的快速散發(fā)，從而削弱Hairpin扁線電機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而出現(xiàn)的高溫狀態(tài)，提高電機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命。不僅如此，還能使其與定子鐵芯齒部和軛部的接觸呈現(xiàn)更優(yōu)，熱傳導(dǎo)效率以及電機(jī)的運(yùn)行峰值都會(huì)在一定范圍內(nèi)得到有效提升。

4 Hairpin扁線電機(jī)定子工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

4.1 扁線繞組的成型工藝

一方面，需要對(duì)扁線的材質(zhì)進(jìn)行精細(xì)挑選，這是因?yàn)楸饩€的材質(zhì)與電機(jī)的整體性能，以及成本消耗等多個(gè)方面有著無(wú)法分割的關(guān)系。銅和鋁是最常見的兩種扁線材料，這是因?yàn)殂~的導(dǎo)電性能較好同時(shí)還具備較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，但所消耗成本較高；鋁的成本消耗量較少，但導(dǎo)電性能較差。為增強(qiáng)扁線繞組成型工藝的應(yīng)用效果，除了材質(zhì)之外，還需要對(duì)所選擇材料的實(shí)際機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性等多方面性能進(jìn)行綜合考慮，以更好地適應(yīng)不同的工作環(huán)境和要求。

另一方面，從具體成型過程方面來(lái)看，扁線成型中最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)是切割和折彎，這兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)精確度有著嚴(yán)格的要求，若切割尺寸存在較大誤差，則勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致扁線繞組長(zhǎng)度和電阻的實(shí)際數(shù)值與預(yù)設(shè)方案之間出現(xiàn)不符的問題，而折彎角度與預(yù)期不符，則可能會(huì)導(dǎo)致扁線繞組在嵌入定子槽的過程中出現(xiàn)一系列問題，也會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行效果造成影響。

CNC柔性成型和模具壓成型是目前較常使用的兩種Hairpin成型工藝，如圖3、圖4所示。相較而言，模具壓制成型所顯現(xiàn)出的成型質(zhì)量更為理想，在批量生產(chǎn)中能夠維持在更低的成本投入水平上，因此使用模具壓制成型的方式展開Hairpin成型作業(yè)更為理想。

4.2 定子鐵芯的加工制造

4.2.1 鐵芯材料

鐵芯是定子的核心組件，其所用材料的性質(zhì)對(duì)電機(jī)的整體性能有著至關(guān)重要的影響。電機(jī)的工作效率和功率因數(shù)與鐵芯材料的磁性特性有著直接的聯(lián)系。高品質(zhì)的硅鋼片通常顯示出較低的鐵損特性，這意味著在電磁能量轉(zhuǎn)換過程中能量損耗相對(duì)較少，從而可以顯著提高電機(jī)的工作效率。另外，高磁導(dǎo)率確保了磁通可以更流暢地通過鐵芯，從而有助于提高電機(jī)的輸出功率。但是，這類高效能的材料常常伴隨著相對(duì)較高的成本，這肯定會(huì)導(dǎo)致電機(jī)生產(chǎn)成本的上升[2]。

因此，在挑選鐵芯材料的過程中，必須進(jìn)行深入且仔細(xì)的評(píng)估，比如需要對(duì)電機(jī)的實(shí)際使用環(huán)境和性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入探討。例如，在追求更高的效率和功率密度的高端應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)于新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，人們可能更偏向于選擇高品質(zhì)的硅鋼片，以確保達(dá)到嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)。從另一個(gè)角度看，成本預(yù)算同樣是一個(gè)不能被輕視的要素。對(duì)于那些對(duì)成本比較敏感的大眾應(yīng)用產(chǎn)品，在確?；A(chǔ)性能的同時(shí)，可能需要在材料性能和成本之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，可以選擇性價(jià)比較高的中低牌號(hào)硅鋼片，或者考慮使用其他替代材料。只有在綜合考慮電機(jī)的性能需求與成本預(yù)算后，才能做出最合適且經(jīng)濟(jì)高效的鐵芯材料的選擇。

4.2.2 沖壓技術(shù)

在定子鐵芯的生產(chǎn)流程中，沖壓技術(shù)起到了不可或缺的作用。沖壓模具的精細(xì)設(shè)計(jì)和沖壓參數(shù)的精確配置，對(duì)鐵芯的最終品質(zhì)產(chǎn)生了關(guān)鍵性的作用。鐵芯槽型的尺寸精度和形狀一致性是由模具精度所直接影響的。使用高精度模具可以確保鐵芯槽型尺寸的準(zhǔn)確性和一致性，這為繞組的嵌入創(chuàng)造了理想的環(huán)境，并確保了電機(jī)的電磁性能得到穩(wěn)定和優(yōu)化。

沖壓過程中的各種參數(shù)，如沖壓力和沖壓速度，都會(huì)對(duì)鐵芯的整體質(zhì)量造成多維度的影響。在沖壓過程中，鐵芯的變形程度與沖壓力的大小有著直接的聯(lián)系。如果沖擊壓力太大，鐵芯可能會(huì)發(fā)生過度的形變，導(dǎo)致殘留應(yīng)力的集中，進(jìn)而對(duì)鐵芯的磁性和機(jī)械穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；相反，如果沖壓力太低，可能無(wú)法確保沖壓的完整性和精度，從而導(dǎo)致鐵芯出現(xiàn)毛刺、缺口等缺陷。過快的沖壓速度可能會(huì)導(dǎo)致模具磨損加重、沖壓過程變得不穩(wěn)定，甚至可能引發(fā)鐵芯的瞬時(shí)斷裂；如果沖壓的速度太慢，那么生產(chǎn)的效率會(huì)受到影響，同時(shí)生產(chǎn)的成本也會(huì)上升[3]。

因此，在進(jìn)行定子鐵芯的沖壓工藝時(shí)，必須依賴大量的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的累積，以準(zhǔn)確確定最優(yōu)的沖壓模具設(shè)計(jì)和沖壓參數(shù)設(shè)置。為了確保沖壓出的鐵芯具備高品質(zhì)、高精確度以及優(yōu)良的性能一致性，這不僅需要先進(jìn)的模具制造技術(shù)和高精度的加工設(shè)備，還需要工程技術(shù)人員擁有深厚的專業(yè)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這樣才能為電機(jī)的高效運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.3 扭頭工藝

Hairpin扁線電機(jī)定子的扭頭工藝是一個(gè)至關(guān)重要且充滿挑戰(zhàn)的生產(chǎn)步驟，其過程如圖5所示。扭頭工藝的核心目標(biāo)是對(duì)扁線繞組的端部進(jìn)行恰當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)和調(diào)整，以確保繞組間的精確連接和優(yōu)化的空間布局，進(jìn)而提高電機(jī)的整體性能和穩(wěn)定性。以Hairpin扁線電機(jī)為例，在某款電動(dòng)汽車中，即使扭頭角度的偏差只有2°，也可能會(huì)使繞組間的接觸電阻增加大約5%，這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的能量損失增加，從而使效率下降大約1%。從位置控制的角度看，如果偏差超出0.5 mm，那么相鄰的繞組間的距離可能會(huì)變得不均勻，這進(jìn)一步會(huì)對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致功率因數(shù)的降低。

在扭頭時(shí)，扁線所承受的應(yīng)力分布顯得尤為關(guān)鍵。不均衡的應(yīng)力可能會(huì)引起扁線發(fā)生變形、產(chǎn)生裂紋或甚至斷裂，進(jìn)而對(duì)繞組的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響。以典型的銅制扁線為研究對(duì)象，當(dāng)其在扭頭過程中受到的應(yīng)力超出其屈服強(qiáng)度的80%時(shí)，這種扁線裂紋的出現(xiàn)幾率會(huì)明顯上升。舉例來(lái)說，在某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到特定水平時(shí)，超過30%的扁線在扭頭之后會(huì)出現(xiàn)微小的裂紋，這會(huì)導(dǎo)致電阻增加大約3%。

另外，溫度也是一個(gè)必須要考慮的變量。由于摩擦與形變，扁線有可能釋放出熱能。如果溫度過高，材料的性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生改變，這可能會(huì)對(duì)扭頭后的品質(zhì)和穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。例如，在溫度升高至200 ℃以上的情況下，銅扁線的硬度可能會(huì)減少大約10%，這有可能會(huì)影響其在扭頭后形狀的穩(wěn)定性。因此，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，通常會(huì)選擇使用水冷或風(fēng)冷這樣的冷卻方法，確保溫度維持在150 ℃或更低。

為了達(dá)到高品質(zhì)的扭頭效果，工藝參數(shù)的精細(xì)調(diào)整是至關(guān)重要的。這涉及轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、所施加的力量幅度以及其持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)等因素。經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)和模擬分析可以得出相應(yīng)結(jié)論，在扭頭速度為每秒10°、施加的力為50 N并且持續(xù)時(shí)間為0.5 s的條件下，對(duì)于截面積為5 mm2的扁線，扭頭后的缺陷發(fā)生率可以維持在1%之內(nèi)，同時(shí)生產(chǎn)效率也能達(dá)到每小時(shí)大約100個(gè)定子的水平。

最后，必須在扭頭之后進(jìn)行質(zhì)量檢查和控制。操作人員需要運(yùn)用尖端的檢測(cè)方法，如光學(xué)測(cè)量和電阻測(cè)定等技術(shù)。例如，利用高度精確的光學(xué)探測(cè)工具，能夠探測(cè)到扁線頭部的裂紋，其大小不超過0.1 mm；電阻的測(cè)量精度可以高達(dá)0.001 Ω，這有助于對(duì)扭頭的品質(zhì)進(jìn)行精確的評(píng)估，并能夠及時(shí)地識(shí)別并排除不達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品，從而確保定子的總體表現(xiàn)和穩(wěn)定性。

4.4 焊接工藝

定子繞組的電氣連接的穩(wěn)定性和電阻的一致性是由焊接質(zhì)量的好壞直接決定的，這會(huì)進(jìn)一步對(duì)電機(jī)的整體性能、工作效率和可靠性造成深刻的影響。

常用的焊接技術(shù)有激光焊接、超聲波焊接以及電阻焊接等幾種。激光焊接技術(shù)以其高度的精確性、強(qiáng)大的能量密度和微小的熱影響區(qū)域而著稱。例如，在焊接0.5 mm厚的扁銅線時(shí)，激光束可以精確地聚焦，從而實(shí)現(xiàn)極小的焊縫寬度和深度，通常不超過0.2 mm，這樣可以確保焊接部位的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。但是，激光焊接設(shè)備的成本相對(duì)較高，并且對(duì)焊接表面的清潔度有嚴(yán)格的要求。

超聲波焊接技術(shù)是通過高頻振動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱量來(lái)完成焊接。對(duì)于規(guī)格一致的扁銅線，其焊接所需的時(shí)間通常不超過0.5 s，從而能迅速地構(gòu)建出穩(wěn)固的連接部位。這種焊接技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：

a.能夠保證焊接過程穩(wěn)定，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊接參數(shù)的全面調(diào)控。

b.能夠有效提升整體焊接速度，且不需要使用其他助焊劑。

c.焊接不影響整體導(dǎo)電性，焊接中所產(chǎn)生的電阻系數(shù)極低，不會(huì)對(duì)扁線電機(jī)造成阻礙。然而，這種方法在控制焊接壓力方面要求非常精確，過高的壓力可能會(huì)引發(fā)扁線的變形，而過低的壓力則可能導(dǎo)致焊接強(qiáng)度降低[4]。

電阻焊接是通過電流流過焊件的接觸面和附近區(qū)域，從而產(chǎn)生電阻熱來(lái)進(jìn)行焊接的。在焊接操作中，電流的幅度、通電的時(shí)長(zhǎng)以及電極的壓力等關(guān)鍵參數(shù)的恰當(dāng)搭配顯得尤為關(guān)鍵。以特定型號(hào)的電機(jī)定子焊接為研究對(duì)象，當(dāng)電流達(dá)到5 000 A、通電時(shí)間為0.3 s、電極壓力為300 N時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的焊接效果，并且焊接接頭的電阻值能夠穩(wěn)定地控制在0.002 Ω以下。

除此之外，焊接接頭的微觀構(gòu)造和力學(xué)特性也構(gòu)成了評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。一個(gè)優(yōu)質(zhì)的焊接接頭應(yīng)當(dāng)擁有均勻且精細(xì)的晶粒構(gòu)造，以確保其具備充分的強(qiáng)度和韌性。經(jīng)過金相分析，可以發(fā)現(xiàn)理想的焊接接頭的晶粒大小可以被限制在10 μm以下。

在焊接過程當(dāng)中，熱循環(huán)的存在可能會(huì)對(duì)定子鐵芯以及繞組的各項(xiàng)性能造成一定的影響。過高的熱量有可能引發(fā)鐵芯的局部退火過程，從而降低其磁性能；這也有可能導(dǎo)致繞組的絕緣層遭受損害，從而減少絕緣電阻。因此，有必要對(duì)焊接的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低熱量的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

Hairpin扁線電機(jī)定子工藝融合了機(jī)械制造、電氣工程等多學(xué)科的理論知識(shí)，是一個(gè)綜合性的復(fù)雜系統(tǒng)工程。因此技術(shù)人員需要針對(duì)該工藝中的各個(gè)不同環(huán)節(jié)，嚴(yán)格把控技術(shù)要點(diǎn)，以此來(lái)推動(dòng)Hairpin扁線電機(jī)定子工藝的創(chuàng)新優(yōu)化策略，從而在提升定子制造質(zhì)量和性能的同時(shí)，為電機(jī)行業(yè)和其他有關(guān)領(lǐng)域注入更多活力和動(dòng)力。

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作者簡(jiǎn)介：

楊葵，男，1974年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠囯婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)。