Hair pin扁線電機分段發(fā)卡繞組制造工藝

Hair pin發(fā)卡電機又被稱為扁銅線繞組電機，是將傳統(tǒng)電機的定子從一根根的銅線編成的一股線，變成了截面為矩形的銅條。看上去是好看了很多，到那時具體起到什么作用，讓這個技術(shù)在前兩年得到發(fā)幅度的關(guān)注呢？ ? 相對于圓線電機中的圓線，扁線由于外形特性，相同截面積的扁線在排線時比圓線占的空間更小，因此，相同的繞線槽空間中可以繞入截面更大的扁線。但由于扁線的抗彎強度遠高于多股相同截面積組成的額圓線，無法像圓線那樣方便地在鐵芯上繞制，特別是當(dāng)?shù)谝粚永@組繞制完成需將導(dǎo)線跨向第二層繞制時的跨線動作，采用傳統(tǒng)的圓線繞組繞制時相對容易，可使用自動化設(shè)備完成，而采用扁線繞組很難通過自動化設(shè)備完成，即便是手工繞制跨線，也很難將繞組排列規(guī)整，造成更大的鐵芯槽內(nèi)空間浪費。 ?

2014年，hairpin驅(qū)動電機項目立項，上汽捷能和華域電動負責(zé)聯(lián)合開展技術(shù)攻關(guān)，當(dāng)時國內(nèi)研發(fā)量產(chǎn)驅(qū)動電機還是一片空白。在多輪努力后，上汽捷能和華域電動找到了突破口，不僅掌握了hairpin繞組的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，還建立了耐電暈扁漆包線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決了扁線制造、成型、插線、扭頭、焊接等技術(shù)難點。 ? 現(xiàn)有技術(shù)通常是將扁線預(yù)先做成類似u型發(fā)卡的形狀，然后將發(fā)卡線從鐵芯槽的一端插入，再將發(fā)卡式導(dǎo)體末端進行彎折，最后將所有的相鄰端點進行焊接，構(gòu)成一個個線圈。這種方法工藝及其復(fù)雜，并且由于存在大量的焊點，生產(chǎn)成本高，難度大，質(zhì)量難以把控；其他的已有技術(shù)，還包括將定子設(shè)計成分離式結(jié)構(gòu)，預(yù)先把扁線導(dǎo)體壓制成型，然后套入分離的定子內(nèi)，最后再組合成完整定子，這種方法工藝復(fù)雜，影響定子的整體尺寸精度，并且分離的定子對電機磁路影響很大，會增加電機損耗。

? 一、Hair pin分段發(fā)卡繞組制造工藝 ?

2011年DOE項日結(jié)題，同時第一款搭載扁線電機的Chevrolet 車型也完成發(fā)布。不同于普通的圓線電機，如(圖1.1)該電機采用向插線的發(fā)卡繞組技術(shù)，采用半口平行槽結(jié)構(gòu)。??

這種發(fā)卡需要先插入，再用扭彎設(shè)備，將開口的一端扭成類似“腳”的結(jié)構(gòu)，將不同的娃腳焊接起來，最后用環(huán)氧樹脂包如(圖1.2)，實現(xiàn)絕緣增強，該技術(shù)使直流電阻下降30~40%。

生產(chǎn)工藝流程：插絕緣紙——發(fā)卡成型——插線——端部分離（擴口）——扭頭——焊接——滴漆/涂粉——電測

插絕緣紙：目前驅(qū)動電機最流行的是O型，也有用雙C型，B型和S型能提高產(chǎn)品的絕緣性能，但會降低純銅槽滿率，同時會提高制造難度，尤其是6層或8層線時，難度會大幅度增加，制造穩(wěn)定性會更差。

發(fā)卡成型：進行去漆皮工藝裁剪成型，通過劈拉、沖壓或者折彎的方式先成型為U型，我們稱成型端為皇冠型，另一端為焊接型。目前沖壓成型是最流行的工藝，因此如何降低銅線在成型過程中對銅線的損傷就成了一個很重要的議題。

插線：將PIN預(yù)插到仿形工裝內(nèi)并抓緊插入到鐵芯中，壓入到相應(yīng)的設(shè)計尺寸?？鐚泳€的自動插入是一個難點，6層和8層線自動插入難度也會大幅提升。

端部分離（擴口）：拉開每圈焊點的距離，確保扭頭的正常進行和同一槽里外焊點的爬電距離；擴口后尺寸的一致性是保證后序扭頭順利進行的基礎(chǔ)。

扭頭:扭頭后需要焊接的2根線齊平；扭頭后銅線不能損傷和槽紙不能破損。采用何種形式進行切平是值得研究的問題，目前國內(nèi)大部分設(shè)備切平后銅線端面都有明顯的段差。

焊接：焊接本身不是難點，難在快速裝夾和檢測上。目前扁線電機最流行的2種焊接工藝：TIG焊接和激光焊接，當(dāng)然也有公司在試驗CMT冷焊或其他焊接方法。無論采用何種焊接工藝，如何在這么小空間內(nèi)判定這么多焊點的質(zhì)量目前是一個難解的話題。

滴漆/涂粉：材料的選擇不同就決定了工藝順序不同：選擇粉末材料，工藝順序就是先涂敷再浸漆；選擇液態(tài)材料，工藝順序就是先浸漆后涂敷；具體的工藝要求，按照材料的要求進行。涂敷材料目前主要有2種：粉末和液態(tài)的，這2種材料都是被國外公司控制的。同樣，浸漆工藝也有諸多種，譬如傳統(tǒng)的浸漆、真空浸漆、真空壓力浸漆、滴浸等，還有最新的EUV浸漆，這個跟漆材料的選型有很大關(guān)系，不同的漆工藝也有所不同，需要進行試驗驗證，目前可能用的比較多的還是滴浸。

二、Hair pin的優(yōu)勢

高效率和高功率密度? ?Hair pin電機相比傳統(tǒng)圓線電機，裸銅槽滿率可提升20%~30%，有效降低繞組電阻進而降低銅損耗。在同樣條件下，塞進更多面積的導(dǎo)線，導(dǎo)線越粗、電阻越小，在導(dǎo)線上因發(fā)熱損失的能量就會越小。在相同的損耗下Hair pin電機可以輸出更高的功率和扭矩。

更強的散熱能力? ?Hair pin電機形狀更規(guī)則，在定子槽內(nèi)緊密貼合，與定子鐵芯齒部和軛部更好接觸，降低槽內(nèi)熱阻，熱傳導(dǎo)效率更高，進一步提升電機峰值和持續(xù)性能。

更好的NVH表現(xiàn)??? ?由于繞組有更好的剛度，整機也將具備更好的剛度。同時Hair pin繞組是通過鐵芯端部插線，不需要從槽口嵌線，電磁設(shè)計上可以選擇更小的槽口設(shè)計，有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。

更短的繞組端部? ??線圈端部結(jié)構(gòu)更緊湊。相比散嵌繞組，端部高度低很多。

體積更小化? ??電機直徑減小10%，軸向長度（高度）減小15%。功率密度明顯提升。

三、Hair?pin的劣勢

工藝復(fù)雜????工序多，每一步精度要求高，容錯性小。為了減小每槽導(dǎo)體數(shù)，一般槽數(shù)比較多，雷米電機60槽，增加了繞組制造的難度。

趨膚效應(yīng)大? ?頻率越高，扁銅線繞組的交流銅耗會越高。還與電磁設(shè)計有關(guān)，比如槽內(nèi)磁密幅值、槽口高度等。還與扁銅線的尺寸有關(guān)，需要尋找最佳的寬厚比。

不易系列化????發(fā)卡電機匝數(shù)較少，調(diào)整上與電壓、轉(zhuǎn)速的匹配會比較困難，很難系列化。但是新能源汽車電機的型號不是很多，可能問題不大。

銅線要求高? ???扁銅線折彎后絕緣層容易損壞產(chǎn)生缺口或破面，對銅線質(zhì)量提出了更高的要求，并且發(fā)卡電機不像傳統(tǒng)扁銅線電機在繞組成型后可以進行包裹絕緣處理。

設(shè)備要求高??? ?工序復(fù)雜、精度要求高、質(zhì)量要求高、產(chǎn)量大，已有部分主機廠和代工廠引進了發(fā)卡電機繞組設(shè)備生產(chǎn)線，但因為產(chǎn)線成本較高，還未普及。

四、結(jié)語

近兩年Hair-pin電機已成為行業(yè)內(nèi)堅決追求的乘用車驅(qū)動電機發(fā)展方向。國內(nèi)的頂尖電機供應(yīng)商，也開始投資建造更為先進的x-pin自動化產(chǎn)線。

從項目預(yù)研到一代一代的產(chǎn)品迭代，我們會發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律。預(yù)研時大膽創(chuàng)新，奠定一個基調(diào)，產(chǎn)品化時，每次迭代都小心謹(jǐn)慎。扁線繞組也是小步快跑，先給出一個有瑕疵的方案，然后逐步改善端部成型工藝，后又改善絕緣結(jié)構(gòu)，最后解決高速AC電阻問題，每一小步跨得都小，通過一點一滴的提升，將產(chǎn)品的勢能逐步提高。這是一種反急功近利的心態(tài)，沒有急著想一步到位，而是做時間的朋友。

編輯：黃飛

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