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淺析扁線電機(jī)定子槽滿率對(duì)制造工藝的影響

發(fā)布時(shí)間：2023年2月8日 | 文章來源：旺材電機(jī)與電控 | 瀏覽次數(shù)：2,176 | 訪問原文
扁線電機(jī)與圓線電機(jī)的區(qū)別在于銅線的成形方式，扁線有利于電機(jī)槽滿率的提升，一般圓線電機(jī)的槽滿率為40%左右，而扁線電機(jī)的槽滿率能達(dá)到60%以上。槽滿率的提升意味著在空間不變的前提下，可以填充更多的銅線，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場強(qiáng)度，提升功率密度。
隨著新能源汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，客戶對(duì)于電機(jī)的功率密度（功率/重量）要求越來越高，同等重量條件下如何獲得更大的功率？其中一個(gè)非常重要的方法就是提高定子槽滿率。什么是槽滿率？

即鐵芯槽內(nèi)的導(dǎo)體截面積與鐵芯槽口總面積的比值，電機(jī)槽滿率越高代表著“銅線在鐵芯槽內(nèi)填得越滿”。
槽滿率對(duì)比示意圖由上圖可以看出，扁線電機(jī)由于槽滿率的大幅提升，已經(jīng)成為新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)的絕對(duì)主流。從產(chǎn)品的角度，當(dāng)然是槽滿率越高越好，但另一方面槽滿率的不斷提高，對(duì)扁線電機(jī)的制造工藝、設(shè)備精度/復(fù)雜度都帶來了巨大挑戰(zhàn)。

那么槽滿率的提高，對(duì)于扁線定子的制造而言，難在哪兒？

首先，對(duì)銅線成型的精度和一致性要求高。銅線成型時(shí)，不可能完全與理論數(shù)模線型一致，輪廓度、直線度等均存在誤差和波動(dòng)。所以相比于3D數(shù)模，槽內(nèi)一組銅線在插線時(shí)并沒有那么規(guī)整。這種不規(guī)整會(huì)明顯增加銅線入鐵芯槽時(shí)的摩擦阻力，需要更大的壓入力才能克服，而壓入力過大會(huì)導(dǎo)致插入不到位、銅線擠壓變形或損傷、絕緣紙滑動(dòng)等一系列問題。槽滿率越高，鐵芯槽內(nèi)的設(shè)計(jì)預(yù)留間隙就越小，對(duì)這種不規(guī)整現(xiàn)象的容忍度也越低。

線成型的關(guān)鍵就在于控制Hairpin的成型精度，由于銅線在成型時(shí)會(huì)有一定回彈，3D模具形狀不能簡單按照線型數(shù)模繪制，需考慮以下幾個(gè)影響回彈量的因子：

  • 線規(guī)格—銅線寬度和厚度
  • Hairpin形狀—跨距、弧度、角度等
  • 基材彈性模量—銅材本身的機(jī)械特性
  • 漆膜材質(zhì)—漆膜的厚度、材質(zhì)也對(duì)銅
  • 線整體彈性模量有影響

躍科在模具設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)以上幾個(gè)因素，對(duì)銅線的成型過程進(jìn)行分析和仿真模擬，并結(jié)合大量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出最合理的模具輪廓，得到最精確的線型尺寸，線型整體輪廓度可達(dá)0.1~0.2mm。

另外， 在線成型過程中，還可以通過視覺手段，對(duì)成型后的銅線尺寸，進(jìn)行100%在線檢測(cè)，防止異常情況導(dǎo)致的錯(cuò)誤線型流入下序。
其次，對(duì)設(shè)備所有對(duì)中、導(dǎo)向相關(guān)的機(jī)構(gòu)和零件精度要求高。在hairpin插入鐵芯時(shí)，需要讓所有槽（48、54、72…）同時(shí)與鐵芯槽口精確對(duì)中，銅線才能順暢進(jìn)入鐵芯槽口。槽滿率越高，對(duì)中的精度要求就越高。在入線過程中，必須保證整體抱線機(jī)構(gòu)、入口導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、定子鐵芯、鐵芯定位底座等一連串機(jī)構(gòu)的軸線和角度精確對(duì)中，一般軸線對(duì)中精度要控制在0.05mm以內(nèi)，角度對(duì)中精度要控制在0.02°以內(nèi)。

非?？简?yàn)自動(dòng)化供應(yīng)商的機(jī)械設(shè)計(jì)能力、機(jī)加工能力、裝配調(diào)試能力，以及電氣控制能力。

再者，絕緣紙?jiān)谌刖€時(shí)滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)增高。槽滿率高意味著入線時(shí)銅線與絕緣紙的摩擦力增加，絕緣紙容易被摩擦力帶動(dòng)產(chǎn)生軸向滑動(dòng)。需要盡可能將絕緣紙包絡(luò)尺寸做大，同時(shí)在插線、壓線過程中對(duì)絕緣紙底部做好承托。增大絕緣紙的包絡(luò)尺寸，意味著插紙時(shí)，絕緣紙與鐵芯內(nèi)壁貼合更緊密，絕緣紙穿出鐵芯槽時(shí)摩擦力增大，將大幅增加絕緣紙插入時(shí)卷邊、變形的風(fēng)險(xiǎn)。

尤其對(duì)于油冷電機(jī)，其絕緣紙一般不帶聚酰亞胺夾層，絕緣紙的強(qiáng)度更低，更容易在插紙過程中受力變形，自動(dòng)插紙更加困難。

最后，滴漆填充更加困難。滴漆時(shí)漆液主要通過毛細(xì)現(xiàn)象逐漸滲入槽中，當(dāng)槽滿率增加后，鐵芯槽內(nèi)空隙尺寸變小，雖然理論上浸漬漆的毛細(xì)滲透效應(yīng)會(huì)有所增加，但是空隙的縮小很容易由于漆液亂流、微凝膠等原因?qū)е戮植孔枞蹆?nèi)空氣不能有效排出，反而導(dǎo)致填充率的下降。下圖為隨著槽內(nèi)間隙大小變化時(shí)，毛細(xì)滲透作用和排氣效果隨之變化的曲線示意圖。在這兩個(gè)因素的共同作用下，將槽內(nèi)間隙設(shè)置在曲線交叉點(diǎn)附近才能夠獲得最好的浸漆填充效果。

基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的定子，采用傾斜滴漆方式，躍科目前可實(shí)現(xiàn)90-95%的滴漆填充率。
因此電機(jī)槽滿率的設(shè)計(jì)，應(yīng)從全價(jià)值流角度，綜合產(chǎn)品性能需求、工藝設(shè)備能力、產(chǎn)線穩(wěn)定性和良率，做出最合理的設(shè)置。那么電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)一般該如何設(shè)置槽滿率？從制造的角度而言，直接關(guān)注的是“機(jī)械槽滿率”而非“純銅槽滿率”，即連同絕緣紙、漆膜一同考慮，一般從徑向和周向兩個(gè)方向進(jìn)行評(píng)估：

  • 徑向間隙 = 鐵芯槽深 -（銅線厚度*每槽導(dǎo)體數(shù)+絕緣紙厚度*3）≈0.5~1.0mm
  • 周向間隙 = 鐵芯槽寬 -（銅線寬度*1+絕緣紙厚度*2）≈0.1~0.2mm

最終值的確認(rèn)，需結(jié)合銅線層數(shù)、鐵芯疊高、槽數(shù)、銅線規(guī)格等因素綜合考量。