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淺析扁線電機定子槽滿率對制造工藝的影響

發(fā)布時間:2023年2月8日 | 文章來源:旺材電機與電控 | 瀏覽次數(shù):2,174 | 訪問原文

扁線電機與圓線電機的區(qū)別在于銅線的成形方式,扁線有利于電機槽滿率的提升,一般圓線電機的槽滿率為40%左右,而扁線電機的槽滿率能達到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)生更強的磁場強度,提升功率密度。
隨著新能源汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,客戶對于電機的功率密度(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)的導體截面積與鐵芯槽口總面積的比值,電機槽滿率越高代表著“銅線在鐵芯槽內(nèi)填得越滿”。
槽滿率對比示意圖由上圖可以看出,扁線電機由于槽滿率的大幅提升,已經(jīng)成為新能源驅(qū)動電機的絕對主流。從產(chǎn)品的角度,當然是槽滿率越高越好,但另一方面槽滿率的不斷提高,對扁線電機的制造工藝、設(shè)備精度/復雜度都帶來了巨大挑戰(zhàn)。

那么槽滿率的提高,對于扁線定子的制造而言,難在哪兒?

首先,對銅線成型的精度和一致性要求高。銅線成型時,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。所以相比于3D數(shù)模,槽內(nèi)一組銅線在插線時并沒有那么規(guī)整。這種不規(guī)整會明顯增加銅線入鐵芯槽時的摩擦阻力,需要更大的壓入力才能克服,而壓入力過大會導致插入不到位、銅線擠壓變形或損傷、絕緣紙滑動等一系列問題。槽滿率越高,鐵芯槽內(nèi)的設(shè)計預留間隙就越小,對這種不規(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,由于銅線在成型時會有一定回彈,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—銅材本身的機械特性
  • 漆膜材質(zhì)—漆膜的厚度、材質(zhì)也對銅
  • 線整體彈性模量有影響

躍科在模具設(shè)計時,會根據(jù)以上幾個因素,對銅線的成型過程進行分析和仿真模擬,并結(jié)合大量應用經(jīng)驗設(shè)計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0.1~0.2mm。

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

非常考驗自動化供應商的機械設(shè)計能力、機加工能力、裝配調(diào)試能力,以及電氣控制能力。

再者,絕緣紙在入線時滑動的風險增高。槽滿率高意味著入線時銅線與絕緣紙的摩擦力增加,絕緣紙容易被摩擦力帶動產(chǎn)生軸向滑動。需要盡可能將絕緣紙包絡尺寸做大,同時在插線、壓線過程中對絕緣紙底部做好承托。增大絕緣紙的包絡尺寸,意味著插紙時,絕緣紙與鐵芯內(nèi)壁貼合更緊密,絕緣紙穿出鐵芯槽時摩擦力增大,將大幅增加絕緣紙插入時卷邊、變形的風險。

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

最后,滴漆填充更加困難。滴漆時漆液主要通過毛細現(xiàn)象逐漸滲入槽中,當槽滿率增加后,鐵芯槽內(nèi)空隙尺寸變小,雖然理論上浸漬漆的毛細滲透效應會有所增加,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?,槽?nèi)空氣不能有效排出,反而導致填充率的下降。下圖為隨著槽內(nèi)間隙大小變化時,毛細滲透作用和排氣效果隨之變化的曲線示意圖。在這兩個因素的共同作用下,將槽內(nèi)間隙設(shè)置在曲線交叉點附近才能夠獲得最好的浸漆填充效果。

基于優(yōu)化設(shè)計的定子,采用傾斜滴漆方式,躍科目前可實現(xiàn)90-95%的滴漆填充率。
因此電機槽滿率的設(shè)計,應從全價值流角度,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。那么電機設(shè)計時一般該如何設(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方向進行評估:

  • 徑向間隙 = 鐵芯槽深 -(銅線厚度*每槽導體數(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,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。