一、扁線電機(jī)的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，電驅(qū)系統(tǒng)成為了其中最為內(nèi)卷的部分。新能源車企為了增強(qiáng)整車競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)提出了高功率密度、高效率、高壓化、高NVH性能、低成本的要求。

▲圖1 整車對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的要求

• 在提高效率方面，隨著銅滿率的提升，在相同的輸入電流的情況線下，直流銅損耗更低，可大幅提升電機(jī)的效率，尤其是在低速的情況下，可顯著提升CLTC工況效率。

• 在提高功率密度方面，隨著銅滿率的提升，在保證電機(jī)溫升的同時(shí)，可以輸入更多電流，增加電負(fù)荷，降低電機(jī)的體積和重量，從而提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。

• 在高壓化方面，扁線電機(jī)更能適應(yīng)高壓化。由于扁線的規(guī)則排列，首匝和末匝不接觸，從而降低了高壓擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在扁線上增加絕緣漆層的厚度要比圓線更為容易，因此適合更高電壓的系統(tǒng)。

• 在舒適度方面，因?yàn)楸饩€電機(jī)采用截面積更大的Pin線作為繞組，其繞組剛度要高于圓線繞組，可以改善電機(jī)的NVH性能。

• 在低成本方面，扁線繞組可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)約大量人工成本，使生產(chǎn)費(fèi)用降低。

▲圖2  扁線噪聲降低 

二、扁線定子工藝流程及檢測(cè)

扁線電機(jī)是相對(duì)于圓線電機(jī)的一種統(tǒng)稱，扁線電機(jī)主要的形式有Ipin、Hairpin、Wpin、Xpin等。Hairpin雖然在性能、尺寸上不是最優(yōu)的，但針對(duì)每個(gè)技術(shù)點(diǎn)Hairpin卻是比較好的解決方案，下圖就是一款Hairpin繞組的制造工藝：

▲圖3 某款Hairpin扁線繞組的生產(chǎn)工藝 

上述生產(chǎn)工藝過(guò)程中，紅色框內(nèi)產(chǎn)品工藝過(guò)程的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

首先，在扁線繞組制作過(guò)程中，對(duì)于Pin線的成型、Pin線端部的折彎精度、插線的一致性、裝配精度等都有著較為嚴(yán)格的要求。為了提升加工精度，除了高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)設(shè)備及原材料，還需要從工藝上加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和加工精度的監(jiān)控。

其次，生產(chǎn)過(guò)程中零部件的快速無(wú)損檢測(cè)，是提升產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。

三、先進(jìn)的非接觸式扁線測(cè)量技術(shù)

01 扁線定子單Pin質(zhì)量控制

扁銅線加工需經(jīng)過(guò)校直和去漆等工序。如果扁線表面存在缺陷，就會(huì)影響定子繞組的絕緣性能。尤其是在800V電壓系統(tǒng)中，更要嚴(yán)加管控扁線絕緣質(zhì)量。

扁線具有柔性結(jié)構(gòu)和半透明的漆絕緣層，這給靠觸覺(jué)測(cè)量的傳統(tǒng)方法帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的探針或相機(jī)傳感器無(wú)法完美滿足測(cè)量需求。在此背景下，非接觸式光學(xué)測(cè)量應(yīng)運(yùn)而生。

蔡司的DotScan系列，就是采用色階共聚焦白光探頭，來(lái)區(qū)分透明漆表層和其下方的金屬層。并配備有三種探頭的尺寸，適用于三種不同的測(cè)量范圍：10mm 、3mm、1mm。探頭可在一次CNC運(yùn)行期間全自動(dòng)更換，以適用于不同的表面或改換其他光學(xué)探頭。關(guān)節(jié)軸每次可移動(dòng)一定的角度，將探頭調(diào)整到垂直于待測(cè)部件位置。

02 扁線電機(jī)定子及總成全域檢測(cè)方案

為了保證電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩的變化不破壞定子和殼體的連接，現(xiàn)在主流的設(shè)計(jì)是定子和殼體采用過(guò)盈配合的方式。在此制造工藝過(guò)程中，過(guò)盈配合對(duì)扁線繞組、定子和殼體表面尺寸提出了更高的精度要求。

為了 獲取更精確的全域數(shù)據(jù)，以獲得超出圖紙要求的產(chǎn)品完整信息，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配，蔡司推出了能夠高效獲取數(shù)據(jù)的ATOS三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，這點(diǎn)對(duì)于從研發(fā)到品控具有更深層的意義。

并且在尺寸測(cè)量領(lǐng)域，全域數(shù)據(jù)在進(jìn)行形位公差測(cè)量的同時(shí)，還可以針對(duì)被測(cè)工件與其CAD 3D模型進(jìn)行曲面比較。使用后可以通過(guò)色差圖非常直觀地獲取產(chǎn)品表面誤差信息。

▲圖9  扁銅線全域數(shù)據(jù)與CAD的曲面比較

在生產(chǎn)過(guò)程中，采用過(guò)盈配合工藝，全域數(shù)據(jù)可以用于過(guò)程中的失效分析。通過(guò)采集裝配失效工件的全域數(shù)據(jù)，使用軟件進(jìn)行虛擬交叉裝配，并模擬應(yīng)力。這也是當(dāng)前電驅(qū)企業(yè)開(kāi)發(fā)和質(zhì)量控制數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)發(fā)展方向。

03 扁線定子端部焊球區(qū)的缺陷無(wú)損檢測(cè)和尺寸測(cè)量

在扁線電機(jī)定子的制造環(huán)節(jié)中，需要在定子端部把一根根的Pin線焊接起來(lái)。焊接都是基于高溫熔化的方式，如果工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)損傷扁線焊點(diǎn)周圍的漆膜，從而導(dǎo)致絕緣漆膜可靠性下降。因此在焊接完成后，需要通過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)來(lái)確認(rèn)扁線焊接的質(zhì)量。

扁線電機(jī)的焊點(diǎn)數(shù)量多，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定檢查存在一定的難度。以8層Hairpin定子為例，48個(gè)槽，平均每個(gè)槽4個(gè)焊點(diǎn)，那總共就有192個(gè)焊點(diǎn)。如果想要一次性完成檢測(cè)，設(shè)備中負(fù)責(zé)檢測(cè)的相機(jī)視野范圍就要足夠大，對(duì)光源打光要求也極高。

機(jī)器視覺(jué)可以對(duì)焊接部分進(jìn)行表面檢測(cè)，但在焊接缺陷檢測(cè)上卻力有未逮。在焊接過(guò)程中，未剝離干凈的Pin線絕緣漆或不良的焊接，會(huì)導(dǎo)致焊縫的孔隙，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)性能損失，甚至是完全損壞。所以還需要一種無(wú)接觸式的非破壞性的數(shù)字化檢測(cè)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫缺陷的檢測(cè)。

為了破解這個(gè)難題，蔡司開(kāi)始將工業(yè)CT應(yīng)用于扁線繞組焊接缺陷檢測(cè)。主要是針對(duì)扁線的焊球缺陷和絕緣涂覆層的厚度進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，同時(shí)還有針對(duì)焊球之間的間距，焊球相對(duì)電機(jī)主基準(zhǔn)系的位置度及焊球是否偏離中心點(diǎn)等。

這里蔡司引入了“全域體素?cái)?shù)據(jù)”的檢測(cè)理念，讓用戶可以首先獲得ROI的內(nèi)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后同時(shí)用于缺陷和尺寸的質(zhì)量控制。

蔡司工業(yè)CT產(chǎn)品METROTOM不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Pin線焊縫的內(nèi)部孔隙的檢測(cè)和定位，還能在非破壞性的質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，將有缺陷的定子隔離出來(lái)。

由于蔡司CT的無(wú)損檢測(cè)和全域數(shù)據(jù)的技術(shù)加持，電機(jī)用戶就可以非常容易的對(duì)比不同工藝參數(shù)對(duì)電機(jī)質(zhì)量的影響。對(duì)繞組的檢測(cè)結(jié)論也更為一目了然。通過(guò)這些檢測(cè)后的數(shù)據(jù)得到工藝參數(shù)調(diào)整的最優(yōu)解，同時(shí)也可以對(duì)產(chǎn)線上的產(chǎn)品做無(wú)損的全域檢測(cè)。

四、總結(jié)

扁線電機(jī)以其高效率、高功率密度等特點(diǎn)，在新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)中逐漸成為主流技術(shù)。

扁線電機(jī)的Pin線絕緣、形位公差檢測(cè)和焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)在扁線電機(jī)生產(chǎn)工藝中占有非常重要的位置。需要更為先進(jìn)的非接觸式和數(shù)字化手段來(lái)保證扁線電機(jī)的質(zhì)量。

應(yīng)用先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，可有效協(xié)助企業(yè)進(jìn)行扁線定子的全方位質(zhì)量管控，從而促進(jìn)電機(jī)開(kāi)發(fā)和質(zhì)量管控的數(shù)字化進(jìn)程，建立起質(zhì)量的“護(hù)城河”。