純電動汽車驅動電機的定子焊接設備設計

□ 李 陽 □ 談士力 □ 高海燕 □ 王吉香

上海大學 機電工程及自動化學院 上海 200072

近年來，由于世界范圍內資源、環境問題的日益突出，各國都紛紛加大了新能源汽車的開發力度。電動汽車以電能為能源、具有零排放、無污染的突出優點，因此成為世界各國的重點發展對象。正是在此背景下，某公司加大了生產純電動車相關零部件的投入。本課題目的就是為解決純電動汽車關鍵部件——驅動電機的定子焊接問題。

1 焊接設備要求

該設備的工作對象是一個內徑120 mm、外徑180 mm、高為120 mm的定子（如圖1），在該設備上需要完成定子疊片間扭轉9°、定子疊片的壓緊以及焊接。

圖1 純電動汽車驅動電機的定子

2 焊接方案設計

電機定子是由硅鋼片疊裝而成，傳統的定子固定方法是將硅鋼片打孔后用鉚釘或螺栓連接或者用壓力機壓裝后采用鑄鋁連接。這樣不但工序復雜，生產效率低，而且由于連接截面大，影響硅鋼片間的絕緣效果，增加鐵芯的渦流損耗［1］。而采用焊接方式，只需在疊裝好的定子外圓上沿軸向焊接幾條焊縫，即可把硅鋼片牢固地連接在一起，這樣不但工藝簡單，而且也使定子硅鋼片間的絕緣電阻增大，有效導磁截面增加，從而提高了電機的質量。

關于定子焊接的方法，可以采用手工電弧焊、鎢極氬弧焊和激光焊等。手工電弧焊因電弧熱量小、不集中、焊縫熱影響區大、焊縫不光滑而且無法實現自動化、效率低等因素，很少采用。鎢極氬弧焊因弧長穩定、電弧彈性好、不加填充金屬、焊接參數容易控制、焊縫平整光潔、無飛濺等因素，應用廣泛，但是由于硅鋼片的含硅量高，因此可焊性差，焊接后易開裂，焊接難度大。而激光焊將激光器輸出的高功率密度的激光束經過聚焦，使其光斑小，能量集中，密度高，加熱效率快，因此受焊金屬變形小。硅鋼片是一種含硅量較高、含碳量較低的硅鐵合金，其導熱系數低，熱敏性較大，有利于用激光束高能快速加熱熔化，因此形成良好的連接焊縫［2］。分析后決定選擇激光焊作為本設備焊接的方法。同時，為了便于設備布局，增加設備的柔性化，選用了可用光纖傳輸的固體激光器。

3 機械結構設計

3.1 總體結構設計

由設備要求可知設備需要完成的動作過程為：上料→定子定位→定子疊片扭轉→定子疊片壓緊→定子疊片焊接→下料。由于廠商考慮到價格以及可靠性等要求，決定上下料采用人工方式，因此該設備主要包括的部分是：定子疊片定位夾緊組件，定子疊片扭轉組件，定子疊片壓緊組件，定子疊片焊接組件。由于該設備采用激光焊接，考慮到激光對人體的危害，采用了將工作工位和上下料工位隔開的兩工位結構。對于定子在設備上的姿態，考慮到上下料方便以及定子壓緊裝置布置的方便性，決定采用定子軸線和水平面垂直的方式。定子扭轉后外圓上需要焊接6條傾斜焊縫，基于成本原因不可能采用6個激光頭同時焊接，考慮到激光頭上連接有光纖，不便作頻繁的圓周運動，因此決定采用焊接過程中激光頭作上下運動、同時定子作旋轉運動的方式來實現6條傾斜焊縫的焊接。

3.2 定子疊片定位夾緊組件設計

該組件能保證定子裝夾位置的準確性，不僅使定子在焊接過程中不移動，還要保證在焊接過程中承受壓力的同時進行精確的角度旋轉，因此采用了如圖2所示的結構。定子由芯軸驅動的多片脹緊片沿徑向方向移動，使脹緊片貼緊定子內圓，完成定子定位和夾緊。由推力軸承來實現承受壓力的同時進行旋轉，由伺服電機來精確控制旋轉的角度。

圖2 定子疊片定位夾緊機構結構圖

3.3 定子疊片扭轉組件的設計

為了削弱定子繞組的齒諧波電勢，從而削弱由這些諧波磁場引起的附加轉矩，降低電磁振動和噪聲［3］，需要在焊接前對定子疊片進行扭轉，以形成一個與軸線夾角為9°的斜槽。該設備采用一個由伺服電機驅動的扭轉頭插入到定子外圓上的槽中，以實現定子的扭轉，如圖3所示。

圖3 定子疊片扭轉組件結構圖

3.4 定子疊片壓緊組件

為了實現定子疊片的壓緊，可以采用螺紋壓板、液壓缸、氣缸以及新型的氣液增壓缸。采用螺紋壓板方式，不利于提高自動化程度，氣缸的力不能滿足該設備的要求，而液壓缸需要增加相應的液壓泵站，并且存在泄漏問題，所以該設備采用氣液增壓缸，這樣可以在不增加周邊設備的前提下，滿足設備的需求。壓緊部分在焊接過程中也要能夠隨著定子進行旋轉，所以此處也采用推力軸承來承受壓力，如圖4所示。

圖4 定子疊片壓緊組件結構圖

3.5 定子焊接組件

由于該設備采用固體激光器，因此只需將激光頭安裝到設備內部并通過光纖與激光器相連，這樣就大大簡化了設計。由于焊接時激光頭要上下運動以焊接出傾斜的焊縫，為了實現精確的位置調節，此處采用了伺服電機驅動滾珠絲桿的結構，并將激光頭安裝到與絲桿螺母相連接的平臺上，如圖5所示。

圖5 定子焊接組件結構圖

4 結論

本文設計了一種純電動汽車驅動電機的定子焊接設備，實現了高效、可靠的定子扭轉與激光焊接，大幅度提高了電動汽車定子的生產效率和質量，填補了該系列定子自動化扭轉焊接設備的空白。

［1］ 陳卓雷，蔡西川.無取向硅鋼的迭裝性能研究［J］.電工材料，2007（4）：19-23.

［2］ 姜幼卿.微電機定子的激光焊接［J］.微特電機，1989（5）：30-32.

［3］ 陳楚興.計算三相異步電動機轉子斜槽度［J］.電機技術，2010（4）：13-15.