地鐵直流牽引電機磁極線圈制造工藝改進與創(chuàng)新

摘 要：國內某地鐵線路地鐵車輛配置的牽引電機此前為國外進口電機，其成本高，供貨期長，不能快速響應國內日新月異的城市軌道交通發(fā)展。在對該地鐵車輛電機進行國產化制造時，發(fā)現按國內現有制造工藝，其電機磁極線圈質量與原裝電機差距較大，為此提出了改進線圈引線頭焊接方式、改進固型模式、優(yōu)化匝間絕緣，并對改進前后進行了對比，發(fā)現改進后的工藝方案不僅確保了線圈外型尺寸及裝配質量，同時在電機溫升試驗時線圈性能良好，各項參數均滿足設計制造要求。

關鍵詞：地鐵電機 磁極線圈 工藝改進

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0046-03

Abstract： The traction motor of a subway line in China has been used to import， and its cost is high and the delivery time is long， so it cannot respond quickly to the rapid development of urban rail transit in China， and therefore， we try to realize the domestic manufacture. However， according to the existing domestic manufacturing technology， the motor pole coil quality is poor compared to the original. In order to improve the quality of products， we proposed to improve the wire leading terminals welding way， to improve the solid model and to optimizing the turn-to-turn insulation. The new technology ensures the coil shape size and assembly quality， and can satisfy the requirements of design and manufacture of various parameters.

Key Words： Metro Motor； Pole Coil； Technology Improvement

隨著我國城市建設發(fā)展的步伐加大加快，城市軌道交通發(fā)展勢頭迅猛，在各大城市日臻完善的地鐵建設和城軌交通日益便捷的今天，地鐵車輛無疑成為城市居民綠色出行的首選，而地鐵電機作為地鐵車輛的牽引動力，它的各項性能指標在城軌交通中扮演著重要角色，并為我們的快節(jié)奏生活提供速度保障。因此地鐵電機各項性能指標、運行指標、安全可靠性在電機設計與制造中是重中之重。在電機各重大部件中，線圈作為核心之一，其設計與制造關系著整臺電機的性能與安全，因此它的質量對電機而言舉足輕重。國內某地鐵線路的地鐵電機此前一直為國外進口牽引電機，該電機由于供貨周期長、成本高，較大程度上制約了城市軌道交通運輸的短、頻、快運力需求。在對該電機進行國產化研制中，受現有裝備制造能力、工藝設計水平影響，電機的磁極線圈質量不穩(wěn)定，裝配質量不高，通過對工藝進行優(yōu)化設計與改進后，絕緣結構得到了較大改善，現已成功實現了該電機的裝車試運行，且各項運行參數均滿足設計要求，實現了現有線圈制造工藝水平的提升。

1 問題提出

該地鐵電機磁極線圈主極開口、交叉各兩組，附極線圈共4組，主極線圈采用傳統的扁繞工藝[1]，附極線圈采用平繞工藝，在線圈制造中主要出現了以下問題。

（1）主極線圈成型質量不高：主極線圈共計24匝，繞制時匝間不齊度高，且每匝的端部比直線段內寬小約2～4mm，線圈R角外側銅帶有不同程度的拉伸變薄，嚴重的有開裂和卷邊現象，R角的內側有增厚現象。雖后工序會對線圈進行油壓整形、端部壓弧和手工打磨，但仍難徹底消除匝間不齊，因此給磁極鐵芯一體化裝配帶來困難。

（2）冷態(tài)電阻值超差：線圈引線頭焊接后，主、附極線圈的冷態(tài)電阻值要求不超過標準值的±5%，而主極線圈實測值已超標準值9%以上，附極線圈成型較好，內阻值基本滿足設計要求。

（3）主極線圈壓弧后端部高度超差：主極線圈經油壓整形和端部壓弧后，R角處的增厚仍不能徹底消除，使得墊入匝間絕緣后，線圈的整體高度超差2～3mm，且端部表現突出。經磁極鐵芯一體化后與機座裝配時，磁極鐵芯與機座貼合不緊密，形成了第二氣隙，使得電機因散熱不好而在運行中造成持續(xù)溫升超差。

（4）引線頭焊接方式有待改進：線圈首末匝與引線頭的焊接位置分別位于線圈端部上下兩側弧形段中心處，見圖1主極開口線圈所示。由于焊接位置會多出半匝線圈，且焊接為搭接焊，因此焊接后會高出2匝線圈即3mm的厚度。為保證后工序裝配質量，需改進焊接方式。

2 原因分析

該電機主極線圈的制造工藝流程見圖2所示，影響線圈質量的關鍵工序有線圈扁繞、油壓整型、壓弧、固型，因此結合當前的制造工藝對其問題進行原因分析和排查。

（1）針對繞制成型質量不高：主極線圈使用的銅帶為1.5mm×30mm的TDR軟銅帶，繞制設備為數控扁繞機，因其線規(guī)的寬厚比較大，對繞線模和設備的精度要求較高。繞制時夾持銅帶的夾板需力度適中，過緊易造成銅帶因拉伸而變形，過松則易造成銅帶在送線中出現褶皺；且送線夾板與繞線模需位于同一水平位，否則線圈R角易出現不平整。通過對設備和工裝進行分析和原因排查，發(fā)現繞線模與銅帶夾板間存在約2.3mm的高度差，該高度差等同于給繞制中的銅帶施加了縱向剪切力，造成R拐角處銅帶內收而形成褶皺，這也是端部寬度尺寸小于直線段的重要原因。

（2）針對電阻值超差：根據電阻計算公式R=ρ×L/S，繞制中銅帶在R拐角因受拉伸變長、變窄，因此長度L會增大，截面S會變小，電阻值增大。盡管R角內側銅帶出現一定的增厚會使截面S呈增大趨勢，但該影響對于銅帶長度上的變形可忽略。因此線圈的電阻值更多受銅帶拉伸變形影響大，這也是造成電阻值超差的主要原因。

（3）針對壓弧后端部高度超差：線圈繞制時線匝不齊度高，R拐角有拉伸變形和增厚現象，油壓整形時采用的是整體油壓[2]，因此對每匝去增厚的效果不高。當后工序嵌入匝間絕緣并固型、真空浸漆及對地絕緣包扎后，線圈的整體高度已超高2～3mm，給下工序磁極鐵芯一體化裝配和機座裝配帶來較大影響。

（4）針對引線頭焊接改進分析：線圈引線頭焊接采用的是搭接焊，焊后引線頭位置會比周圍高3mm，即線匝與引線頭的厚度。焊后線圈引線頭會單獨進行絕緣包扎，包扎后會放大該高度差，在磁極鐵芯與機座裝配時，下層引線頭會抵住機座裝配面，使得磁極螺栓無法將線圈緊固到機座上，而上層引線頭焊接位置因超高而影響電機轉子裝配。

（5）針對線圈匝間絕緣分析：主極線圈匝間絕緣要求首末匝各墊t0.1mm的二苯醚胚布各四層，其余匝間墊兩層，固型后進行烘培。因二苯醚胚布特點，匝間絕緣熱烘排膠后固型工裝會出現松弛，需趁熱再次對固型工裝進行緊固，若緊固不到位，線匝與絕緣的一體化效果會比較差，這也會給線圈高度超差帶來較大影響，而熱態(tài)下對固型工裝再次緊固存在一定的安全操作隱患。

3 改進措施

針對以上原因分析與查找，采取了以下四方面的改進措施：

（1）修復繞線模并修訂數控設備補償參數：對銅帶固定夾板、繞線模進行修復，使其工作面光滑、平整，夾板與繞線模保持同一水平面。修訂設備參數，尤其R角的補償參數，調整銅帶夾緊力，使得繞制中銅帶與工裝不發(fā)生相對位移，防止轉角速度與送線速度不匹配造成的過渡拉伸或送線遲滯。這是線圈成型質量保障最關鍵的一步。

（2）設計去增厚墊塊：線圈油壓整型時通過模具對線圈的內外框、上下面及側面進行油壓整型，未單獨對每匝進行去增厚操作，因此在消除線圈R角處增厚的效果不明顯。為提高油壓整型效果，新設計制作了匝間去增厚墊塊，即在線圈每匝端部位置墊入墊塊后再進行油壓，以降低和消除線圈R角的增厚影響。

（3）改進引線頭焊接方式：將主極交叉、開口線圈的引線頭焊接由搭接焊改為對接焊，焊后焊接位置與末匝線圈高度持平，由于焊接位置不受作用力影響，且電流密度滿足設計要求，經對焊接質量進行宏觀金相檢測和分析后，對接焊的質量完全滿足設計要求。此外，引線頭的焊接位置還可調整至線圈直線位置上，目的是便于線圈端部的壓弧操作和質量保證，同時也可降低弧形段的焊接難度。

（4）匝間絕緣二苯醚漆布替代二苯醚胚布：由于磁極線圈裝配采用的是白胚定裝工藝，因此匝間絕緣改為二苯醚漆布對線圈固型效果更好。同時將原首末匝間各墊四層，其余匝間墊兩層改為各匝間均墊兩層，固型后線圈整體浸T1153絕緣漆。改進匝間絕緣材料后，線圈固型后不需要在熱態(tài)下再次對固型工裝進行緊固，且真空浸漆后線圈的一體化效果好，因此工藝執(zhí)行更為方便。

4 效果及建議

通過以上原因分析與改進后，該地鐵電機主極線圈繞制的形狀規(guī)整，R角變形得到控制，消除了線圈內框兩端部與直線段的寬度差，成型質量的提高使線圈冷態(tài)電阻值得到了控制，已滿足設計要求。同時通過改進引線頭焊接方式，焊接位置的高度得到了控制。此外，優(yōu)化匝間絕緣設計，對地絕緣包扎后的線圈整體高度滿足了設計要求。在后續(xù)批量生產的線圈其一次性合格率達到了98%以上，并且在電機持續(xù)溫升試驗中，各項指標均滿足設計要求，目前國產化后裝配該磁極線圈的地鐵電機已成功裝車運行，且各項運行指標良好。

建議今后對進口產品進行國產化設計與制造時，需結合現有的工藝裝備和制造能力，重視工藝設計與工藝路線，唯有好的工藝方案、好的工藝流程才能確保好的設計理念得以實現，才能對產品的質量提供保證，也才能設計和制造出高品質的鐵路電機產品。

參考文獻

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