汽車用電機鐵心加工技術(shù)的發(fā)展

董 輝

對汽車電機來說，鐵心是其上的一個重要部件。其加工技術(shù)不僅對電機的性能有一定影響，而且還與電機的生產(chǎn)、制造成本、交貨期及材料利用率都密切相關(guān)。縱觀50多年來，隨著機械加工技術(shù)的進(jìn)步，汽車電機鐵心的加工技術(shù)也在不斷地改進(jìn)與提高，即在不斷地改進(jìn)鐵心的加工工藝、縮短加工工時、提高材料的利用率。

1 電機鐵心發(fā)展回顧

回憶汽車電子技術(shù)的歷史，一般都從20世紀(jì)60年代開始裝用交流發(fā)電機談起，因為交流發(fā)電機上裝有電子元件二極管。而交流發(fā)電機上較大且較重的部件是定子鐵心。傳統(tǒng)制作鐵心的方法是利用模具沖出所謂的定子沖片 （散片），經(jīng)過理片、再經(jīng)鉚接或焊接等工序制成鐵心。交流發(fā)電機定子沖片的示意圖如圖1所示。

圖1 交流發(fā)電機定子沖片的示意圖

采用這種方法制造定子沖片的材料是冷釓電工鋼板或卷料，顯而易見的缺點是材料的利用率很低，材料的利用率大約為20%。對此問題的一項改進(jìn)措施是采用套裁，即將定子沖片的中間要費掉的部分沖出其它產(chǎn)品的部件。原長沙汽車電器廠在20世紀(jì)70年代就引進(jìn)了外國的沖壓設(shè)備與模具，同時加工出交流發(fā)電機的定子沖片和起動機的電樞沖片。一個工廠既生產(chǎn)交流發(fā)電機又生產(chǎn)起動機且都采用同樣厚度的電工鋼板采用這種工藝才比較方便。但采用這種工藝需要大型的沖壓設(shè)備及級進(jìn)模。

采用套裁在一定程度上提高了材料的利用率，材料的利用率大約為30%，仍然是偏低的。從20世紀(jì)80年代起，外國很多廠家及國內(nèi)的一些廠家開始采用螺旋式卷繞鐵心。螺旋式卷繞鐵心的示意圖如圖2所示。

圖2 螺旋式卷繞鐵心的示意圖

螺旋式卷繞鐵心的加工方法是將鋼板加工成帶齒狀的薄片，然后在卷繞機上將其自動卷繞成形，經(jīng)疊壓、整形及焊接工序，制成定子鐵心總成。材料利用率得到大幅度提高。

螺旋式卷繞鐵心可以達(dá)到的加工精度為：內(nèi)徑精度±0.02mm，內(nèi)外徑偏心度0.05mm以內(nèi)，軸向垂直度0.015／疊厚25mm，兩端面的平行度0.03mm以內(nèi)，槽的成形精度0.03mm以內(nèi)。這樣的精度可以滿足燃油車用交流發(fā)電機的要求。

螺旋式卷繞鐵心加工工藝主要用于外徑Φ200之內(nèi)的燃油車用交流發(fā)電機的制造。目前還難以用于新能源車驅(qū)動電機定子鐵心的制造。其原因可以從兩個角度認(rèn)識，一個問題是電動汽車及混合動力車上所裝備驅(qū)動電機多數(shù)場合下內(nèi)外徑尺寸較大、軸向長度較短，因此，與通用電機相比，其材料利用率較低。對混合動力車，則期望其電機耗電較低才好；電機的磁路損耗較高的話，消耗的電力就多，這與新能源車是不相稱的。

第二個問題是：若采用螺旋式卷繞鐵心加工工藝，因驅(qū)動電機內(nèi)外徑尺寸較大，在卷繞工序完成之后，鋼板的厚度將發(fā)生變化，由此造成疊厚精度惡化；此外，卷繞工序后所形成的應(yīng)力造成電損增加，導(dǎo)致驅(qū)動電機的定子鐵心難以采用這種工藝。

于是，許多企業(yè)與院所的相關(guān)人員在21世紀(jì)初研發(fā)出兩種新型的電機定子鐵心，并首先在汽車上得到了運用，即拼塊式定子鐵心與鉸鏈?zhǔn)蕉ㄗ予F心；利用這兩種鐵心制成的電機電樞可以提高材料的利用率，降低成本，改善電機產(chǎn)品的性能。

2 新能源車用驅(qū)動電機鐵心的結(jié)構(gòu)

鉸鏈?zhǔn)蕉ㄗ予F心的電樞沖片不是傳統(tǒng)電樞的整圓結(jié)構(gòu)，而是由一整串的T形片相互銜接而成。鉸鏈?zhǔn)蕉ㄗ予F心電樞沖片的示意圖如圖3所示。采用這種結(jié)構(gòu)的電樞沖片可以將繞制好的電樞線圈安放到槽中或?qū)?dǎo)線直接繞在電樞沖片的槽中，即為嵌線。燃油汽車上有多種電機采用這種結(jié)構(gòu)的定子鐵心。

圖3 鉸鏈?zhǔn)蕉ㄗ予F心電樞沖片的示意圖

拼塊式定子鐵心的電樞沖片不是傳統(tǒng)電樞的整圓結(jié)構(gòu)，而是由數(shù)個T形沖片分總成 （也稱為扇形沖片）組合而成。拼塊式電樞沖片的形式多種多樣，其中的一個例子如圖4所示。

圖4 拼塊式T形沖片定子鐵心與T形沖片的示意圖

采用拼塊式定子鐵心制造電機定子總成有兩種方案。第一種方案是將線圈元件插入鐵心中，即將分段的扁銅線插入經(jīng)紅套等方法制成的鐵心中。這種方案的示意圖如圖5所示。

第二種方案是事先將銅線繞制成形，即繞成鳥籠狀的定子線圈總成，鳥籠狀的定子線圈總成的示意圖如圖6所示，再從外側(cè)插入T形沖片分總成。最后固定鐵心，制成定子，其示意圖如圖7所示。豐田公司的Aqua車用驅(qū)動電機采用的就是這種工藝制造的驅(qū)動電機。

圖5 分段扁銅線插入鐵心中

3 T形沖片分總成的制作

T形沖片也要經(jīng)過理片、疊片才能制成T形沖片分總成。其制作方法大致有3種，下面分別加以介紹。

圖6 鳥籠狀的定子線圈總成的示意圖

圖7 T形沖片分總成插入鳥籠狀定子線圈示意圖

3.1 疊鉚法

這種方法是在T形沖片的適當(dāng)部位上沖出一定的幾何形狀，將這些幾何形狀稱為疊鉚點，如圖8所示。T形沖片的上部是凹坑，下部是凸起，在加工過程中，將同一名義尺寸的上一沖片的凸起部分嵌入到下一沖片的凹坑中，在模具落料凹模收緊圈內(nèi)自然形成過盈，達(dá)到緊固連接的目的。如圖9所示。在模具內(nèi)鐵心形成的過程是：在沖片落料工位上，上一沖片疊鉚點的凸起部位與下一沖片的凹坑部位準(zhǔn)確地重合在一起，當(dāng)上面一片受到落料凸模的壓力作用時，下面一片借助其外形與凹模壁所產(chǎn)生的反作用力使兩片形成疊鉚。

T形沖片疊鉚點的幾何形狀有：①圓柱形疊鉚點，其特點是定位精度高，占地少，即在狹小的場所就可以事先疊鉚，疊鉚力較低，但需要較高精度的模具；②V形疊鉚點，其特點是可以實現(xiàn)疊層的扭斜，疊鉚力較大，疊鉚位置易于重合；③L形疊鉚點；④梯形疊鉚點。這幾種疊鉚點幾何形狀示意如圖10所示。

圖8 T形沖片疊鉚點的示意圖

圖9 鐵心自動疊鉚結(jié)構(gòu)

3.2 激光焊接疊片法

這種方法適用于小型電機且采用薄鋼板的定子鐵心。激光焊接疊片法的示意如圖11所示。

3.3 粘接法

這種方法適用于大型電機且采用薄鋼板的定子鐵心。粘接法的示意如圖12所示。

T形沖片分總成的這3種加工方法，如果采用的是級進(jìn)模的話，在連續(xù)沖壓的過程中就可以完成沖片分總成的緊固工序。

近幾年以來，疊鉚法難以適用或者根本不適用于薄、硬鋼板的沖片分總成加工，所以，在制造高效電機的定子鐵心時，更青睞選用激光焊接疊片法或粘接法。

T形沖片分總成的這些加工方法對電機的主要特性會有一定的影響。影響較大的項目有鐵損、表明傳熱程度的散熱性以及耐振性能。因此，對損耗要求較高以及高效率電機來說，必須根據(jù)電機的規(guī)格選用沖片分總成的加工方法。

圖10 疊鉚點幾何形狀示意圖

圖11 激光焊接疊片法示意圖

圖12 粘接法示意圖

4 沖片分總成加工方法的損耗

4.1 沖片分總成不同加工方法時電機的鐵損

在生產(chǎn)電機的過程中，電機的鐵心要經(jīng)過退火、壓軸、嵌線、螺栓緊固及壓入外殼等一連串的工序，各個工序都是造成鐵損增加的原因。在審核電機的鐵損時，這些都是不可遺漏的項目。但是，在實際工作過程中，往往都是采用不同加工方法制造出沖片，利用這些分總成制造出參數(shù)、外形、規(guī)格等相同的樣品電機，再對電機的鐵損加以比較，得出沖片分總成加工方法的優(yōu)劣。

粘接法與疊鉚法沖片分總成制得電機的鐵損對比如圖13所示，從圖中可以看出，在整個轉(zhuǎn)速范圍里，與疊鉚法相比，粘接法電機的鐵損要低10%～15%。從損耗的分類來看，在高轉(zhuǎn)速區(qū)，渦流損耗的比例較高。

圖13 粘接法與疊鉚法沖片分總成制得電機的鐵損對比

4.2 沖片分總成不同加工方法時電機的散熱性能

對比疊鉚法與粘接法沖片分總成的散熱性能可知，與疊鉚法相比，粘接法電機的散熱性能更好。散熱性的對比就是測試兩種沖片分總成的溫升隨著時間的變化狀況，測試結(jié)果如圖14所示。

測試時，將沖片分總成置于有一定溫度的平板上，根據(jù)沖片分總成表面溫度變化的曲線計算出熱時間常數(shù)，并加以對比，可知粘接法沖片分總成的散熱性要比疊鉚法沖片分總成的高25%。其原因是：沖片分總成的各層間空隙充填了粘接劑，其熱傳導(dǎo)性能得到了改善。

圖14 沖片分總成散熱性能的對比

5 結(jié)語

本文回顧了交流發(fā)電機定子沖片加工工藝的發(fā)展，介紹了當(dāng)代新能源汽車用驅(qū)動電機定子鐵心的現(xiàn)狀，其中主要介紹了T形沖片分總成的加工方法，不同加工方法的試驗對比數(shù)據(jù)來自國外廠家資料。另據(jù)其它資料介紹，粘接法不僅在電動汽車、混合動力車上得到應(yīng)用，而且在氫燃料電池汽車上也得到了應(yīng)用。