新能源汽車驅動電機用變頻漆包銅扁線的研發

湯曉水

（江西銅業加工事業部，江西 南昌 330096）

1 引言

伴隨新能源汽車行業的高速發展，2018年新能源汽車產銷分別完成127萬輛和125.6萬輛，比上年同期分別增長59.9%和61.7%。2019年將進一步放量，在《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出，到2020年我國新能源汽車產銷量將達到500 萬輛規模。驅動電機作為新能源汽車“心臟”的產銷量也隨之增加，因而新能源汽車的快速發展也給驅動電機的配套產業——漆包線行業帶來了巨大的發展機遇，新能源汽車用漆包線市場前景非常看好，而為滿足新能源汽車驅動電機更高的性能技術要求，新能源汽車驅動電機定子用繞組漆包線將逐步由耐熱等級高的220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線（以下簡稱變頻漆包銅扁線）逐步代替200級聚酰胺酰亞胺普通復合漆銅圓包線。所以，高耐熱等級220級變頻漆包銅扁線將成為未來漆包線行業市場新的增長點，也是漆包線行業生產技術新的發展方向。因而，江西銅業加工事業部要加快對新能源汽車驅動電機用變頻漆包扁線新產品的研發，增加漆包線新品種和新技術儲備，提升公司生產技術水平和行業競爭力，提高產品的市場占有率，推動產業向價值鏈中高端發展。

2 公司現有漆包線產品與目前漆包線產品的技術發展方向

加工事業部漆包線廠主要從事設計、制造和銷售各類高檔漆包線，主要產品為耐冷媒（聚酰胺酰亞胺）漆包線、聚酯亞胺漆包線、自潤滑聚酰胺酰亞胺漆包線等180級、200級高端漆包銅圓線，是江銅集團進入銅加工領域的重要探索，目前漆包線產品市場定位于制冷行業，主要的客戶是國內生產空調和冰箱壓縮機企業，存在市場淡旺季非常明顯、客戶過于集中。由于現有產品工藝技術成熟，導致產品利潤較低、賬期較長的特點。因而，公司漆包線產品要盡快調整產品轉型升級，大力對新能源汽車、5G網絡、軌道交通、軍工等領域漆包線新產品的研發。

目前漆包線行業新技術、新產品的研發和創新，將圍繞“節能、環保、變頻、高效”等四大主題展開。以產品結構創新、涂層結構創新以及產品和涂層結構兩者相結合創新等三個方向發展。產品結構的創新主要是異形截面漆包線（簡稱漆包扁線）的開發；涂層結構創新主要是耐熱等級較高（C級以上）的220級聚酰亞胺、240級芳族聚酰亞胺以及220級聚酰亞胺變頻漆包線等漆包線的開發；產品和涂層結構兩者相結合創新主要是耐熱等級較高漆包扁線的開發。從而達到滿足漆包線產品的特殊性能要求及開發新的功能和改善產品加工特性為目的，擴大產品適用范圍，從而使產品能更快地適應當前市場的需求和變化。漆包銅扁線與漆包銅圓線的主要區別是：在相同的繞線空間內，漆包銅扁線可擁有比漆包銅圓線更大的截面積，使線圈槽滿率高，減小電阻，獲得更大的電流，避免電子產品過熱現象，更能適用于高電流負載之需求；在相同的截面積下，漆包銅扁線比漆包銅圓線有更大的表面積，使之大幅改善集膚效應，減小了高頻電流的損耗，散熱性能好，適用于高頻傳導環境；漆包銅扁線在承受大電流工作時具有震動小、噪音低、電磁效應好等優良特點；在相同條件下，漆包銅扁線比漆包銅圓線的線圈占有空間更小，使生產體積更小、重量更輕的電子電機產品不再受線圈尺寸的限制。

新能源汽車的驅動電機是新能源汽車的核心部件之一，相比傳統工業電機，新能源汽車驅動電機有更高的技術要求，必須具有寬廣的恒功率范圍，滿足汽車的變速性能，啟動扭矩大、調速能力強，效率高、高效區廣，瞬時功率大、過載能力強，功率密度大，能量回饋效率高。同時具備有電流承載能力、傳輸速度、散熱性能及占用空間體積等方面都有優異的性能，能有效改善集膚效應，減少高頻電流損耗。其性能決定了汽車的爬坡能力、加速能以及最高車速等汽車的主要性能指標。驅動電機是汽車的核心組成部分，為滿足新能源汽車驅動電機非常高技術要求和性能。而漆包線又是驅動電機的關鍵原材料，因而對漆包線也相應提出了更高的要求，新能源汽車的驅動電機用漆包線必須采用耐高溫、耐嚴寒、耐化學性、耐輻射、耐電暈、散熱性能優秀、高軟化擊穿并且具有優異的焊接性能和加工特性的漆包線，以上特殊性能決定新能源汽車驅動電機用漆包線必須采用耐熱等級較高的220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線。

3 新能源汽車驅動電機用變頻漆包銅扁線的研發

3.1 變頻漆包銅扁線的結構

變頻漆包銅扁線的結構是：內層為銅扁線導體，根據變頻漆包銅扁線性能要求和使用領域不同，銅扁線導體外涂設有二層或者三層絕緣漆膜，漆膜具體包括底漆層、耐電暈漆層和面漆層。第一層為聚酯亞胺或者聚酰胺酰亞胺漆膜，第二層為耐電暈漆膜，第三層為聚酰胺酰亞胺或者聚酰亞胺漆膜，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 變頻漆包銅扁線的結構示意圖

3.2 新能源汽車用220級變頻漆包銅扁線生產工藝流程

新能源汽車用220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線生產工藝流程與目前公司生產冰箱、空調壓縮機用200級耐冷媒漆包銅圓線的工藝流程不完全相同。漆包銅扁線的生產工藝，首先是由電工圓銅桿或無氧銅桿經過一定規格的矩形模具進行拉拔、擠壓或軋制，再經精整生成銅扁線導體，銅扁線導體經過高速扁線漆包機經清洗、退火后反復多次通過涂漆模具涂覆耐熱等級為220級聚酰亞胺涂料和變頻涂料，再經烘烤固化交聯處理后涂布表面潤滑油，最后生產出耐其熱等級220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線。具體的生產工藝流程如圖2所示。

圖2 新能源汽車用變頻漆包銅扁線生產工藝流程圖

3.3 新能源汽車用220級變頻漆包銅扁線研發的技術目標與工藝路線

開發一套新能源汽車驅動電機用220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線生產工藝技術，其技術目標是能連續生產并確保產品性能滿足以下要求。

（1）220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線產品常規性能指標必須滿足GB/T 7095-2008要求［1-2］。

（2） 220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線產品的耐電暈性能必須滿足BG/T4074.21-2018試驗方法下的最高行業要求［3-4］。

在155℃的溫度下，對樣品施加±1500V、20KHZ的高頻電壓，脈沖上升時間為100ns，5組樣品平均脈沖壽命應大于72小時15分鐘（目前國內對變頻漆包線耐電暈性能的指標還未形成統一的標準，脈沖壽命大于72小時15分鐘是電磁線行業內最高技術要求）。

新能源汽車用220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線的生產工藝路線是：絕緣涂料主體是以聚酰胺酰亞胺為主，銅扁線導體外涂設有三層絕緣漆膜，第一層為聚酰胺酰亞胺漆膜，第二層為耐電暈漆膜，第三層為聚酰亞胺漆膜，這個工藝路線是美國流派，在美國標準NEMA（MW-81C）與220級是同等級的，漆膜總厚度控制在為0.12～0.17mm，耐電暈漆膜厚度不小于0.05mm。

3.4 新能源汽車用220級變頻漆包銅扁線研發的工藝技術

根據新能源汽車用220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線生產工藝流程以及產品研發的技術目標，并結合新能源汽車用220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線的生產工藝路線，探討在此基礎上，確定其生產設備、主要原材料、最佳涂漆、退火和烘烤工藝控制以及銅扁線R角處涂漆的控制。

3.4.1 研發產品的型號規格

Q（XY/X）B-2/220 BP 2.50mm (a)×4.00 mm (b)。

3.4.2 生產設備的選擇

生產設備可以使用巨一同創公司生產的VT8/2D-2/18 立式高速連軋連涂扁線漆包機。裸銅線進線規格Ф1.0-Ф4.5mm，并滿足硬線進線要求；生產規格為1.0-12 mm2；a邊（厚度）max2.50mm，min0.85mm，b邊（寬度 ）max6mm，min1.0mm；收線機械速度 max45m/min；涂漆道數 18 道，模具涂漆；最大烘烤溫度600℃，最大退火溫度600℃，最大風機轉速4500rpm等。

3.4.3 主要原材料選擇

（1）扁線漆包機裸銅線進線采用型號規格為TR Ф3.80 mm的無氧銅桿。

（2）絕緣涂料選用艾倫塔斯公司生產的涂料組合：聚酰胺酰亞胺漆PAI（595/34MB）+聚酰胺酰亞胺耐電暈漆PAI-CR(981-M-30TAN)+聚酰亞胺漆PI(537/15)。

3.4.4 聚酰亞胺變頻漆包銅扁線的生產工藝

（1）銅扁線導體生產工藝。

由上引法生產的TR Φ3.80mm無氧銅桿經籠式放線機構放出，通過校直導輪矯直后直接送入在線軋拉機。軋拉機采用精密合金軋輥上下同步對壓方式實現對圓銅桿壓扁，軋輥上下調節壓扁寬度可通過手動和自動相結合的方式實現精密調節壓扁寬度；壓扁寬度采用精密激光測徑儀在線實時監測反饋給控制中心，實現在線實時糾正壓扁寬度精度，確保壓扁寬度尺寸精度穩定可控。經軋拉機出來的壓扁銅導體進入扁線拉絲機，采用閉換內循環供油噴淋方式對經扁線模具出來的銅扁線導體進行冷卻，再經過精整裝置對銅扁線導體的外觀及R角度進行精整，最后經超聲波清洗后進入涂漆工序。

（2）涂漆工藝。

銅扁線涂漆模具結構及安裝：涂漆模具主要由模套、模芯和卡簧三部分組成，涂漆模具結構示意圖如圖3所示。模芯是裝入模套內的，而卡簧是卡在模套內部的環形凹槽內的，涂漆模具的外部沿徑向設有環形凹槽。模具架一端固定在設備模具支架上，另一端為端部帶卡耳的凹形架體，卡耳卡裝在模套外徑的環形凹槽內。

圖3 銅扁線涂漆模具結構示意圖

銅扁線涂漆模具配置：根據聚酰亞胺變頻漆包銅扁線2.50×4.00 mm漆膜總厚度控制在為0.12～0.17mm，耐電暈漆膜厚度不小于0.05mm，PI漆膜厚度控制在標準范圍內，確定涂漆模具配置及R角大小［6］如表1。

表1 涂漆模具配置及R角

銅扁線R角處涂漆的控制［5］：對擠壓模具和扁線導體寬面連接處的光滑程度以及R角的大小有嚴格的要求。通常R角的大小范圍控制在0.65～0.80mm之間，且利用絕緣涂料的粘度和R角配合，使絕緣涂料流平性能適當得到降低，R角處的涂漆量得到提高，確保寬邊涂漆厚度以及R角和寬邊的連接處的均勻，且經高溫烘烤后要保持擊穿電壓性能的穩定。

（3）退火和烘烤工藝。

通過漆膜介質損耗（tgδ）來驗證漆包線漆膜的交聯固化反應程度以及柔軟度，從而確定退火溫度、烘爐固化溫度、線速度，循環、排廢風機轉速等工藝技術參數，聚酰亞胺變頻漆包銅扁線Q（XY/X）B-2/220 BP 2.50×4.00 mm 的生產工藝參數如下：

退火溫度：450℃（一區）+400℃（二區）。

烘烤溫度：烘爐進口溫度：100℃、上層溫度：260℃、下層溫度：360℃、固化溫度：450℃。

風機轉速：循環風機轉速：3000rpm、排廢風機轉速：1500rpm。

線速度：15.0m/min。

3.5 聚酰亞胺變頻漆包銅扁線產品各項性能指標

（1）聚酰亞胺變頻漆包銅扁線常規性能檢測數據見表2。

（2）聚酰亞胺變頻漆包銅扁線高頻脈沖耐電暈壽命試驗數據見表3。

（3）聚酰亞胺變頻漆包銅扁線漆膜介質損耗測試曲線見圖4。

圖4 聚酰亞胺變頻漆包銅扁線漆膜介質損耗測試曲線

從以上漆膜介質損耗測試曲線可知聚酰亞胺變頻漆包銅扁線樣品漆膜交聯固化處于最佳狀態。

表2 聚酰亞胺變頻漆包銅扁線常規性能檢驗報告

表3 聚酰亞胺變頻漆包銅扁線高頻脈沖耐電暈壽命測試

4 結語

通過對220級聚酰亞胺變頻漆包銅扁線Q（XY/X）B-2/220 BP 2.50×4.00 mm 的常規性能和高頻脈沖耐電暈性能檢測數據以及漆膜介質損耗測試曲線可證明，研發確定的工藝流程、工藝線路和工藝技術條件下生產的樣品漆膜交聯固化處于最佳狀態，且各項常規性能和高頻脈沖耐電暈壽命性能完全滿足新能源汽車用220級變頻漆包銅扁線研發的技術目標。