一種新型雙線制電樞鐵芯結構的設計方法

左 林， 李 進

（星宇電子（寧波） 有限公司， 浙江 寧波 315504）

1 前言

隨著社會對汽車節能減排要求的不斷提升， 節能減排將成為社會主流設計思想， 減輕汽車質量成為其中一個設計方向。 汽車起動機是汽車起動系統的關鍵部件， 輕量化、大扭矩起動機成為汽車起動機研制的主要方向。 其中電樞繞組有單線制和雙線制兩種狀態， 在定子尺寸、 磁鋼性能固定不變的情況下， 雙線制結構電樞能輸出更大的扭矩，滿足汽車發動機啟動的需求。 普通結構的雙線制電樞鐵芯嵌入雙層導線后， 為了確保電樞在高轉速時導線不被甩出，需要使用特制工裝在鐵芯槽口邊上進行鉚點處理， 工藝復雜、 生產效率低， 又存在品質隱患。 本文闡述開發設計的一種新型電樞鐵芯， 使用該新型電樞鐵芯的汽車用永磁起動機能提高輸出功率。

2 新型電樞鐵芯的開發技術背景

汽車永磁起動機具有低壓、 大電流、 電樞反應強烈等特點。 電樞導線較粗， 一般分為單線制和雙線制。 電樞鐵芯片上均設置繞組槽， 其繞組槽形基本上可分為半開口槽（圖1）、 全開口槽 （圖2） 兩種形式。 槽口寬度尺寸大于導線直徑是全開口槽型， 槽口寬度尺寸約為導線的1/3為半開口槽型。 槽內導線數是2根的為單層線結構， 槽內導線數是4根的為雙層線結構。 電樞鐵芯的槽寬尺寸和槽內導線的層數對起動機性能參數有著關鍵影響。 槽口寬度尺寸過大會存在高轉速時導線被甩出的品質風險， 槽口寬度尺寸過小會影響鐵芯沖片成型的工藝和浸絕緣漆的效果， 一般以半開口槽為最佳。 導線層數越多， 參與切割磁力線的導線就越多， 性能就越好。 雙層線結構的電機具有啟動轉矩大、電機輸出性能好的優點。 半開口槽電樞鐵芯在導線進入槽內時只能用插入法， 只限于單層線結構， 工藝比較簡單。雙層線結構的電樞在導線進入槽內時只能用嵌入法， 所以必須選用全開口槽的電樞鐵芯結構， 導線進入全開口槽的槽內后， 為了防止電樞在高轉速時導線被甩出， 需要使用特制工具在鐵芯槽口邊上進行鉚點處理， 工藝復雜， 生產效率低， 又存在品質隱患。

圖1 半開口槽鐵芯

圖2 全開口槽鐵芯

由于全開口槽鐵芯片雙線制電樞生產效率低， 又存在品質隱患， 不適合大批量生產作業。 半開口槽鐵芯片槽口小、 機械強度高、 品質穩定， 但只限于劈拉成型或沖壓成型的發卡形導線繞組 （圖3）， 故只能用于單層繞組結構的電樞， 由于雙層繞組 （圖4） 成型后是O形封閉的， 無法滿足雙層繞組結構電樞的制作工藝， 需要設計新型的電樞鐵芯來解決這一問題。

圖3 發卡形開口導線

圖4 O形封閉導線

3 雙線制鐵芯槽傳統電樞結構

全開口槽鐵芯片由于槽口開口相對較大， 通常用于雙層繞組結構的電樞 （圖5）， 但因槽口尺寸大電樞在高轉速時導線容易被甩出， 需要使用特制工具 （圖6） 在鐵芯槽口邊上進行鉚點處理， 通過鉚點使電樞槽口局部變窄， 鉚點處鐵芯擠壓絕緣紙固定住導線 （圖7）， 防止電樞在高速旋轉時導線被甩出。 如壓機行程穩定性控制得不好， 容易造成槽絕緣紙受損， 導致鐵芯槽壁與導線短路， 工藝可靠性差、 品質不穩定、 報廢率高， 將會增加制造成本， 降低產品在市場上的競爭優勢。

圖5 傳統全開口鐵芯槽

圖6 鉚點工具

圖7 鉚點后傳統電樞結構

4 新型雙線制電樞鐵芯結構圖

圖8所示是新型雙線制電樞鐵芯結構示意圖。 其特征在于： 全開口槽的槽口二側分別設置向外凸起的耳朵型部位（圖9）， 繞組槽中完成雙層導線繞組后， 所述2個耳朵型部位的自由端可向槽口內側移動而使全開型槽變成半開口型槽， 這一點不同于傳統的電樞鐵芯。

圖8 新型電樞鐵芯結構

圖9 二側向外凸耳朵型結構

5 新型雙線制電樞結構的優點及電樞制造工藝

5.1 新型雙線制電樞結構的優點

全開口型槽的槽口二側分別設置向外凸起的耳朵型部位， 槽口尺寸大于導線直徑， 導線繞組在嵌入電樞槽內時不會受到干擾， 可方便地嵌入 （圖10）； 然后在外壓力作用下， 將耳朵型部位的自由端向槽口內側移動而使全開型槽變成半開口型槽， 得到新型雙線制電樞鐵芯 （圖11）。 由此集成了半開口槽和雙層線結構二者之優點， 其不但去除了鐵芯與導線短路的隱患， 而且還大大提高了生產效率， 使電機具有更好的性能、 更低的成本。

圖10 新型鐵芯嵌入導線

圖11 新型電樞鐵芯結構

5.2 新型雙線制電樞制造工藝

本設計的新型雙線制電樞制造時， 電樞嵌線過程分2個步驟： 第1步先將繞組嵌入電樞槽內， 第2步再整型成半開口狀。 因此， 導線繞組制作及嵌入保持傳統成熟的工藝，省略了鉚點處理工藝， 只增加一道整型工序， 使產品就可以保留半開口槽和雙層線結構的功能優點， 其既能解決現有轉子雙層繞組困難的問題， 又能解決因開口槽寬存在影響電機氣隙磁場、 導致空載鐵損增加的問題， 從而大幅度提高生產效率， 而且能提高電機的性能。

6 結語

本文主要是針對傳統雙線制全開口槽電樞生產效率低、工藝可靠性差、 品質不穩定、 報廢率高， 提出一個切實可行、 不增加成本的解決方法。 該新型雙線制鐵芯槽在設計上需要注意： 兩則向外凸起的耳朵避免出現尖角， 要考慮耳朵根部強度， 避免整型后耳朵斷裂； 耳朵根部角度大小要適中， 要考慮整型后工藝上的可行性。