新能源驅(qū)動電機自動裝配設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展研究

廖建勇

（深圳市合力士機電設(shè)備有限公司，廣東深圳 518000）

中國的汽車工業(yè)在過去幾十年中經(jīng)歷了快速發(fā)展。2016年，中國汽車產(chǎn)銷量超過2 800萬輛，連續(xù)8年繼續(xù)位居世界第一。據(jù)統(tǒng)計，汽車行業(yè)的石油消耗量占中國總消耗量的近40%。隨著汽車保有量的快速增長，中國汽車行業(yè)的石油消耗將繼續(xù)增加。研究表明，在北京和上海等大城市，車輛是顆粒物的主要來源之一。在這種背景下，節(jié)能減排已成為中國汽車行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。在油耗法規(guī)方面，政府限制了乘用車企業(yè)的平均油耗（CAFC）。到2025年，乘用車制造商的平均燃料消耗量應(yīng)減少到4L/100km。對于新能源汽車（NEV）積分，要求汽車制造商在2019年和2020 年分別獲得10%和12%的NEV 積分。對于碳排放，《新能源汽車碳配額管理辦法》已經(jīng)發(fā)布，規(guī)定了汽車制造商的碳減排配額。同時，我國政府也在考慮對多種信用體系進行系統(tǒng)性整合。例如，為了在未來實現(xiàn)CAFC 和NEV 信用的并行管理，《CAFC和NEV 信用聯(lián)合管理辦法》已經(jīng)發(fā)布。

1 新能源驅(qū)動電機概述

雖然新能源車的發(fā)動機動力系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)的動力類型，但在動力轉(zhuǎn)型過程中，它也將經(jīng)歷巨大的變化。在過去，發(fā)動機和變速器結(jié)合起來輸出動力。因此，發(fā)動機必須能夠在廣泛的范圍內(nèi)運行，以滿足錯綜復(fù)雜的操作條件。相應(yīng)地，發(fā)動機的最佳工作區(qū)域必須盡可能寬，這很難實現(xiàn)。可變氣門正時（VVT）、可變氣門升程（VVL）、可變壓縮比（VCR）、多速變速器和無級變速器（CVT）等機械結(jié)構(gòu)可以滿足錯綜復(fù)雜的操作條件的需求。如果技術(shù)按照這個途徑發(fā)展，發(fā)動機動力系統(tǒng)將變得越來越復(fù)雜，這將使控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜和昂貴。

在未來，輸出功率將由發(fā)動機和電動機同時提供。盡管車輛錯綜復(fù)雜的運行條件不會改變，但發(fā)動機可以在一個狹窄的最佳區(qū)域內(nèi)運行。這是通過改變電動馬達的速度和扭矩來實現(xiàn)的。該結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是實現(xiàn)機電耦合的可變輸出，以滿足可變驅(qū)動模式的要求。由于這種結(jié)構(gòu)，企業(yè)將只需要在一個小的操作區(qū)域內(nèi)提高發(fā)動機的最佳效率，而不是采用復(fù)雜的可變單元和控制策略。因此，這種機電耦合器將簡化技術(shù)，降低成本。

基于驅(qū)動與駕駛的關(guān)系，新能源汽車的電動機必須兼顧其在駕駛時的舒適性，新能源汽車對環(huán)境的適應(yīng)性，一次充電時的最佳續(xù)航里程。所以，在新能源汽車中，有關(guān)電動機的性能有特別的要求。

（1）特殊的新能源汽車需要更高的效率和能量密度。新能源汽車的電動機必須在大轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩下維持高效能，從而減少功率消耗，提高新能源汽車一次充電后的總里程。電池容量對純電動車的續(xù)航能力有很大的影響，但并非完全取決于它。除了電池的體積，電池的能量密度也是一個很重要的指標。

（2）新能源汽車發(fā)動機的調(diào)速范圍應(yīng)該很大。新能源汽車的特定電動機要求具有一定的轉(zhuǎn)矩和恒定的動力。在低速行駛時，新能源汽車的電動機要有一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，這樣才能使新能源汽車的起動速度更快，以適應(yīng)新能源汽車的爬坡需求；在高速行駛時，新能源汽車的電動機要保持恒定的轉(zhuǎn)速，保持新能源汽車的輸出功率不變。根據(jù)能源利用率的不同，電動汽車的能源供給模式可以分為常規(guī)供給模式、快速供給模式和替代模式。隨著恒流恒壓充電技術(shù)的普及，人們紛紛采用間歇充電、脈沖充電等方式來提高充電效率。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定的輸出功率和寬的調(diào)速范圍，可確保新能源汽車在平坦路面上高速行駛，以適應(yīng)新能源汽車的超車要求。

（3）新能源汽車特定的電動機也要有較好的環(huán)境適應(yīng)性。新能源汽車的電動機要適應(yīng)各種不同的駕駛環(huán)境，使其在惡劣的工況下仍能正常工作，使其在高溫、高濕度下工作。同時，由于國內(nèi)技術(shù)的不斷突破，新能源汽車的生產(chǎn)成本也在不斷下降，給下游企業(yè)帶來了更好的發(fā)展機會。在新能源領(lǐng)域，未來的競爭，將會是一條產(chǎn)業(yè)鏈，其中，最重要的就是動力電池。

（4）電動機的構(gòu)造要相對簡單，造價要低廉，電動機要大量制造，噪聲要小，使用和保養(yǎng)要比較簡單。與之形成鮮明對比的是，電動汽車在安全性和使用壽命方面，對產(chǎn)品的一致性有著很高的要求。而一些新的電機生產(chǎn)公司，技術(shù)起點比較高，并且與新能源生產(chǎn)技術(shù)有著密切的聯(lián)系。例如豐田、本田、大眾，以及其他可以集成電機、傳動系統(tǒng)和離合器的功率分配系統(tǒng)。

2 新能源驅(qū)動電機立式壓裝工藝自動裝配工藝

2.1 現(xiàn)有立式壓裝工藝的缺陷

大多數(shù)中小型電機常用立式壓裝機，包括立式四柱液壓機、龍門液壓機和單柱液壓機進行定子外殼壓裝。立式壓裝是一種相對成熟的工藝方法。但是，立式壓裝法和疊加夾持法（定子與殼體的夾持方法：殼體站在立式液壓機的工作區(qū)域內(nèi)，定子通過吊具直接放在殼體上）存在安全和質(zhì)量隱患大、人工依賴性嚴重、難以實現(xiàn)自動化的缺點。另外，設(shè)備的液壓系統(tǒng)復(fù)雜、維修困難、工作環(huán)境清潔性差。

（1）當執(zhí)行H132或更高的電動機定子芯和外殼的轉(zhuǎn)運和翻轉(zhuǎn)工序時，定子的重量達到數(shù)十千克到數(shù)百千克，外殼的自重量也在數(shù)十到數(shù)百千克，不能手工搬運和翻轉(zhuǎn)，通常都是用吊車來完成。實際吊裝時，可能會發(fā)生定子和箱體的擺動，因此，壓裝工作必須由2～3人共同進行。不但嚴重依賴于手工作業(yè)，而且如果操作者的工作不到位，很可能造成安全事故。我國不少電機廠在安裝現(xiàn)場發(fā)生了因工作人員手指壓痛或機箱翻轉(zhuǎn)、平展時因慣性沖擊造成人員傷害的事故。到現(xiàn)在為止，還沒有任何的設(shè)備和方法來代替這種工藝。

（2）當帶線圈的定子鐵心被擠壓到機殼中時，必須將定子反轉(zhuǎn)，用吊具將其吊起來，并進行裝夾。在此期間，定子繞組的一端要接地，并且要保持在豎直的狀態(tài)。由于下繞組承載了整個定子的全部重量，極易發(fā)生故障，從而使下繞組的底層或內(nèi)側(cè)的絕緣薄膜受損，從而引起匝間短路。此外，當夾持帶繞組的定子芯時，帶繞組的定子芯部直接置于箱體上，如果用手（H132 以下）或用吊具（H132 以上），則會發(fā)生定位誤差，使外殼止擋與定子線圈產(chǎn)生摩擦。因為外殼的阻尼器比較尖銳，而線圈上的環(huán)氧樹脂絕緣漆在固化后會變得更硬，很容易破壞線圈的絕緣漆層，引起電動機的“裸銅”，從而發(fā)生短路。定子和殼體位置的不正確，也會使引線被拖拽，使引出線焊接接頭接觸不良，從而產(chǎn)生電動機脫相。一般情況下，電機廠在處理完后，必須手工對線圈包進行檢測，這樣會造成更多的人工費用。

2.2 自動裝配工藝系統(tǒng)設(shè)計

在智能自動裝配系統(tǒng)的設(shè)計過程中，為防止定子鐵心與殼體發(fā)生翻轉(zhuǎn)而引起的安全及品質(zhì)問題，應(yīng)對壓裝工藝進行再設(shè)計，以防止定子繞組與殼體之間的夾緊而引起的損害。在定子鐵心進入殼體之前，應(yīng)盡量避免與外殼發(fā)生接觸，從而實現(xiàn)夾緊脫開，有效地確保安全，杜絕質(zhì)量問題。要加快壓裝生產(chǎn)的速度與效率，必須采用自動化的生產(chǎn)設(shè)備、信息化系統(tǒng)，并不斷拓展壓裝作業(yè)范圍。因此，對新能源立式數(shù)字化壓裝工藝、設(shè)備、系統(tǒng)及水平裝夾具進行了研究。

如圖1所示，本裝置包括PLC 控制面板、殼體固定工裝、伺服升降定位臺、帶繞組的定子固定工裝、快速換工裝、磁柵等。該裝置能夠自動定位、水平夾持、壓制、數(shù)據(jù)采集和反饋、加工參數(shù)的交互作用。

圖1 自動裝配系統(tǒng)

水平?jīng)_壓機設(shè)有敞口工作臺、液壓缸、液壓泵、馬達，體積小巧，占用空間。外殼夾具、提升定位臺、定子夾具均為工作區(qū)的兩端所設(shè)計。升降定位平臺緊鄰?fù)鈿す潭ㄑb置，以免影響升降平臺的升降。定子的固定工裝是用螺栓和凸緣連接到工作區(qū)的一頭，由液壓機的膨脹和收縮來完成定子的往復(fù)運動。殼體固定模的中心線與定子模保持在水平方向。

PLC 作為壓機控制的核心，是人機交流的中介；殼體的固定模具與提升定位平臺（PLC 協(xié)同）構(gòu)成了箱體的自動夾持與定位系統(tǒng)；定子的定子套和快速換模構(gòu)成了定子夾持系統(tǒng)；磁柵板用于對壓機的沖程和提升、定位平臺的提升。

2.2.1 電機機殼自動裝夾定位系統(tǒng)

機箱的自動夾持與定位系統(tǒng)包括一個外殼的固定模具和一個伺服提升板。針對殼體內(nèi)徑止口與中心高度的差異，采用臺階狀結(jié)構(gòu)的固定模，逐步縮小臺階直徑，使之與殼體的止口及內(nèi)徑相匹配。升降機由支撐板、螺桿、齒輪和馬達組成。該方法可用于多規(guī)格電動機殼體的緊固，并可實現(xiàn)箱體的彈性夾緊。工作時，將馬達放置在支架上，通過控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對機架的定量回路的協(xié)調(diào)控制，并借助壓力機的固定機構(gòu)實現(xiàn)對機架的夾緊。機箱的固定模具與定子模具的中心線是在水平方向上一致的，從而使外殼和定子的模具能夠精確定位。

2.2.2 定子自動裝夾系統(tǒng)

為避免定子繞組的損傷，改善其撓性夾緊性能，提出一種由定子固定刀具（見圖2）和一套快速換模的新型定子夾緊裝置。從圖2可以看出，該定子夾具具有定子繞組的保護空穴，能有效地防止線圈的損傷，從而改善產(chǎn)品的品質(zhì)。另外，根據(jù)2極鐵心的內(nèi)徑隨極數(shù)（2，4，6等）的變化，設(shè)計了一種快速更換模具。2極定子的壓制裝配完成后，如果有必要替換其他極數(shù)的定子，則可以在定子固定刀具上添加對應(yīng)大小的套筒，而定子鐵心的內(nèi)徑增大，則采用一螺栓與定子緊固工具連接。從而使定子固定系統(tǒng)能迅速地適應(yīng)各種定子的大小，從而達到快速替換的目的，極大地提高了生產(chǎn)效率。

圖2 定子自動固定工裝系統(tǒng)

2.2.3 電機數(shù)字化自動裝配產(chǎn)線方案舉例

為方便推廣應(yīng)用數(shù)字化立式液壓機，針對實際生產(chǎn)規(guī)模、規(guī)格、成本等因素，為客戶提供個性化的臥式壓機規(guī)劃方案。這里有兩個典型的方法。

（1）電動機的規(guī)模小于H132，生產(chǎn)效率高。在壓機的前端，可以添加兩個傳送皮帶，一個是確定子鐵心，一個是傳送外殼。由機械手將定子與外殼分別與相應(yīng)的定位系統(tǒng)相連接。該壓力機處于自動壓入狀態(tài)，從而使定子箱能夠進行自動壓裝。通過機器人將完成的定子和殼體組裝，實現(xiàn)了流水線的自動化，達到了批量生產(chǎn)的目的。PLC 控制系統(tǒng)控制輸送線、數(shù)字臥式壓機、機器人（機械手）與整條安裝線的協(xié)同工作，形成一個數(shù)字化、自動化的繞組鐵心壓裝置。

（2）電動機的功率在H160或更高時是比較低的。在壓力機上設(shè)有定子庫和箱體儲存區(qū)，并設(shè)有滾筒通道供最終產(chǎn)品流通。定子、機殼和成品都是用起重機來完成的。該壓機可自動或半自動壓裝，可完成壓裝及裝夾作業(yè)。完成壓模后，成品經(jīng)滾筒輸送至下一工序，可滿足大規(guī)格、低產(chǎn)量的需要。

3 結(jié)束語

提出的新能源汽車驅(qū)動電機自動組裝系統(tǒng)，包括自動裝夾、定位和壓裝等功能，并具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交互等功能。本發(fā)明的壓裝裝置具有很好的適應(yīng)性和靈活性。根據(jù)生產(chǎn)需要，引進吊具、桁架機械手、鉸接機械手等自動化裝置，以進一步提升電動機組裝的自動化程度，達到半自動化/自動化組裝的目的。采用水平壓裝置將定子鐵心壓入殼體的方法，可以極大地改善壓裝馬達的品質(zhì)、生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本，為實現(xiàn)新能源馬達生產(chǎn)數(shù)字化、智能化生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。