純電動汽車驅(qū)動電機(jī)的定子焊接設(shè)備設(shè)計(jì)

□ 李 陽 □ 談士力 □ 高海燕 □ 王吉香

上海大學(xué) 機(jī)電工程及自動化學(xué)院 上海 200072

近年來，由于世界范圍內(nèi)資源、環(huán)境問題的日益突出，各國都紛紛加大了新能源汽車的開發(fā)力度。電動汽車以電能為能源、具有零排放、無污染的突出優(yōu)點(diǎn)，因此成為世界各國的重點(diǎn)發(fā)展對象。正是在此背景下，某公司加大了生產(chǎn)純電動車相關(guān)零部件的投入。本課題目的就是為解決純電動汽車關(guān)鍵部件——驅(qū)動電機(jī)的定子焊接問題。

1 焊接設(shè)備要求

該設(shè)備的工作對象是一個內(nèi)徑120 mm、外徑180 mm、高為120 mm的定子（如圖1），在該設(shè)備上需要完成定子疊片間扭轉(zhuǎn)9°、定子疊片的壓緊以及焊接。

圖1 純電動汽車驅(qū)動電機(jī)的定子

2 焊接方案設(shè)計(jì)

電機(jī)定子是由硅鋼片疊裝而成，傳統(tǒng)的定子固定方法是將硅鋼片打孔后用鉚釘或螺栓連接或者用壓力機(jī)壓裝后采用鑄鋁連接。這樣不但工序復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，而且由于連接截面大，影響硅鋼片間的絕緣效果，增加鐵芯的渦流損耗［1］。而采用焊接方式，只需在疊裝好的定子外圓上沿軸向焊接幾條焊縫，即可把硅鋼片牢固地連接在一起，這樣不但工藝簡單，而且也使定子硅鋼片間的絕緣電阻增大，有效導(dǎo)磁截面增加，從而提高了電機(jī)的質(zhì)量。

關(guān)于定子焊接的方法，可以采用手工電弧焊、鎢極氬弧焊和激光焊等。手工電弧焊因電弧熱量小、不集中、焊縫熱影響區(qū)大、焊縫不光滑而且無法實(shí)現(xiàn)自動化、效率低等因素，很少采用。鎢極氬弧焊因弧長穩(wěn)定、電弧彈性好、不加填充金屬、焊接參數(shù)容易控制、焊縫平整光潔、無飛濺等因素，應(yīng)用廣泛，但是由于硅鋼片的含硅量高，因此可焊性差，焊接后易開裂，焊接難度大。而激光焊將激光器輸出的高功率密度的激光束經(jīng)過聚焦，使其光斑小，能量集中，密度高，加熱效率快，因此受焊金屬變形小。硅鋼片是一種含硅量較高、含碳量較低的硅鐵合金，其導(dǎo)熱系數(shù)低，熱敏性較大，有利于用激光束高能快速加熱熔化，因此形成良好的連接焊縫［2］。分析后決定選擇激光焊作為本設(shè)備焊接的方法。同時，為了便于設(shè)備布局，增加設(shè)備的柔性化，選用了可用光纖傳輸?shù)墓腆w激光器。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由設(shè)備要求可知設(shè)備需要完成的動作過程為：上料→定子定位→定子疊片扭轉(zhuǎn)→定子疊片壓緊→定子疊片焊接→下料。由于廠商考慮到價(jià)格以及可靠性等要求，決定上下料采用人工方式，因此該設(shè)備主要包括的部分是：定子疊片定位夾緊組件，定子疊片扭轉(zhuǎn)組件，定子疊片壓緊組件，定子疊片焊接組件。由于該設(shè)備采用激光焊接，考慮到激光對人體的危害，采用了將工作工位和上下料工位隔開的兩工位結(jié)構(gòu)。對于定子在設(shè)備上的姿態(tài)，考慮到上下料方便以及定子壓緊裝置布置的方便性，決定采用定子軸線和水平面垂直的方式。定子扭轉(zhuǎn)后外圓上需要焊接6條傾斜焊縫，基于成本原因不可能采用6個激光頭同時焊接，考慮到激光頭上連接有光纖，不便作頻繁的圓周運(yùn)動，因此決定采用焊接過程中激光頭作上下運(yùn)動、同時定子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的方式來實(shí)現(xiàn)6條傾斜焊縫的焊接。

3.2 定子疊片定位夾緊組件設(shè)計(jì)

該組件能保證定子裝夾位置的準(zhǔn)確性，不僅使定子在焊接過程中不移動，還要保證在焊接過程中承受壓力的同時進(jìn)行精確的角度旋轉(zhuǎn)，因此采用了如圖2所示的結(jié)構(gòu)。定子由芯軸驅(qū)動的多片脹緊片沿徑向方向移動，使脹緊片貼緊定子內(nèi)圓，完成定子定位和夾緊。由推力軸承來實(shí)現(xiàn)承受壓力的同時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由伺服電機(jī)來精確控制旋轉(zhuǎn)的角度。

圖2 定子疊片定位夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3.3 定子疊片扭轉(zhuǎn)組件的設(shè)計(jì)

為了削弱定子繞組的齒諧波電勢，從而削弱由這些諧波磁場引起的附加轉(zhuǎn)矩，降低電磁振動和噪聲［3］，需要在焊接前對定子疊片進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，以形成一個與軸線夾角為9°的斜槽。該設(shè)備采用一個由伺服電機(jī)驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)頭插入到定子外圓上的槽中，以實(shí)現(xiàn)定子的扭轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 定子疊片扭轉(zhuǎn)組件結(jié)構(gòu)圖

3.4 定子疊片壓緊組件

為了實(shí)現(xiàn)定子疊片的壓緊，可以采用螺紋壓板、液壓缸、氣缸以及新型的氣液增壓缸。采用螺紋壓板方式，不利于提高自動化程度，氣缸的力不能滿足該設(shè)備的要求，而液壓缸需要增加相應(yīng)的液壓泵站，并且存在泄漏問題，所以該設(shè)備采用氣液增壓缸，這樣可以在不增加周邊設(shè)備的前提下，滿足設(shè)備的需求。壓緊部分在焊接過程中也要能夠隨著定子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以此處也采用推力軸承來承受壓力，如圖4所示。

圖4 定子疊片壓緊組件結(jié)構(gòu)圖

3.5 定子焊接組件

由于該設(shè)備采用固體激光器，因此只需將激光頭安裝到設(shè)備內(nèi)部并通過光纖與激光器相連，這樣就大大簡化了設(shè)計(jì)。由于焊接時激光頭要上下運(yùn)動以焊接出傾斜的焊縫，為了實(shí)現(xiàn)精確的位置調(diào)節(jié)，此處采用了伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)，并將激光頭安裝到與絲桿螺母相連接的平臺上，如圖5所示。

圖5 定子焊接組件結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種純電動汽車驅(qū)動電機(jī)的定子焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了高效、可靠的定子扭轉(zhuǎn)與激光焊接，大幅度提高了電動汽車定子的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，填補(bǔ)了該系列定子自動化扭轉(zhuǎn)焊接設(shè)備的空白。

［1］ 陳卓雷，蔡西川.無取向硅鋼的迭裝性能研究［J］.電工材料，2007（4）：19-23.

［2］ 姜幼卿.微電機(jī)定子的激光焊接［J］.微特電機(jī)，1989（5）：30-32.

［3］ 陳楚興.計(jì)算三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子斜槽度［J］.電機(jī)技術(shù)，2010（4）：13-15.