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扁線電機從燙手山芋變成香餑餑,秘密就在制造工藝里

   2022-09-30 匯川技術3345
核心提示:電驅動系統(tǒng)作為新能源汽車的核心零部件之一,電驅系統(tǒng)的輕量化、高效化、小型化、低成本是未來的趨勢;而電驅系統(tǒng)集成化、電機扁線化是實現(xiàn)輕量化和小型化的主要技術路線。

據(jù)統(tǒng)計,2021年中國新能源汽車產銷突破350萬輛,同比增長1.6倍,連續(xù)7年位居全球第一,累計推廣量已超過900萬輛。新能源汽車在中國汽車產業(yè)高質量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇和中國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要舉措上具有舉足輕重的地位。

電驅動系統(tǒng)作為新能源汽車的核心零部件之一,電驅系統(tǒng)的輕量化、高效化、小型化、低成本是未來的趨勢;而電驅系統(tǒng)集成化、電機扁線化是實現(xiàn)輕量化和小型化的主要技術路線。

扁線繞組電機是在定子繞組中采用截面積更大的扁銅線,先把繞組做成類似發(fā)卡一樣的形狀,穿進定子槽內,再在另外一端把發(fā)卡的端部焊接起來。相較于傳統(tǒng)圓線電機,以其高功率密度、高能量轉換效率、良好的NVH性能(電磁噪音低,整車更安靜)、優(yōu)異散熱性能等優(yōu)勢,顯著降低整車重量、電耗,提高整體性能和駕駛體驗。

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電機類型\電機效率

平均效率(WLTC)

平均效率(全轉速)

扁線電機

92.49%

94.78%

圓線電機

91.37%

92.76%

表: 扁線電機和圓線電機效率對比

近年來,特斯拉Model Y、廣汽、蔚來、比亞迪、吉利、上汽等相繼采用扁線電機,未來扁線電機的滲透率將得到快速提升。

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圖:來源網絡

扁線電機雖好,但扁線電機的大規(guī)模應用不易,是因為扁線電機在生產制造設備、工藝上難點較多。扁線電機裝配可分為定子、轉子、合裝三大工藝環(huán)節(jié), 其中轉子線和合裝線相對簡單, 而定子裝配線有很多道復雜工序,對設備精度和工藝一致性要求極高。

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圖:扁線電機組成

匯川技術深入扁線電機設備和工藝研究,為扁線電機整體裝配線提供全流程電控解決方案。

下面以三個核心工藝為例進行解讀。

PIN成型

PIN成型指將扁漆包線放卷、矯直、去漆皮、去毛刺、牽引、裁斷、移載以后,通過折彎或沖壓的方式制成H Pin。

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此工藝的難點在于放卷張力控制和沖壓成型要求高精度;去漆皮、去毛刺、牽引、裁斷要求既保證功能實現(xiàn),又需要盡可能降低機械沖擊和伺服負載率。

1)匯川技術PIN成型解決方案通過閉環(huán)轉矩放卷控制,達到精度±1N,同時通過卷徑計算和牽引速度控制和PID輸出控制雙控制,保證恒張力;

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圖:張力放卷控制

2)去漆皮、去毛刺、牽引、裁斷采用追剪凸輪控制,將間歇式加工變?yōu)檫B續(xù)加工,效率提升30%,同時動作更柔和;

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圖:追剪凸輪規(guī)劃

3)沖壓成型采用位置+力矩轉換控制,定位迅速,保壓精度0.1%。

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圖:伺服沖壓控制

4)EtherCAT一網到底,總線控制所有設備,速度快,操作簡單;

共直流母線伺服驅動器IS810N速度環(huán)帶寬3kHz,電流環(huán)刷新周期625kHz,23位絕對值編碼器,分辨率可達0.15角秒;

GL20刀片式IO可插拔設計,接線更便捷。

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扭轉

扭轉指將插好PIN的定子端部的PIN腳按照先外層后內層的順序進行交錯扭轉變形。扁線電機定子一般有48槽,每槽4~8層扁線。扭轉過程中,Z軸持續(xù)勻速下降,扭轉盤動作由外而內依次進行,并與Z軸保持一定同步關系。

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扭轉的工藝難點在于根據(jù)材料特性分析數(shù)據(jù)建立扭轉模型仿真,輸出形變過程的離散位置和角度點,耦合成同步曲線。

01)匯川解決方案中扭轉過程更加接近材料特性,仿真輸出離散Z軸位置和C軸角度,擬合成凸輪曲線,動作更平滑,成型效果更好;同時配方切換時,工藝的參數(shù)變更操作也更靈活、快捷。

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圖:扭轉凸輪規(guī)劃

2)EtherCAT一網到底;共直流母線伺服驅動器IS810N速度環(huán)帶寬3kHz,電流環(huán)刷新周期625kHz,23位絕對值編碼器,分辨率可達0.15角秒;GL20刀片式IO可插拔設計,接線更便捷。

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動平衡

動平衡即對電機轉子進行動平衡檢測并切削加工。

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新能源電機轉速高達幾萬轉,因此對電機轉子的尺寸均勻分布要求很高。動平衡檢測設備通過一個主動軸經過皮帶,帶動被測電機轉子高速旋轉。旋轉過程中,若轉子有偏心的情況,則會引起皮帶波動,最終通過傳感器將波動信號傳輸?shù)礁咚俨杉K中進行分析處理,給出切削位置和切削量,并進行切削處理。

1)匯川技術動平衡解決方案,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集、切削點和切削量計算、切削加工集成一體,高速采集模塊可實現(xiàn)35us采集周期,并提供數(shù)據(jù)采集函數(shù),采樣精度16bit;

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圖:高速采集模塊函數(shù)

2)模塊支持二次開發(fā),工藝保密性高;

3)PAC雙系統(tǒng)部署,HMI、上位開發(fā)和PLC控制一體,一種產品代替多種產品組合,拓撲簡潔,降低成本,數(shù)據(jù)交互更方便;

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此外,扁線電機產線的全線自動化生產需要對整線的命令下發(fā)、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、操作記錄、故障診斷、損耗分析、能源管理等進行處理,匯川技術可提供整線數(shù)字化解決方案,實現(xiàn)扁線電機全流程的自動化、精益化生產。

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圖:整線電子看板

扁線電機的技術性能提升使得車企在提升性能、續(xù)航等方面取得很大進步,由最初的無人問津到現(xiàn)在的集萬千寵愛于一身,未來隨著新能源車的快速普及,扁線對于圓線的替代將加速進行,扁線電機的大力生產將成為廣大新能源車企的主旋律。

 
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