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激光焊接在Hairpin电机生产中的应用研究

来源:国际工业激光商情 发布时间:2020-06-19 12:28:59 0次浏览
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引言

伴随着新能源汽车的高速发展,2018年全球新能源汽车销量超过了200万辆[1]。目前,偏短的续航能力成为了阻碍新能源汽车推广的主要原因之一。为了解决这个问题,研究新型的动力驱动电机成为了各大公司及研究机构的热门方向之一,而Hairpin电机(发卡/扁线电机)是使用铜条取代了传统的绕线组的一种新型驱动电机。2006年,通用公司首次将Hairpin电机应用于CadillacEscalade车型上[2]。随后几年里,特斯拉公司的models,丰田公司的Prius,日产公司的Leaf均采用了Hairpin电机[3]。
 
 
图1插槽填充情况 (a) Hairpin 电机 (b) 铜线电机
 
Hairpin电机相对于传统的铜线绕线组电机有三个主要优势。第一,Hairpin电机的槽满率高,在同样的插槽空间中,使用铜条会比使用铜线填充的面积更多,使得插槽的填充铜导体更多,从而提升了电机的效率[3]。第二,Hairpin电机因为槽满率更高,铜条之间充分接触,能够更有效的冷却。而铜线电机,由于铜线之间还有空气,空气的冷却效率比直接接触的冷却效率更低,不利于电机的散热。第三,Hairpin电机的体积比铜线电机更小,性价比更高,更有助于车身轻量化。由于Hairpin相对于传统电机优势巨大,所以Hairpin电机的制造成为了当下国内外许多新能源企业的重点研究方向。
 
Hairpin电机的生产
 
目前,Hairpin电机的生产工艺只能采用全自动的生产流程,因为其对生产稳定性及合格率有极高的要求,所以半自动及人工生产是不太现实的。如表1所示,Hairpin电机的生产主要分为四个步骤:第一步,是将铜条折弯成“U”型。整个“U”型区域折弯角度对Hairpin电机的电导率是有极大影响的,因为被折弯区域的微观原子结构会受到挤压,导致电导率的变化[5]。这个折弯过程现有两种主要工艺——使用冲压模具折弯成需要的角度;另外一种方法是使用专用折弯机,分四个步骤折弯成需要的形状。这两种方法需要保证折弯的铜条角度一致无回弹,而且两个端子的距离要保持一致。第二步,是将折弯好的铜条放置在插槽当中,这种放置也是需要按一定规则摆放,使得铜条有序且紧密布置在插槽中。第三步,端口折弯,需要将露出的端子折弯,使得端子之间能够紧密连接,给下一步焊接工序做好准备。目前这种端子折弯一般使用3DCNC机床进行折弯,折弯角度需要一致以便连接到另外一个“U”型Hairpin。如图2所示,在折弯之后,端子需要紧密连接在一起,因为焊接过程不容许太多间隙且角度需要一致,这样才能保证焊接前的工序一致性。
 
 
表 1 电机生产工艺流程图 [4]
 
第四步,需要将Hairpin端子通过焊接将其连接起来,这一步是整个工艺中最重要的一步,也是目前最具有挑战性的工艺步骤。首先,Hairpin需要焊接的接头数量是巨大的,这对焊接设备的重复性是极大的挑战。其次,接头的焊接质量对电机的电导率有极大的影响,不同的焊接深度将导致有不同的接头电阻分布,假设焊接质量不均,电机的热分布将极不均匀,对电机的性能及寿命是极大的影响。除此之外,面对数量巨大的焊接接头数量,缺少合适的质量检测系统,人工检测虽然可行,但是检测失误率也是很难控制在一个较低的水平。
 
 
图 2 端子折弯后需紧密连接
 
Hairpin 接头焊接方法
 
Hairpin接头焊接是该电机生产中最复杂的过程,如图3所示,在实际生产过程中需要考虑的因素众多,结合不同的客户需求,一共有八个影响因素需要考虑:
 
 
图 3 Hairpin 接头焊接难点
 
接头焊接质量包括了焊接表面质量、焊接深度、焊接一致性等评价标准,不同的焊接质量对电导率的影响都是巨大的,而电导率跟电机冷却及性能是直接相关的;
 
焊接节拍指的是一个未焊接的电机放入工位到焊接完成所需要花费的时间,过低的生产节拍对制造商来说将是极大的成本投入,在一定生产时间内获得越多的产品,才能获得越多的利润;
 
焊接稳定性包括焊接质量的稳定性,产品一致性及设备稳定性等指标,良好的焊接稳定性是一致性的保证;
 
接头电阻是评价整个焊接工艺的一个决定性指标,接头电阻越高,发热越严重,电导率越低,所以控制接头电阻的数值在一定范围内并维持稳定是整个焊接过程的最终目标;
 
夹具定位精度指的是Hairpin装夹以后的重复位置精度,如果每次装夹的位置出入较大,则容易出现很大的焊接缺陷,对于焊接灵活性较差的设备,成品率可能大大降低;
 
焊接飞溅过大容易形成焊接缺陷,同时也表示焊接过程不稳定;
 
生产复杂度指的是整个生产流程的复杂程度,复杂程度越高,生产出错的风险也随之升高,维修和工人上手的难度也是成正相关;
 
焊接热输入是需要控制的一个重要因素,因为Hairpin铜条上除了接头区域,其他区域都覆盖了一层绝缘涂层,过高的热输入将会烧损绝缘层,从而影响电机的性能。
 
 
图 4 连接工艺对比
 
由于上述八个因素的限制,目前主流焊接Hairpin接头的工艺有电弧焊接和激光焊接。如图4所示,激光焊接在多个方面具有很大的优势:首先,在灵活性方面,弧焊需要设计不同的焊接设备来适应不同的电机尺寸,而激光焊接可以用视觉识别的方法,只需要更改识别程序即可;其次,激光焊接比弧焊的稳定性更强,弧焊焊接铜材料2mm深度左右工艺稳定性很强,但是超过2mm以后,焊接不稳定且热输入量大,激光可以比弧焊焊接的更深且热输入量更少;第三,两种工艺在连接性上其实差别不大,但是激光焊接的表面会更加光滑一些;第四,弧焊的热输入量较大会导致飞溅产生,而且容易引起焊接缺陷;第五,设备损耗方面,弧焊工艺面对不同的电机尺寸需要匹配不同的焊接设备,激光焊接则只需要更换保护玻璃即可;第五,两种工艺的焊接节拍差距不大,但是切换设备时间激光焊接更具优势;第六,成本方面,弧焊设备成本大约只占激光设备成本的五分之一左右,且激光工作站需要特殊的激光防护,人员安全培训也比弧焊更难一些。
 
激光焊接在Hairpin电机中的应用
 
激光焊接在铜材焊接上,首先考虑到的是材料对激光的吸收率问题。在1060nm(CO2激光器)激光波长下,铜材对激光的吸收率只有10%左右,在激光波长为500nm的绿光波段范围内,铜材对激光的吸收率较高,目前的技术尚达不到很深的熔深。但是铜在熔化状态下,对激光的吸收率能够达到较高的水平,于是使用高功率固体激光器来达到破孔效应,能够使得激光焊接铜材成为可能[5]。
 
激光焊接方案
 
如图5所示,激光焊接目前比较常见的方案是使用激光头匹配相应的视觉识别系统。激光头部分必须是带X,Y两个维度的振镜系统,能够在焊接平面上实现多种图形的焊接轨迹。另外也需要具有比较高频的振荡功能,在焊接过程中能够对熔池进行搅拌,有利于熔池中的气体排出同时优化焊接质量。视觉识别系统,需要能够识别出各种Hairpin接头的形状,同时也需要有一定的误差容许范围。
 
 
图 5 激光焊接单个 Hairpin 样品 [5]
 
整个焊接过程分为三步:第一步装夹好Hairpin,需注意控制接头焊接区域的间隙,第二步摄像头识别出待焊接区域的形状,第三步根据编辑好的焊接参数进行焊接。这三个步骤,每一步都至关重要,任何一个环节没有控制好,都会出现极高的缺陷率。
 
焊接缺陷
 
激光在焊接Hairpin接头时,容易出现如图6中的五种缺陷[8],分别是:焊缝不规则,焊缝凹陷,焊缝咬边,焊瘤,气孔及缺陷。这五种缺陷属于第三步没有控制好的缺陷,可以通过改善焊接的功率、速度、振荡频率来改善工艺参数匹配,能够得到良好的焊接结果。如果当前的激光头不能焊接出较好的焊缝,则可以通过选择光束质量更好的激光器,或者传输光束质量更稳定的激光头来进行焊接,例如,有时激光头冷却不稳定也容易影响焊接质量。
 
 
图 6 激光焊接常见缺陷
 
在遇到如图7的情况下,发生缺陷的概率很高。在自动化生产线中,发生三维装夹误差的概率是比较常见的。目前的视觉识别技术只能识别平面的一个间隙,但是对于高度方向上的误差是不能识别的,这个也是导致目前激光焊接缺陷率较高的一个原因。针对这种情况,目前只有以下几种解决方案:第一,提高夹具装夹的精度;第二,提高Hairpin零件生产的精度;第三,提升视觉识别的能力。无论以上哪种方案,目前对客户的成本都是不少的,这也是当前急需克服的技术难题。
 
 
图 7 三维装夹误差
 
总结及展望
 
目前,激光焊接是焊接Hairpin电机的最具有发展潜力的方案,但是受限于成本原因,激光焊接的推广还是需要时间。激光焊接相对于其他焊接方式有巨大的优势,但是也有其自身的一些焊接难点,大部分的焊接参数缺陷是可以解决的,只需要克服一些难点。
 
 
图 8 能够识别三维尺寸的视觉系统
 
Scansonic公司针对激光焊接的难点,在视觉识别系统基础上另外集成了一个基于三角测量原理的跟踪系统,能够测量Hairpin的三维尺寸。同时,也可以对有间隙的Hairpin接头运用补偿算法进行相应的技术补偿[9]。
 
激光焊接Hairpin的技术仍在高速发展中,相信在不久的将来会有越来越多的公司使用激光技术,Hairpin的焊接质量将会进入一个全面提升的阶段,同时也会带动着夹具技术及自动化生产技术的同步快速发展。
 
参考文献

[1] 佚名.2019中国新能源汽车发展产业报告(内附PPT详细解析)[EB/OL]([日期不详])[2020–05–02].https://www.sohu.com/a/345356117_791215.

[2] RAHMAN K, JURKOVIC S, SAVAGIAN P J, 等 . Retrospective of Electric Machines for EV and HEV Traction Applications at General Motors[C/OL]//2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). Milwaukee, WI, USA: IEEE, 2016: 1–8[2020–04– 17]. http://ieeexplore.ieee.org/document/7855402/. DOI:10.1109/ ECCE.2016.7855402.

[3] POPESCU M, GOSS J, STATON D A, 等 . Electrical Vehicles— Practical Solutions for Power Traction Motor Systems[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(3): 2751–2762. DOI:10.1109/TIA.2018.2792459.

[4] GLAESSEL T, PINHAL D B, MASUCH M, 等 . Manufacturing Influences on the Motor Performance of Traction Drives with Hairpin Winding[C/OL]//2019 9th International Electric Drives Production Conference (EDPC). Esslingen, Germany: IEEE, 2019: 1–8[2020–04–17]. https://ieeexplore.ieee.org/document/9011872/. DOI:10.1109/EDPC48408.2019.9011872.

[5] GLAESSEL T, SEEFRIED J, FRANKE J. Challenges in theManufacturing of Hairpin Windings and Application Opportunities of Infrared Lasers for the Contacting Process[C/OL]//2017 7th International Electric Drives Production Conference (EDPC). Würzburg: IEEE, 2017: 1–7[2020–04–17]. http://ieeexplore.ieee.org/ document/8328150/. DOI:10.1109/EDPC.2017.8328150.

[6] 佚名 . 探访蜂巢电驱动试验中心,起底“扁 -Hairpin”黑 科技背后的奥秘 [Z/OL]([ 日期不详 ])[2020–04–17]. https://baijiahao. baidu.com/s?id=1663636433410953327&wfr=spider&for=pc.

[7] 佚名 . 天津松正携系列化发卡电机亮相 2019 上海国际车展 - 新能源汽车 [Z/OL]([ 日期不详 ])[2020–04–17]. http://www.qcmx.cn/ xmyqc/30683.html.

[8] A. MAYR, B. LUTZ, M. WEIGELT, 等 . Evaluation of Machine Learning for Quality Monitoring of Laser Welding Using the Example of the Contacting of Hairpin Windings[C]//2018 8th International Electric Drives Production Conference (EDPC). . DOI:10.1109/ EDPC.2018.8658346.

[9] 佚名. Scansonic | Optics for Laser Welding, Brazing, Hardening, Cutting – Scansonic MI GmbH | Schwarze-Pumpe-Weg 16 | 12681 Berlin[EB/OL]([ 日期不详 ])[2020–05–05]. https://www.scansonic.de/en/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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