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扁線電機的應用及其優(yōu)勢
隨著新能源汽車的快速發(fā)展，電驅(qū)系統(tǒng)成為了其中最為內(nèi)卷的部分。新能源車企為了增強整車競爭力，對電驅(qū)系統(tǒng)提出了高功率密度、高效率、高壓化、高NVH性能、低成本的要求。
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圖1 整車對電驅(qū)系統(tǒng)的要求? ??
圖片來源：RIO
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?? 在提高效率方面，隨著銅滿率的提升，在相同的輸入電流的情況線下，直流銅損耗更低，可大幅提升電機的效率，尤其是在低速的情況下，可顯著提升CLTC工況效率。
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???在提高功率密度方面，隨著銅滿率的提升，在保證電機溫升的同時，可以輸入更多電流，增加電負荷，降低電機的體積和重量，從而提升電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
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???在高壓化方面，扁線電機更能適應高壓化。由于扁線的規(guī)則排列，首匝和末匝不接觸，從而降低了高壓擊穿的風險。同時在扁線上增加絕緣漆層的厚度要比圓線更為容易，因此適合更高電壓的系統(tǒng)。
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???在舒適度方面，因為扁線電機采用截面積更大的Pin線作為繞組，其繞組剛度要高于圓線繞組，可以改善電機的NVH性能。
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???在低成本方面，扁線繞組可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，節(jié)約大量人工成本，使生產(chǎn)費用降低。
圖2 ?扁線噪聲降低? ? ??
圖片來源：RIO
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扁線定子工藝流程及檢測
扁線電機是相對于圓線電機的一種統(tǒng)稱，扁線電機主要的形式有Ipin、Hairpin、Wpin、Xpin等。Hairpin雖然在性能、尺寸上不是最優(yōu)的，但針對每個技術點Hairpin卻是比較好的解決方案，下圖就是一款Hairpin繞組的制造工藝：
上述生產(chǎn)工藝過程中，紅色框內(nèi)產(chǎn)品工藝過程的質(zhì)量控制至關重要。
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首先，在扁線繞組制作過程中，對于Pin線的成型、Pin線端部的折彎精度、插線的一致性、裝配精度等都有著較為嚴格的要求。為了提升加工精度，除了高標準的生產(chǎn)設備及原材料，還需要從工藝上加強對產(chǎn)品質(zhì)量和加工精度的監(jiān)控。
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其次，生產(chǎn)過程中零部件的快速無損檢測，是提升產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。
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先進的非接觸式扁線測量技術
扁線定子單Pin質(zhì)量控制
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扁銅線加工需經(jīng)過校直和去漆等工序。如果扁線表面存在缺陷，就會影響定子繞組的絕緣性能。尤其是在800V電壓系統(tǒng)中，更要嚴加管控扁線絕緣質(zhì)量。
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扁線具有柔性結構和半透明的漆絕緣層，這給靠觸覺測量的傳統(tǒng)方法帶來了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的探針或相機傳感器無法完美滿足測量需求。在此背景下，非接觸式光學測量應運而生。
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蔡司的DotScan系列，就是采用色階共聚焦白光探頭，來區(qū)分透明漆表層和其下方的金屬層。并配備有三種探頭的尺寸，適用于三種不同的測量范圍：10mm 、3mm、1mm。探頭可在一次CNC運行期間全自動更換，以適用于不同的表面或改換其他光學探頭。關節(jié)軸每次可移動一定的角度，將探頭調(diào)整到垂直于待測部件位置。
圖4? 蔡司DotScan?系列采用色階共聚焦白光技術，可以實現(xiàn)Hairpin高精度測量?
圖片來源：蔡司
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圖5 ?蔡司扁線定子單Pin表面檢測設備 ?
圖片來源：蔡司
扁線電機定子及總成全域檢測方案
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為了保證電機在運行過程中，轉(zhuǎn)矩的變化不破壞定子和殼體的連接，現(xiàn)在主流的設計是定子和殼體采用過盈配合的方式。在此制造工藝過程中，過盈配合對扁線繞組、定子和殼體表面尺寸提出了更高的精度要求。
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為了 獲取更精確的全域數(shù)據(jù)，以獲得超出圖紙要求的產(chǎn)品完整信息，并且可以實現(xiàn)數(shù)字化裝配，蔡司推出了能夠高效獲取數(shù)據(jù)的ATOS三維光學測量系統(tǒng)，這點對于從研發(fā)到品控具有更深層的意義。
圖7? 三維光學測量系統(tǒng)? ATOS ScanBox?
圖片來源：蔡司
圖8 ?全域數(shù)據(jù)平面度形位公差檢測?
圖片來源：蔡司
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并且在尺寸測量領域，全域數(shù)據(jù)在進行形位公差測量的同時，還可以針對被測工件與其CAD 3D模型進行曲面比較。使用后可以通過色差圖非常直觀地獲取產(chǎn)品表面誤差信息。
圖9 ?扁銅線全域數(shù)據(jù)與CAD的曲面比較?
圖片來源：蔡司
在生產(chǎn)過程中，采用過盈配合工藝，全域數(shù)據(jù)可以用于過程中的失效分析。通過采集裝配失效工件的全域數(shù)據(jù)，使用軟件進行虛擬交叉裝配，并模擬應力。這也是當前電驅(qū)企業(yè)開發(fā)和質(zhì)量控制數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點發(fā)展方向。
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扁線定子端部焊球區(qū)的缺陷無損檢測
和尺寸測量
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在扁線電機定子的制造環(huán)節(jié)中，需要在定子端部把一根根的Pin線焊接起來。焊接都是基于高溫熔化的方式，如果工藝參數(shù)選擇不當，會損傷扁線焊點周圍的漆膜，從而導致絕緣漆膜可靠性下降。因此在焊接完成后，需要通過嚴格的檢測來確認扁線焊接的質(zhì)量。
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扁線電機的焊點數(shù)量多，要實現(xiàn)穩(wěn)定檢查存在一定的難度。以8層Hairpin定子為例，48個槽，平均每個槽4個焊點，那總共就有192個焊點。如果想要一次性完成檢測，設備中負責檢測的相機視野范圍就要足夠大，對光源打光要求也極高。
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機器視覺可以對焊接部分進行表面檢測，但在焊接缺陷檢測上卻力有未逮。在焊接過程中，未剝離干凈的Pin線絕緣漆或不良的焊接，會導致焊縫的孔隙，進而導致電機性能損失，甚至是完全損壞。所以還需要一種無接觸式的非破壞性的數(shù)字化檢測手段，來實現(xiàn)對焊縫缺陷的檢測。
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為了破解這個難題，蔡司開始將工業(yè)CT應用于扁線繞組焊接缺陷檢測。主要是針對扁線的焊球缺陷和絕緣涂覆層的厚度進行無損檢測，同時還有針對焊球之間的間距，焊球相對電機主基準系的位置度及焊球是否偏離中心點等。
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這里蔡司引入了“全域體素數(shù)據(jù)”的檢測理念，讓用戶可以首先獲得ROI的內(nèi)構數(shù)據(jù)，然后同時用于缺陷和尺寸的質(zhì)量控制。
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蔡司工業(yè)CT產(chǎn)品METROTOM不僅可以實現(xiàn)對Pin線焊縫的內(nèi)部孔隙的檢測和定位，還能在非破壞性的質(zhì)量檢測過程中，將有缺陷的定子隔離出來。
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由于蔡司CT的無損檢測和全域數(shù)據(jù)的技術加持，電機用戶就可以非常容易的對比不同工藝參數(shù)對電機質(zhì)量的影響。對繞組的檢測結論也更為一目了然。通過這些檢測后的數(shù)據(jù)得到工藝參數(shù)調(diào)整的最優(yōu)解，同時也可以對產(chǎn)線上的產(chǎn)品做無損的全域檢測。
圖11 ?采用蔡司工業(yè)CT技術進行焊球缺陷無損檢測
??圖片來源：蔡司
圖12 ?蔡司高精度工業(yè)CT體素數(shù)據(jù)用于焊球區(qū)的尺寸測量?
圖片來源：蔡司
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總結
扁線電機以其高效率、高功率密度等特點，在新能源驅(qū)動電機中逐漸成為主流技術。
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扁線電機的Pin線絕緣、形位公差檢測和焊點質(zhì)量檢測在扁線電機生產(chǎn)工藝中占有非常重要的位置。需要更為先進的非接觸式和數(shù)字化手段來保證扁線電機的質(zhì)量。
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應用先進的檢測設備，可有效協(xié)助企業(yè)進行扁線定子的全方位質(zhì)量管控，從而促進電機開發(fā)和質(zhì)量管控的數(shù)字化進程，建立起質(zhì)量的“護城河”。