HXN5主辅发电机转子磁极线圈制造工艺改进与创新.pdf
摘 要：国内某地铁线路地铁车辆配置的牵引电机此前为国外进口电机，其成本高，供货期长，不能快速响应国内日新月异的城市轨道交通发展。在对该地铁车辆电机进行国产化制造时，发现按国内现有制造工艺，其电机磁极线圈质量与原装电机差距较大，为此提出了改进线圈引线头焊接方式、改进固型模式、优化匝间绝缘，并对改进前后进行了对比，发现改进后的工艺方案不仅确保了线圈外型尺寸及装配质量，同时在电机温升试验时线圈性能良好，各项参数均满足设计制造要求。
关键词：地铁电机 磁极线圈 工艺改进
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0046-03
Abstract： The traction motor of a subway line in China has been used to import， and its cost is high and the delivery time is long， so it cannot respond quickly to the rapid development of urban rail transit in China， and therefore， we try to realize the domestic manufacture. However， according to the existing domestic manufacturing technology， the motor pole coil quality is poor compared to the original. In order to improve the quality of products， we proposed to improve the wire leading terminals welding way， to improve the solid model and to optimizing the turn-to-turn insulation. The new technology ensures the coil shape size and assembly quality， and can satisfy the requirements of design and manufacture of various parameters.
Key Words： Metro Motor； Pole Coil； Technology Improvement
随着我国城市建设发展的步伐加大加快，城市轨道交通发展势头迅猛，在各大城市日臻完善的地铁建设和城轨交通日益便捷的今天，地铁车辆无疑成为城市居民绿色出行的首选，而地铁电机作为地铁车辆的牵引动力，它的各项性能指标在城轨交通中扮演着重要角色，并为我们的快节奏生活提供速度保障。因此地铁电机各项性能指标、运行指标、安全可靠性在电机设计与制造中是重中之重。在电机各重大部件中，线圈作为核心之一，其设计与制造关系着整台电机的性能与安全，因此它的质量对电机而言举足轻重。国内某地铁线路的地铁电机此前一直为国外进口牵引电机，该电机由于供货周期长、成本高，较大程度上制约了城市轨道交通运输的短、频、快运力需求。在对该电机进行国产化研制中，受现有装备制造能力、工艺设计水平影响，电机的磁极线圈质量不稳定，装配质量不高，通过对工艺进行优化设计与改进后，绝缘结构得到了较大改善，现已成功实现了该电机的装车试运行，且各项运行参数均满足设计要求，实现了现有线圈制造工艺水平的提升。
1 问题提出
该地铁电机磁极线圈主极开口、交叉各两组，附极线圈共4组，主极线圈采用传统的扁绕工艺[1]，附极线圈采用平绕工艺，在线圈制造中主要出现了以下问题。
（1）主极线圈成型质量不高：主极线圈共计24匝，绕制时匝间不齐度高，且每匝的端部比直線段内宽小约2～4mm，线圈R角外侧铜带有不同程度的拉伸变薄，严重的有开裂和卷边现象，R角的内侧有增厚现象。虽后工序会对线圈进行油压整形、端部压弧和手工打磨，但仍难彻底消除匝间不齐，因此给磁极铁芯一体化装配带来困难。
（2）冷态电阻值超差：线圈引线头焊接后，主、附极线圈的冷态电阻值要求不超过标准值的±5%，而主极线圈实测值已超标准值9%以上，附极线圈成型较好，内阻值基本满足设计要求。
（3）主极线圈压弧后端部高度超差：主极线圈经油压整形和端部压弧后，R角处的增厚仍不能彻底消除，使得垫入匝间绝缘后，线圈的整体高度超差2～3mm，且端部表现突出。经磁极铁芯一体化后与机座装配时，磁极铁芯与机座贴合不紧密，形成了第二气隙，使得电机因散热不好而在运行中造成持续温升超差。
（4）引线头焊接方式有待改进：线圈首末匝与引线头的焊接位置分别位于线圈端部上下两侧弧形段中心处，见图1主极开口线圈所示。由于焊接位置会多出半匝线圈，且焊接为搭接焊，因此焊接后会高出2匝线圈即3mm的厚度。为保证后工序装配质量，需改进焊接方式。
2 原因分析
该电机主极线圈的制造工艺流程见图2所示，影响线圈质量的关键工序有线圈扁绕、油压整型、压弧、固型，因此结合当前的制造工艺对其问题进行原因分析和排查。
（1）针对绕制成型质量不高：主极线圈使用的铜带为1.5mm×30mm的TDR软铜带，绕制设备为数控扁绕机，因其线规的宽厚比较大，对绕线模和设备的精度要求较高。绕制时夹持铜带的夹板需力度适中，过紧易造成铜带因拉伸而变形，过松则易造成铜带在送线中出现褶皱；且送线夹板与绕线模需位于同一水平位，否则线圈R角易出现不平整。通过对设备和工装进行分析和原因排查，发现绕线模与铜带夹板间存在约2.3mm的高度差，该高度差等同于给绕制中的铜带施加了纵向剪切力，造成R拐角处铜带内收而形成褶皱，这也是端部宽度尺寸小于直线段的重要原因。
（2）针对电阻值超差：根据电阻计算公式R=ρ×L/S，绕制中铜带在R拐角因受拉伸变长、变窄，因此長度L会增大，截面S会变小，电阻值增大。尽管R角内侧铜带出现一定的增厚会使截面S呈增大趋势，但该影响对于铜带长度上的变形可忽略。因此线圈的电阻值更多受铜带拉伸变形影响大，这也是造成电阻值超差的主要原因。
（3）针对压弧后端部高度超差：线圈绕制时线匝不齐度高，R拐角有拉伸变形和增厚现象，油压整形时采用的是整体油压[2]，因此对每匝去增厚的效果不高。当后工序嵌入匝间绝缘并固型、真空浸漆及对地绝缘包扎后，线圈的整体高度已超高2～3mm，给下工序磁极铁芯一体化装配和机座装配带来较大影响。
（4）针对引线头焊接改进分析：线圈引线头焊接采用的是搭接焊，焊后引线头位置会比周围高3mm，即线匝与引线头的厚度。焊后线圈引线头会单独进行绝缘包扎，包扎后会放大该高度差，在磁极铁芯与机座装配时，下层引线头会抵住机座装配面，使得磁极螺栓无法将线圈紧固到机座上，而上层引线头焊接位置因超高而影响电机转子装配。
（5）针对线圈匝间绝缘分析：主极线圈匝间绝缘要求首末匝各垫t0.1mm的二苯醚胚布各四层，其余匝间垫两层，固型后进行烘培。因二苯醚胚布特点，匝间绝缘热烘排胶后固型工装会出现松弛，需趁热再次对固型工装进行紧固，若紧固不到位，线匝与绝缘的一体化效果会比较差，这也会给线圈高度超差带来较大影响，而热态下对固型工装再次紧固存在一定的安全操作隐患。
3 改进措施
针对以上原因分析与查找，采取了以下四方面的改进措施：
（1）修复绕线模并修订数控设备补偿参数：对铜带固定夹板、绕线模进行修复，使其工作面光滑、平整，夹板与绕线模保持同一水平面。修订设备参数，尤其R角的补偿参数，调整铜带夹紧力，使得绕制中铜带与工装不发生相对位移，防止转角速度与送线速度不匹配造成的过渡拉伸或送线迟滞。这是线圈成型质量保障最关键的一步。
（2）设计去增厚垫块：线圈油压整型时通过模具对线圈的内外框、上下面及侧面进行油压整型，未单独对每匝进行去增厚操作，因此在消除线圈R角处增厚的效果不明显。为提高油压整型效果，新设计制作了匝间去增厚垫块，即在线圈每匝端部位置垫入垫块后再进行油压，以降低和消除线圈R角的增厚影响。
（3）改进引线头焊接方式：将主极交叉、开口线圈的引线头焊接由搭接焊改为对接焊，焊后焊接位置与末匝线圈高度持平，由于焊接位置不受作用力影响，且电流密度满足设计要求，经对焊接质量进行宏观金相检测和分析后，对接焊的质量完全满足设计要求。此外，引线头的焊接位置还可调整至线圈直线位置上，目的是便于线圈端部的压弧操作和质量保证，同时也可降低弧形段的焊接难度。
（4）匝间绝缘二苯醚漆布替代二苯醚胚布：由于磁极线圈装配采用的是白胚定装工艺，因此匝间绝缘改为二苯醚漆布对线圈固型效果更好。同时将原首末匝间各垫四层，其余匝间垫两层改为各匝间均垫两层，固型后线圈整体浸T1153绝缘漆。改进匝间绝缘材料后，线圈固型后不需要在热态下再次对固型工装进行紧固，且真空浸漆后线圈的一体化效果好，因此工艺执行更为方便。
4 效果及建议
通过以上原因分析与改进后，该地铁电机主极线圈绕制的形状规整，R角变形得到控制，消除了线圈内框两端部与直线段的宽度差，成型质量的提高使线圈冷态电阻值得到了控制，已满足设计要求。同时通过改进引线头焊接方式，焊接位置的高度得到了控制。此外，优化匝间绝缘设计，对地绝缘包扎后的线圈整体高度满足了设计要求。在后续批量生产的线圈其一次性合格率达到了98%以上，并且在电机持续温升试验中，各项指标均满足设计要求，目前国产化后装配该磁极线圈的地铁电机已成功装车运行，且各项运行指标良好。
建议今后对进口产品进行国产化设计与制造时，需结合现有的工艺装备和制造能力，重视工艺设计与工艺路线，唯有好的工艺方案、好的工艺流程才能确保好的设计理念得以实现，才能对产品的质量提供保证，也才能设计和制造出高品质的铁路电机产品。
参考文献
[1] 王健，曾素琼.大型同步电机转子磁极线圈焊接工艺的研究[J].电气牵引，2013（1）：52-53.
[2] 林炯，韩景涛，侯正华.HXN5主辅发电机转子磁极线圈制造工艺改进与创新[J].科技创新导报，2014（17）：64.
[3] 李成凯，何时剑，何永军.微特电机定转子冲片生产工艺[J].微特电机，2010（1）：71-72.
[4] 张瓒.一种气门挺柱的生产工艺与改进研究[D].山东大学，2012.
