一种内槽分布式绕组的微特电机电枢嵌线工艺改进

一种内槽分布式绕组的微特电机电枢嵌线工艺改进

杨文龙 袁黔东 王燕

贵州航天林泉电机有限公司（航空航天精密微特电机技术重点实验室）

摘要：军用无刷微特电机具有功率密度大，功率密度高等特点，导致电枢槽满率高。其电枢大部分为分布式绕组，嵌线均是以人工嵌线为主，嵌线效率低下，工序繁多复杂，对操作人员的技能水平要求较高，且产品一致性得不到保证。针对以上问题，对这类型的电机选取一款典型产品电枢进行自动嵌线工艺研究，通过工艺改进，降低加工技能水平需求，提升电枢嵌线加工一致性，同时提高生产效率。

关键词：微特电机、分布式绕组、自动嵌线

An improved armature wiring process of micro special motor with distributed winding in slot

Yang Wenlong, Yuan Qiandong,Wang Yan

Guizhou Aerospace Linquan Motor Co., Ltd. (Aerospace Precision Micro Motor Technology Key Laboratory)

Abstract: Military brushless micro motor has the characteristics of high power density and high power density, resulting in high armature slot filling rate.Most of the armatures are distributed winding, and the wiring is mainly manual wiring. The wiring efficiency is low, the process is complicated, the skill level of the operator is high, and the product consistency is not guaranteed.In view of the above problems, a typical product armature of this type of motor is selected to study the automatic wiring process. Through process improvement, the processing skill level is reduced, the armature wiring processing consistency is improved, and the production efficiency is improved.

Key words: micro motor, distributed winding, automatic wire inserti

1 引言

电枢嵌线工序是电机的生产中的“关键”工序，工序中包括线圈绕制、裁剪槽绝缘、裁剪槽楔、嵌线等内容，嵌线效率较为低下。通过技术调研，采用自动嵌线工艺，调研验证新的绝缘材料替换原工艺中槽绝缘、槽楔材料，设计新的绕线模具，能一次性完成3相绕组的嵌入，同步完成槽楔嵌入，能极大提升电枢加工的一致性和加工效率。为此，本文介绍典型产品电枢的原生产工艺以及自动嵌线工艺改进后需解决验证的问题，最后在实际生产中，验证了自动嵌线工艺改进方案可行，有效地提升了电枢加工效率和产品性能一致性。

2手工嵌线生产中存在的问题

我司典型无刷机J36ZWX02系列电枢体积小，结构紧凑，铁芯槽口窄仅有1.2mm，漆包线径为0.48mm，共3相，每相绕组由4个线圈元件串联而成，每个元件14匝，共12槽，内部绕组展开图如图1所示。根据此电枢的铁芯内孔较小，槽口较窄，人工嵌线难度大，手工嵌线是先将其中一项绕组中的一个线圈嵌入铁芯槽内，再依次将余下几相绕组中的每一个线圈嵌入相应的铁芯槽中，完成嵌线后整理线圈，装入槽楔，如图2所示。由于手工加工无张力控制，加工质量因人而异，导致一致性差，绝缘检测合格率不高。

图1 典型产品J36ZWX02系列电枢绕组内部展开图

图2电枢手工嵌线加工流程

结合生产现场，经过测算，加工者完成一台电枢的嵌线的时间在40min左右，加工效率较低，而市场上民用电机电枢自动嵌线时间在每台在3min以下，效率差距在10倍以上。为优化电枢嵌线工序，研究窄槽口，槽满率高、铁芯内孔小在自动嵌线机上的应用，梳理了工艺优化中需要解决的问题如下：

(1)手工嵌线过程中使用的槽绝缘为聚酰亚胺薄膜，槽楔为聚胺-酰亚胺层玻璃板不再适用自动嵌线，需选用新型槽绝缘材料进行替代。

(2)新型槽绝缘材料在自动嵌线时如何快速装配。

(3)手工嵌线工艺中的线圈绕组为圆形绕组绕制，手工拉制成米粒形，不适用在自动嵌线过程中，需重新设计绕线模，同时考虑线圈自动化加工方式。

(4)铁芯槽口为1.2mm，应用自动嵌线后漆包线从槽口进入铁芯的间隙会因为铁芯齿被包裹变得更小，电枢的漆包线线径为Φ0.48mm是否能顺利嵌入铁芯槽，存在损伤引出线的风险。

(5)自动嵌线后绕组在铁芯槽内分布情况，分析与手工嵌线的差异性。

3改进方案

3.1槽绝材料可靠替代

手工嵌线时，槽绝缘为聚酰亚胺薄膜，槽楔为聚胺-酰亚胺层玻璃板，均为在嵌线过程中，一边进行嵌线一边进行安装，自动嵌线实现起来是有难度的，通过调研市场上的电枢自动嵌线机，槽绝缘和槽楔均是由一种芳纶纸替代，市场上使用较多的是美国杜邦的NOMEX T410，该绝缘纸机械性能好、电性能均能达到较高要求，但为了国产化，选择国产芳纶绝缘纸，该芳纶绝缘纸型号为A766是中国中车集团下面株洲时代华先科技有限公司生产的一种绝缘纸，经高温轧光的绝缘纸，由纯芳纶纤维构成，具有优异的耐高温性能及极佳的电气绝缘性、机械性能和阻燃性，柔韧性及抗撕裂性能好，与各种绝缘漆的相容性好、耐油性佳，可配合H级、C级绝缘系统在200℃环境下长期使用。后期通过性能检测验证，符合我厂需求，A766芳纶绝缘纸性能见表1所示。

表1 A766芳纶绝缘纸性能

3.2槽绝缘和槽楔的安装方式

铁芯槽内安装绝缘纸的方式有两种：一种为成形粘接方式，另一种为折边安装插槽方式。公司内有相关产品槽绝缘是采用粘接槽绝缘纸方式，槽绝缘纸与铁芯槽接触面分别涂胶，手工将槽绝缘纸粘接在铁芯槽内，该种方式可操作性不强且效率低，加工一件时间约10min。槽绝缘折边则是将槽绝缘两侧折边，利用折边限位将槽绝缘安装在铁芯内，折边成型好的槽绝缘可以直接插入铁芯槽内，安装好的槽绝缘可以很高固定在槽内，效率比涂胶粘接效率更高，并且槽绝缘伸出端面1.5mm～2mm，对分布式绕组的电枢绝缘更加可靠，如图3所示。同时研制槽绝缘自动安装设备，对槽绝缘纸折痕、纸张尺寸、槽绝缘纸与铁芯内壁贴合度及槽绝缘安装对称度等进行精确控制，保证槽绝缘安装质量，加工1件时间只需50s即可完成槽绝缘的自动安装，效率提升10倍以上，设备外形如图4所示。

图3 槽绝缘涂胶粘接与折边设备自动安装对比示意

图4  槽绝缘纸快速安装设备及自动插纸示意

电枢的槽楔手工采用聚胺-酰亚胺层玻璃板，此材料亦不适用与自动嵌线机，与铁芯槽绝缘一样，进行材料替代，且自动嵌线机可以将槽楔与漆包线在自动嵌线的时候一同嵌入铁芯，技术已经较为成熟，这里不再展开，槽楔替代后做的铁芯样件如下图5所示。

图5槽楔替代

3.3自动嵌线用的绕组外形确定与对应的绕线模设计

原先手工嵌线绕制的线圈形状为圆形，手工嵌线时人工会用手将绕组拉成椭圆形后再将线圈嵌入铁芯槽内，在自动嵌线中人工整形线圈绕组不一致会导致挂线时困难，增加了漆包线绝缘破损的风险， 因此根据绕组在铁芯上跨齿数为4齿，铁芯长度35mm、线圈电阻值（0.62～0.68）Ω等参数设计了自动嵌线用的绕线模，对比如图6所示。同时研制自动连绕设备，一次绕制出适用于自动嵌线的线圈绕组，无需人工整形即可进行挂线，如图7所示。

图6 人工嵌线与自动嵌线模绕线圈对比示意

图7 自动连饶设备与改进后绕制的线圈

3.4漆包线线径与导条间隙嵌入可能性

漆包线与导条间隙是决定能否入槽的基本因素，目前很多国家都有漆包线与导条间隙嵌入可能性对比图，日本是根据线径与导条间隙比值来划定可能性区域，美国导条间隙的算法是根据漆包线线径进入的时候，两根线径的进入角度和导条间隙的角度进行评价，当角度处于18°～45°的时候，属于夹线区域，漆包线进入槽内困难。

针对选取的典型产品J36ZWX02系列无刷机，其线圈绕组的线径为Φ0.48mm，在自动嵌线过程中，导条间隙被铁芯槽口所限制，J36ZWX02系列铁芯的槽口为1.2mm，导条与铁芯之间的间隙一般有0.04mm左右，导条的护边亦不能做的无限小，这里导条护边的宽度为0.26mm，因此，理论上导条间隙可以通过下式计算出来。

A=B-2C-K

根据J36ZWX02系列电枢，其槽口尺寸B为1.2mm，导条护边C最薄为0.26mm， K为导条护边和定子铁芯齿的配合间隙，一般取0.04mm，因此理论上导条间隙A为0.64mm。经过模拟计算，Φ0.48mm的漆包线在间隙中进入角度为19.7°，属于夹线区域，加之铁芯内孔小，漆包线较粗，线相对较硬，在实际嵌线过程中漆包线存在不同程度的变形和漆皮损伤，如图8所示。

图8  Φ0.48漆包线自动嵌线容易伤线

为了改进漆包线在通过导条间隙时的夹角不再夹线区域内，改变了漆包线的线径，进行等效截面积换算，换算后的漆包线线径有2线并绕Φ0.335mm和3线并绕Φ0.28mm，经过计算，Φ0.335mm漆包线夹线角度为70.25°，Φ0.28mm漆包线与导条之间间隙夹角在49.6°，经过实际自动嵌线验证，3线并绕Φ0.28mm效果更好，与导条之间的夹角不在夹线区域，伤线情况不再出现，2线并绕Φ0.335mm漆包线虽然在嵌线过程中也不在夹线区域内，但线径依然较粗、线束较硬，导致漆包线在很小的内孔里面完成自动嵌线时，仍有漆包线被挤压变形和漆皮损伤的情况，因此最后选用3线并绕Φ0.28mm的漆包线进行绕线的方式。

3.5自动嵌线后电枢端部线圈绕组分布变化情况

人工嵌线和自动嵌线的电枢端部绕组相互位置存在一定的差异，即人工嵌线是根据电枢的三相绕组的各个元件交叉式嵌线，例如：电枢的三相各有4个元件，人工嵌线是先将第一相的第一个元件嵌入铁芯槽以后进行第二相的第一个元件嵌线，再进行第三相的第一个元件嵌线，然后进行第一相的第二个元件、第二相的第二个元件……依次类推，每元件的两条边，一边接近槽口、一边接近槽底，直到嵌线完毕。自动嵌线则不同，三相线圈是分别挂上落线杯上的，这就导致相与相之间在端部显示出分层。自动嵌线设备的嵌线头上线圈绕组在最上面一层的是最先嵌入铁芯槽内，线圈绕组在最下面一层的最后嵌入铁芯槽内，所以线圈绕组最上面一相在嵌线完毕后线圈端部分布在外层，线圈绕组最下面一相在嵌线完毕后线圈端部分布在最内层。设备自动嵌线工艺过程为先进行落线杯挂线，再进行设备自动嵌线，如图9所示，该操作过程可在4min内完成。

图9 设备自动嵌线工艺过程示意

由于手工是交叉嵌线，电枢端部绕组在整形时相对容易，自动嵌线会导致电枢端部分层，使得自动嵌线的电枢端部整形相对困难一些，示意图如图10所示，在实际生产中，生产了30件的样件，通过电枢综合检测仪检测，自动嵌线导致电枢端部线圈绕组变化对电枢的性能并不影响，该30件电枢检测全部合格，性能测试如图11所示，绕组端部分布如图12所示。

图10 手工嵌线与自动嵌线绕组端部为分布不同

图11 自动嵌线电枢综合检测结果示意

图12 手工嵌线与自动嵌线绕组端部为分布不同（实物图）

4改进效果

将上述的改进方案用于电枢的绕制，对电枢样件进行性能测试，测试数据如图13、图14、图15所示：

图13 电枢样件线圈电感测试结果

图14 电枢样件直流电阻测试结果

图15 电枢样件匝间绝缘测试结果

改进方案实施后，由上图可知，样件电枢均满足电枢性能要求，按照样件打样的效率来看，一件电枢在自动绕线设备上4min即可完成整件电枢嵌线，比人工效率提升了10倍多，极大地提升了加工电枢的生产效率，减少对加工者技能水平的依赖，且提升了电枢的一致性。

5.结语

J36ZWX02系列是我厂典型的无刷电机产品，每年的需求上万台，手工嵌线耗时费力，且电枢的一致性不可控，通过对该手工嵌线工序进行国产槽绝缘替代、槽绝缘自动安装、绕线模设计及设备自动绕制线圈、自动嵌线研究等工艺改进，电枢加工质量与加工效率都得到较大提高，降低了嵌线工序的难度，并完成批量样件的测试，性能指标满足要求。通过此次嵌线工艺的改进对其他分布绕组自动嵌线也提供了一定的参考。

参考文献：

[1] 赵朝会.电机制造工艺学[M].上海：上海科学技术文献出版社，2018:118.

[2] 谭影航.常用异步电动机绕组展开图与接线图[M].北京，金盾出版社，2010.

[3] 贾金容，汤海涛，陈磊等.芳纶制品在轨道交通领域的应用概况[J].电力机车与城轨车辆，2015,38（z1）：62-65.

[4] 陈磊，宋欢，李正胜等.芳纶纤维材料在电气绝缘和电子领域中的应用进展[J].绝缘材料，2018,51（10）：11-14,19.

[5] 王伟修，王柏林，栾光等.CJ12-2408中型定子槽绝缘成形插入机[J].电力工业，2007.

[6] 傅晓锦，卢炎麟，周国斌，傅建钢，傅飞均等.电机电枢的智能检测技术研究[J].电力工业，2007.