摘要：在當今能源轉(zhuǎn)型和技術創(chuàng)新的發(fā)展背景下，Hairpin扁線電機憑借其自身獨特優(yōu)勢和性能，逐漸被廣泛地應用在電機領域并成為熱點話題。而作為Hairpin扁線電機的重要組成部分，定子的質(zhì)量會對整個電機的穩(wěn)定運行狀態(tài)產(chǎn)生直接影響?；诖?，對Hairpin扁線的結構與特點優(yōu)勢進行分析，并對Hairpin扁線電機定子工藝進行深入研究，并提出了一系列具有針對性的優(yōu)化策略。

關鍵詞：Hairpin扁線電機；定子；工藝分析；優(yōu)化策略

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-11-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.031

1 前言

Hairpin扁線電機又稱發(fā)卡電機，是一種常用于新能源汽車制造行業(yè)的部件，以其自身高轉(zhuǎn)速與高功率的特點滿足了當前新能源汽車市場的驅(qū)動發(fā)展需求。Hairpin扁線電機則是一種能夠完全替代傳統(tǒng)圓形漆包線的新型電機結構，是指內(nèi)部定子繞組采用矩形橫截面的扁狀漆包線。因此，如何利用現(xiàn)有Hairpin扁線電機定子工藝實現(xiàn)繞組層數(shù)以及穩(wěn)定性的增加，就成為十分重要的問題。

2 Hairpin扁線電機的結構

Hairpin扁線電機定子的主要組成部分包括成型發(fā)卡線、定子鐵芯以及絕緣紙三個部分，具體結構如圖1所示。典型的Hairpin定子工藝流程如圖2所示。

定子鐵芯通常由經(jīng)過疊壓操作的多層硅鋼片構成，這種鐵芯結構能夠在一定程度上減少渦流損耗，而整個Hairpin扁線繞組則通過特定的排列和連接方式連成電路。就目前Hairpin扁線電機的實際使用情況與其定子的整體結構兩方面來看，定子每槽發(fā)卡數(shù)量與所用的銅線數(shù)量、焊點的位置和總量等存在明顯的直接關聯(lián)。也就是說，若Hairpin扁線電機定子中的每槽發(fā)卡數(shù)量越多，則插入銅線的數(shù)量也就越多，不同焊點的位置和數(shù)量以及實際扭轉(zhuǎn)的層數(shù)也會隨之發(fā)生相應變化，最終會對Hairpin扁線電機定子的發(fā)卡線成型一致性造成影響。因此如何盡快克服并利用這種作用，提升不同焊點的實際焊接質(zhì)量和效果，增強Hairpin扁線電機定子的應用穩(wěn)定性和有效性，是電機制造廠商需要關注的主要問題。

3 Hairpin扁線電機的特點與優(yōu)勢

a.效率高且功率密度高。與傳統(tǒng)圓線電機不同，Hairpin扁線電機（主要規(guī)格參數(shù)如表1所示）具有更高的空間利用效率，能夠在相同條件下容納更多導線，裸銅槽滿率至少可以在傳統(tǒng)圓線電機的基礎上提升20%，質(zhì)量和性能較強的Hairpin扁線電機裸銅槽滿率可以在原有基礎上提升30%。這種提升能使得繞組電阻無法正常進行阻進作用，從而降低整個電機的運行銅損耗。若所用的導線直徑較大，則其所產(chǎn)生的電阻較小，因此不會因?qū)Ь€運行發(fā)熱而受到較大影響，整體損失能量情況在可控范圍之內(nèi)。也就是說，在相同損耗下，傳統(tǒng)圓線電機所輸出的功率和扭矩小于Hairpin扁線電機[1]。

b.具有卓越的散熱性能。Hairpin扁線采用扁平外觀設計，這種扁平的性狀能夠為扁線繞組與冷卻介質(zhì)之間的接觸提供一定空間。再加上整個Hairpin扁線電機的性狀較為規(guī)整，因此能夠在定子槽內(nèi)緊密貼合，有利于熱量的快速散發(fā)，從而削弱Hairpin扁線電機因長時間運行而出現(xiàn)的高溫狀態(tài)，提高電機的可靠性和穩(wěn)定性，延長其使用壽命。不僅如此，還能使其與定子鐵芯齒部和軛部的接觸呈現(xiàn)更優(yōu)，熱傳導效率以及電機的運行峰值都會在一定范圍內(nèi)得到有效提升。

4 Hairpin扁線電機定子工藝的關鍵環(huán)節(jié)

4.1 扁線繞組的成型工藝

一方面，需要對扁線的材質(zhì)進行精細挑選，這是因為扁線的材質(zhì)與電機的整體性能，以及成本消耗等多個方面有著無法分割的關系。銅和鋁是最常見的兩種扁線材料，這是因為銅的導電性能較好同時還具備較強的導熱性能，但所消耗成本較高；鋁的成本消耗量較少，但導電性能較差。為增強扁線繞組成型工藝的應用效果，除了材質(zhì)之外，還需要對所選擇材料的實際機械強度、耐腐蝕性等多方面性能進行綜合考慮，以更好地適應不同的工作環(huán)境和要求。

另一方面，從具體成型過程方面來看，扁線成型中最重要的兩個環(huán)節(jié)是切割和折彎，這兩個環(huán)節(jié)對精確度有著嚴格的要求，若切割尺寸存在較大誤差，則勢必會導致扁線繞組長度和電阻的實際數(shù)值與預設方案之間出現(xiàn)不符的問題，而折彎角度與預期不符，則可能會導致扁線繞組在嵌入定子槽的過程中出現(xiàn)一系列問題，也會對電機的運行效果造成影響。

CNC柔性成型和模具壓成型是目前較常使用的兩種Hairpin成型工藝，如圖3、圖4所示。相較而言，模具壓制成型所顯現(xiàn)出的成型質(zhì)量更為理想，在批量生產(chǎn)中能夠維持在更低的成本投入水平上，因此使用模具壓制成型的方式展開Hairpin成型作業(yè)更為理想。

4.2 定子鐵芯的加工制造

4.2.1 鐵芯材料

鐵芯是定子的核心組件，其所用材料的性質(zhì)對電機的整體性能有著至關重要的影響。電機的工作效率和功率因數(shù)與鐵芯材料的磁性特性有著直接的聯(lián)系。高品質(zhì)的硅鋼片通常顯示出較低的鐵損特性，這意味著在電磁能量轉(zhuǎn)換過程中能量損耗相對較少，從而可以顯著提高電機的工作效率。另外，高磁導率確保了磁通可以更流暢地通過鐵芯，從而有助于提高電機的輸出功率。但是，這類高效能的材料常常伴隨著相對較高的成本，這肯定會導致電機生產(chǎn)成本的上升[2]。

因此，在挑選鐵芯材料的過程中，必須進行深入且仔細的評估，比如需要對電機的實際使用環(huán)境和性能標準進行深入探討。例如，在追求更高的效率和功率密度的高端應用場景中，對于新能源汽車的驅(qū)動電機，人們可能更偏向于選擇高品質(zhì)的硅鋼片，以確保達到嚴格的性能標準。從另一個角度看，成本預算同樣是一個不能被輕視的要素。對于那些對成本比較敏感的大眾應用產(chǎn)品，在確?；A性能的同時，可能需要在材料性能和成本之間找到一個平衡點，可以選擇性價比較高的中低牌號硅鋼片，或者考慮使用其他替代材料。只有在綜合考慮電機的性能需求與成本預算后，才能做出最合適且經(jīng)濟高效的鐵芯材料的選擇。

4.2.2 沖壓技術

在定子鐵芯的生產(chǎn)流程中，沖壓技術起到了不可或缺的作用。沖壓模具的精細設計和沖壓參數(shù)的精確配置，對鐵芯的最終品質(zhì)產(chǎn)生了關鍵性的作用。鐵芯槽型的尺寸精度和形狀一致性是由模具精度所直接影響的。使用高精度模具可以確保鐵芯槽型尺寸的準確性和一致性，這為繞組的嵌入創(chuàng)造了理想的環(huán)境，并確保了電機的電磁性能得到穩(wěn)定和優(yōu)化。

沖壓過程中的各種參數(shù)，如沖壓力和沖壓速度，都會對鐵芯的整體質(zhì)量造成多維度的影響。在沖壓過程中，鐵芯的變形程度與沖壓力的大小有著直接的聯(lián)系。如果沖擊壓力太大，鐵芯可能會發(fā)生過度的形變，導致殘留應力的集中，進而對鐵芯的磁性和機械穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；相反，如果沖壓力太低，可能無法確保沖壓的完整性和精度，從而導致鐵芯出現(xiàn)毛刺、缺口等缺陷。過快的沖壓速度可能會導致模具磨損加重、沖壓過程變得不穩(wěn)定，甚至可能引發(fā)鐵芯的瞬時斷裂；如果沖壓的速度太慢，那么生產(chǎn)的效率會受到影響，同時生產(chǎn)的成本也會上升[3]。

因此，在進行定子鐵芯的沖壓工藝時，必須依賴大量的實驗研究和實際生產(chǎn)經(jīng)驗的累積，以準確確定最優(yōu)的沖壓模具設計和沖壓參數(shù)設置。為了確保沖壓出的鐵芯具備高品質(zhì)、高精確度以及優(yōu)良的性能一致性，這不僅需要先進的模具制造技術和高精度的加工設備，還需要工程技術人員擁有深厚的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗，這樣才能為電機的高效運行奠定堅實的基礎。

4.3 扭頭工藝

Hairpin扁線電機定子的扭頭工藝是一個至關重要且充滿挑戰(zhàn)的生產(chǎn)步驟，其過程如圖5所示。扭頭工藝的核心目標是對扁線繞組的端部進行恰當?shù)男D(zhuǎn)和調(diào)整，以確保繞組間的精確連接和優(yōu)化的空間布局，進而提高電機的整體性能和穩(wěn)定性。以Hairpin扁線電機為例，在某款電動汽車中，即使扭頭角度的偏差只有2°，也可能會使繞組間的接觸電阻增加大約5%，這會導致電機的能量損失增加，從而使效率下降大約1%。從位置控制的角度看，如果偏差超出0.5 mm，那么相鄰的繞組間的距離可能會變得不均勻，這進一步會對電機的磁場分布產(chǎn)生影響，從而導致功率因數(shù)的降低。

在扭頭時，扁線所承受的應力分布顯得尤為關鍵。不均衡的應力可能會引起扁線發(fā)生變形、產(chǎn)生裂紋或甚至斷裂，進而對繞組的導電性和機械強度產(chǎn)生不良影響。以典型的銅制扁線為研究對象，當其在扭頭過程中受到的應力超出其屈服強度的80%時，這種扁線裂紋的出現(xiàn)幾率會明顯上升。舉例來說，在某項實驗研究中，當應力達到特定水平時，超過30%的扁線在扭頭之后會出現(xiàn)微小的裂紋，這會導致電阻增加大約3%。

另外，溫度也是一個必須要考慮的變量。由于摩擦與形變，扁線有可能釋放出熱能。如果溫度過高，材料的性質(zhì)可能會發(fā)生改變，這可能會對扭頭后的品質(zhì)和穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。例如，在溫度升高至200 ℃以上的情況下，銅扁線的硬度可能會減少大約10%，這有可能會影響其在扭頭后形狀的穩(wěn)定性。因此，在實際的生產(chǎn)過程中，通常會選擇使用水冷或風冷這樣的冷卻方法，確保溫度維持在150 ℃或更低。

為了達到高品質(zhì)的扭頭效果，工藝參數(shù)的精細調(diào)整是至關重要的。這涉及轉(zhuǎn)動的速度、所施加的力量幅度以及其持續(xù)的時長等因素。經(jīng)過一系列的實驗和模擬分析可以得出相應結論，在扭頭速度為每秒10°、施加的力為50 N并且持續(xù)時間為0.5 s的條件下，對于截面積為5 mm2的扁線，扭頭后的缺陷發(fā)生率可以維持在1%之內(nèi)，同時生產(chǎn)效率也能達到每小時大約100個定子的水平。

最后，必須在扭頭之后進行質(zhì)量檢查和控制。操作人員需要運用尖端的檢測方法，如光學測量和電阻測定等技術。例如，利用高度精確的光學探測工具，能夠探測到扁線頭部的裂紋，其大小不超過0.1 mm；電阻的測量精度可以高達0.001 Ω，這有助于對扭頭的品質(zhì)進行精確的評估，并能夠及時地識別并排除不達標的產(chǎn)品，從而確保定子的總體表現(xiàn)和穩(wěn)定性。

4.4 焊接工藝

定子繞組的電氣連接的穩(wěn)定性和電阻的一致性是由焊接質(zhì)量的好壞直接決定的，這會進一步對電機的整體性能、工作效率和可靠性造成深刻的影響。

常用的焊接技術有激光焊接、超聲波焊接以及電阻焊接等幾種。激光焊接技術以其高度的精確性、強大的能量密度和微小的熱影響區(qū)域而著稱。例如，在焊接0.5 mm厚的扁銅線時，激光束可以精確地聚焦，從而實現(xiàn)極小的焊縫寬度和深度，通常不超過0.2 mm，這樣可以確保焊接部位的強度和導電性。但是，激光焊接設備的成本相對較高，并且對焊接表面的清潔度有嚴格的要求。

超聲波焊接技術是通過高頻振動產(chǎn)生的摩擦熱量來完成焊接。對于規(guī)格一致的扁銅線，其焊接所需的時間通常不超過0.5 s，從而能迅速地構建出穩(wěn)固的連接部位。這種焊接技術有以下優(yōu)勢：

a.能夠保證焊接過程穩(wěn)定，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接參數(shù)的全面調(diào)控。

b.能夠有效提升整體焊接速度，且不需要使用其他助焊劑。

c.焊接不影響整體導電性，焊接中所產(chǎn)生的電阻系數(shù)極低，不會對扁線電機造成阻礙。然而，這種方法在控制焊接壓力方面要求非常精確，過高的壓力可能會引發(fā)扁線的變形，而過低的壓力則可能導致焊接強度降低[4]。

電阻焊接是通過電流流過焊件的接觸面和附近區(qū)域，從而產(chǎn)生電阻熱來進行焊接的。在焊接操作中，電流的幅度、通電的時長以及電極的壓力等關鍵參數(shù)的恰當搭配顯得尤為關鍵。以特定型號的電機定子焊接為研究對象，當電流達到5 000 A、通電時間為0.3 s、電極壓力為300 N時，可以實現(xiàn)優(yōu)良的焊接效果，并且焊接接頭的電阻值能夠穩(wěn)定地控制在0.002 Ω以下。

除此之外，焊接接頭的微觀構造和力學特性也構成了評價焊接質(zhì)量的關鍵因素。一個優(yōu)質(zhì)的焊接接頭應當擁有均勻且精細的晶粒構造，以確保其具備充分的強度和韌性。經(jīng)過金相分析，可以發(fā)現(xiàn)理想的焊接接頭的晶粒大小可以被限制在10 μm以下。

在焊接過程當中，熱循環(huán)的存在可能會對定子鐵芯以及繞組的各項性能造成一定的影響。過高的熱量有可能引發(fā)鐵芯的局部退火過程，從而降低其磁性能；這也有可能導致繞組的絕緣層遭受損害，從而減少絕緣電阻。因此，有必要對焊接的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，以降低熱量的影響。

5 結語

Hairpin扁線電機定子工藝融合了機械制造、電氣工程等多學科的理論知識，是一個綜合性的復雜系統(tǒng)工程。因此技術人員需要針對該工藝中的各個不同環(huán)節(jié)，嚴格把控技術要點，以此來推動Hairpin扁線電機定子工藝的創(chuàng)新優(yōu)化策略，從而在提升定子制造質(zhì)量和性能的同時，為電機行業(yè)和其他有關領域注入更多活力和動力。

參考文獻：

[1]昌雨，申榮衛(wèi)，黃金嬌，等.永磁同步電機扁線6層定子繞制嵌線技術研究[J].汽車實用技術，2024，49（9）：10-14+34.

[2]史俊旭，吳霜，陳致初，等.電動汽車用扁線異步電機性能分析與計算[J].微電機，2024，57（4）：52-59.

[3]韓常青，趙南南，許檬，等.電動汽車用扁線電機定子繞組損耗分析與優(yōu)化設計[J].汽車技術，2023（1）：29-36.

[4]曾凡林.Hairpin扁線電機定子工藝方法比較分析[J].機械設計與制造工程，2021，50（7）：117-121.

作者簡介：

楊葵，男，1974年生，高級工程師，研究方向為汽車電驅(qū)動系統(tǒng)。