纯电动汽车驱动电机的定子焊接设备设计

2013-08-02谈士力高海燕王吉香

机械制造 2013年6期

□ 李阳 □ 谈士力 □ 高海燕 □ 王吉香

上海大学机电工程及自动化学院上海 200072

近年来，由于世界范围内资源、环境问题的日益突出，各国都纷纷加大了新能源汽车的开发力度。电动汽车以电能为能源、具有零排放、无污染的突出优点，因此成为世界各国的重点发展对象。正是在此背景下，某公司加大了生产纯电动车相关零部件的投入。本课题目的就是为解决纯电动汽车关键部件——驱动电机的定子焊接问题。

1 焊接设备要求

该设备的工作对象是一个内径120 mm、外径180 mm、高为120 mm的定子（如图1），在该设备上需要完成定子叠片间扭转9°、定子叠片的压紧以及焊接。

图1 纯电动汽车驱动电机的定子

2 焊接方案设计

电机定子是由硅钢片叠装而成，传统的定子固定方法是将硅钢片打孔后用铆钉或螺栓连接或者用压力机压装后采用铸铝连接。这样不但工序复杂，生产效率低，而且由于连接截面大，影响硅钢片间的绝缘效果，增加铁芯的涡流损耗［1］。而采用焊接方式，只需在叠装好的定子外圆上沿轴向焊接几条焊缝，即可把硅钢片牢固地连接在一起，这样不但工艺简单，而且也使定子硅钢片间的绝缘电阻增大，有效导磁截面增加，从而提高了电机的质量。

关于定子焊接的方法，可以采用手工电弧焊、钨极氩弧焊和激光焊等。手工电弧焊因电弧热量小、不集中、焊缝热影响区大、焊缝不光滑而且无法实现自动化、效率低等因素，很少采用。钨极氩弧焊因弧长稳定、电弧弹性好、不加填充金属、焊接参数容易控制、焊缝平整光洁、无飞溅等因素，应用广泛，但是由于硅钢片的含硅量高，因此可焊性差，焊接后易开裂，焊接难度大。而激光焊将激光器输出的高功率密度的激光束经过聚焦，使其光斑小，能量集中，密度高，加热效率快，因此受焊金属变形小。硅钢片是一种含硅量较高、含碳量较低的硅铁合金，其导热系数低，热敏性较大，有利于用激光束高能快速加热熔化，因此形成良好的连接焊缝［2］。分析后决定选择激光焊作为本设备焊接的方法。同时，为了便于设备布局，增加设备的柔性化，选用了可用光纤传输的固体激光器。

3 机械结构设计

3.1 总体结构设计

由设备要求可知设备需要完成的动作过程为：上料→定子定位→定子叠片扭转→定子叠片压紧→定子叠片焊接→下料。由于厂商考虑到价格以及可靠性等要求，决定上下料采用人工方式，因此该设备主要包括的部分是：定子叠片定位夹紧组件，定子叠片扭转组件，定子叠片压紧组件，定子叠片焊接组件。由于该设备采用激光焊接，考虑到激光对人体的危害，采用了将工作工位和上下料工位隔开的两工位结构。对于定子在设备上的姿态，考虑到上下料方便以及定子压紧装置布置的方便性，决定采用定子轴线和水平面垂直的方式。定子扭转后外圆上需要焊接6条倾斜焊缝，基于成本原因不可能采用6个激光头同时焊接，考虑到激光头上连接有光纤，不便作频繁的圆周运动，因此决定采用焊接过程中激光头作上下运动、同时定子作旋转运动的方式来实现6条倾斜焊缝的焊接。

3.2 定子叠片定位夹紧组件设计

该组件能保证定子装夹位置的准确性，不仅使定子在焊接过程中不移动，还要保证在焊接过程中承受压力的同时进行精确的角度旋转，因此采用了如图2所示的结构。定子由芯轴驱动的多片胀紧片沿径向方向移动，使胀紧片贴紧定子内圆，完成定子定位和夹紧。由推力轴承来实现承受压力的同时进行旋转，由伺服电机来精确控制旋转的角度。

图2 定子叠片定位夹紧机构结构图

3.3 定子叠片扭转组件的设计

为了削弱定子绕组的齿谐波电势，从而削弱由这些谐波磁场引起的附加转矩，降低电磁振动和噪声［3］，需要在焊接前对定子叠片进行扭转，以形成一个与轴线夹角为9°的斜槽。该设备采用一个由伺服电机驱动的扭转头插入到定子外圆上的槽中，以实现定子的扭转，如图3所示。

图3 定子叠片扭转组件结构图

3.4 定子叠片压紧组件

为了实现定子叠片的压紧，可以采用螺纹压板、液压缸、气缸以及新型的气液增压缸。采用螺纹压板方式，不利于提高自动化程度，气缸的力不能满足该设备的要求，而液压缸需要增加相应的液压泵站，并且存在泄漏问题，所以该设备采用气液增压缸，这样可以在不增加周边设备的前提下，满足设备的需求。压紧部分在焊接过程中也要能够随着定子进行旋转，所以此处也采用推力轴承来承受压力，如图4所示。