引言

伴隨著新能源汽車的高速發(fā)展，2018年全球新能源汽車銷量超過了200萬輛[1]。目前，偏短的續(xù)航能力成為了阻礙新能源汽車推廣的主要原因之一。為了解決這個(gè)問題，研究新型的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)成為了各大公司及研究機(jī)構(gòu)的熱門方向之一，而Hairpin電機(jī)（發(fā)卡/扁線電機(jī)）是使用銅條取代了傳統(tǒng)的繞線組的一種新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2006年，通用公司首次將Hairpin電機(jī)應(yīng)用于CadillacEscalade車型上[2]。隨后幾年里，特斯拉公司的models，豐田公司的Prius，日產(chǎn)公司的Leaf均采用了Hairpin電機(jī)[3]。

圖1插槽填充情況 (a) Hairpin 電機(jī) (b) 銅線電機(jī)

Hairpin電機(jī)相對于傳統(tǒng)的銅線繞線組電機(jī)有三個(gè)主要優(yōu)勢。第一，Hairpin電機(jī)的槽滿率高，在同樣的插槽空間中，使用銅條會(huì)比使用銅線填充的面積更多，使得插槽的填充銅導(dǎo)體更多，從而提升了電機(jī)的效率[3]。第二，Hairpin電機(jī)因?yàn)椴蹪M率更高，銅條之間充分接觸，能夠更有效的冷卻。而銅線電機(jī)，由于銅線之間還有空氣，空氣的冷卻效率比直接接觸的冷卻效率更低，不利于電機(jī)的散熱。第三，Hairpin電機(jī)的體積比銅線電機(jī)更小，性價(jià)比更高，更有助于車身輕量化。由于Hairpin相對于傳統(tǒng)電機(jī)優(yōu)勢巨大，所以Hairpin電機(jī)的制造成為了當(dāng)下國內(nèi)外許多新能源企業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

Hairpin電機(jī)的生產(chǎn)

目前，Hairpin電機(jī)的生產(chǎn)工藝只能采用全自動(dòng)的生產(chǎn)流程，因?yàn)槠鋵ιa(chǎn)穩(wěn)定性及合格率有極高的要求，所以半自動(dòng)及人工生產(chǎn)是不太現(xiàn)實(shí)的。如表1所示，Hairpin電機(jī)的生產(chǎn)主要分為四個(gè)步驟：第一步，是將銅條折彎成“U”型。整個(gè)“U”型區(qū)域折彎角度對Hairpin電機(jī)的電導(dǎo)率是有極大影響的，因?yàn)楸徽蹚潊^(qū)域的微觀原子結(jié)構(gòu)會(huì)受到擠壓，導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化[5]。這個(gè)折彎過程現(xiàn)有兩種主要工藝——使用沖壓模具折彎成需要的角度；另外一種方法是使用專用折彎機(jī)，分四個(gè)步驟折彎成需要的形狀。這兩種方法需要保證折彎的銅條角度一致無回彈，而且兩個(gè)端子的距離要保持一致。第二步，是將折彎好的銅條放置在插槽當(dāng)中，這種放置也是需要按一定規(guī)則擺放，使得銅條有序且緊密布置在插槽中。第三步，端口折彎，需要將露出的端子折彎，使得端子之間能夠緊密連接，給下一步焊接工序做好準(zhǔn)備。目前這種端子折彎一般使用3DCNC機(jī)床進(jìn)行折彎，折彎角度需要一致以便連接到另外一個(gè)“U”型Hairpin。如圖2所示，在折彎之后，端子需要緊密連接在一起，因?yàn)楹附舆^程不容許太多間隙且角度需要一致，這樣才能保證焊接前的工序一致性。

表 1 電機(jī)生產(chǎn)工藝流程圖 [4]

第四步，需要將Hairpin端子通過焊接將其連接起來，這一步是整個(gè)工藝中最重要的一步，也是目前最具有挑戰(zhàn)性的工藝步驟。首先，Hairpin需要焊接的接頭數(shù)量是巨大的，這對焊接設(shè)備的重復(fù)性是極大的挑戰(zhàn)。其次，接頭的焊接質(zhì)量對電機(jī)的電導(dǎo)率有極大的影響，不同的焊接深度將導(dǎo)致有不同的接頭電阻分布，假設(shè)焊接質(zhì)量不均，電機(jī)的熱分布將極不均勻，對電機(jī)的性能及壽命是極大的影響。除此之外，面對數(shù)量巨大的焊接接頭數(shù)量，缺少合適的質(zhì)量檢測系統(tǒng)，人工檢測雖然可行，但是檢測失誤率也是很難控制在一個(gè)較低的水平。

圖 2 端子折彎后需緊密連接

Hairpin 接頭焊接方法

Hairpin接頭焊接是該電機(jī)生產(chǎn)中最復(fù)雜的過程，如圖3所示，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要考慮的因素眾多，結(jié)合不同的客戶需求，一共有八個(gè)影響因素需要考慮：

圖 3 Hairpin 接頭焊接難點(diǎn)

◆接頭焊接質(zhì)量包括了焊接表面質(zhì)量、焊接深度、焊接一致性等評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不同的焊接質(zhì)量對電導(dǎo)率的影響都是巨大的，而電導(dǎo)率跟電機(jī)冷卻及性能是直接相關(guān)的；

◆焊接節(jié)拍指的是一個(gè)未焊接的電機(jī)放入工位到焊接完成所需要花費(fèi)的時(shí)間，過低的生產(chǎn)節(jié)拍對制造商來說將是極大的成本投入，在一定生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)獲得越多的產(chǎn)品，才能獲得越多的利潤；

◆焊接穩(wěn)定性包括焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，產(chǎn)品一致性及設(shè)備穩(wěn)定性等指標(biāo)，良好的焊接穩(wěn)定性是一致性的保證；

◆接頭電阻是評價(jià)整個(gè)焊接工藝的一個(gè)決定性指標(biāo)，接頭電阻越高，發(fā)熱越嚴(yán)重，電導(dǎo)率越低，所以控制接頭電阻的數(shù)值在一定范圍內(nèi)并維持穩(wěn)定是整個(gè)焊接過程的最終目標(biāo)；

◆夾具定位精度指的是Hairpin裝夾以后的重復(fù)位置精度，如果每次裝夾的位置出入較大，則容易出現(xiàn)很大的焊接缺陷，對于焊接靈活性較差的設(shè)備，成品率可能大大降低；

◆焊接飛濺過大容易形成焊接缺陷，同時(shí)也表示焊接過程不穩(wěn)定；

◆生產(chǎn)復(fù)雜度指的是整個(gè)生產(chǎn)流程的復(fù)雜程度，復(fù)雜程度越高，生產(chǎn)出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)也隨之升高，維修和工人上手的難度也是成正相關(guān)；

◆焊接熱輸入是需要控制的一個(gè)重要因素，因?yàn)镠airpin銅條上除了接頭區(qū)域，其他區(qū)域都覆蓋了一層絕緣涂層，過高的熱輸入將會(huì)燒損絕緣層，從而影響電機(jī)的性能。

圖 4 連接工藝對比

由于上述八個(gè)因素的限制，目前主流焊接Hairpin接頭的工藝有電弧焊接和激光焊接。如圖4所示，激光焊接在多個(gè)方面具有很大的優(yōu)勢：首先，在靈活性方面，弧焊需要設(shè)計(jì)不同的焊接設(shè)備來適應(yīng)不同的電機(jī)尺寸，而激光焊接可以用視覺識別的方法，只需要更改識別程序即可；其次，激光焊接比弧焊的穩(wěn)定性更強(qiáng)，弧焊焊接銅材料2mm深度左右工藝穩(wěn)定性很強(qiáng)，但是超過2mm以后，焊接不穩(wěn)定且熱輸入量大，激光可以比弧焊焊接的更深且熱輸入量更少；第三，兩種工藝在連接性上其實(shí)差別不大，但是激光焊接的表面會(huì)更加光滑一些；第四，弧焊的熱輸入量較大會(huì)導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生，而且容易引起焊接缺陷；第五，設(shè)備損耗方面，弧焊工藝面對不同的電機(jī)尺寸需要匹配不同的焊接設(shè)備，激光焊接則只需要更換保護(hù)玻璃即可；第五，兩種工藝的焊接節(jié)拍差距不大，但是切換設(shè)備時(shí)間激光焊接更具優(yōu)勢；第六，成本方面，弧焊設(shè)備成本大約只占激光設(shè)備成本的五分之一左右，且激光工作站需要特殊的激光防護(hù)，人員安全培訓(xùn)也比弧焊更難一些。

激光焊接在Hairpin電機(jī)中的應(yīng)用

激光焊接在銅材焊接上，首先考慮到的是材料對激光的吸收率問題。在1060nm（CO2激光器）激光波長下，銅材對激光的吸收率只有10%左右，在激光波長為500nm的綠光波段范圍內(nèi)，銅材對激光的吸收率較高，目前的技術(shù)尚達(dá)不到很深的熔深。但是銅在熔化狀態(tài)下，對激光的吸收率能夠達(dá)到較高的水平，于是使用高功率固體激光器來達(dá)到破孔效應(yīng)，能夠使得激光焊接銅材成為可能[5]。

激光焊接方案

如圖5所示，激光焊接目前比較常見的方案是使用激光頭匹配相應(yīng)的視覺識別系統(tǒng)。激光頭部分必須是帶X，Y兩個(gè)維度的振鏡系統(tǒng)，能夠在焊接平面上實(shí)現(xiàn)多種圖形的焊接軌跡。另外也需要具有比較高頻的振蕩功能，在焊接過程中能夠?qū)θ鄢剡M(jìn)行攪拌，有利于熔池中的氣體排出同時(shí)優(yōu)化焊接質(zhì)量。視覺識別系統(tǒng)，需要能夠識別出各種Hairpin接頭的形狀，同時(shí)也需要有一定的誤差容許范圍。

圖 5 激光焊接單個(gè) Hairpin 樣品 [5]

整個(gè)焊接過程分為三步：第一步裝夾好Hairpin，需注意控制接頭焊接區(qū)域的間隙，第二步攝像頭識別出待焊接區(qū)域的形狀，第三步根據(jù)編輯好的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接。這三個(gè)步驟，每一步都至關(guān)重要，任何一個(gè)環(huán)節(jié)沒有控制好，都會(huì)出現(xiàn)極高的缺陷率。

焊接缺陷

激光在焊接Hairpin接頭時(shí)，容易出現(xiàn)如圖6中的五種缺陷[8]，分別是：焊縫不規(guī)則，焊縫凹陷，焊縫咬邊，焊瘤，氣孔及缺陷。這五種缺陷屬于第三步?jīng)]有控制好的缺陷，可以通過改善焊接的功率、速度、振蕩頻率來改善工藝參數(shù)匹配，能夠得到良好的焊接結(jié)果。如果當(dāng)前的激光頭不能焊接出較好的焊縫，則可以通過選擇光束質(zhì)量更好的激光器，或者傳輸光束質(zhì)量更穩(wěn)定的激光頭來進(jìn)行焊接，例如，有時(shí)激光頭冷卻不穩(wěn)定也容易影響焊接質(zhì)量。

圖 6 激光焊接常見缺陷

在遇到如圖7的情況下，發(fā)生缺陷的概率很高。在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，發(fā)生三維裝夾誤差的概率是比較常見的。目前的視覺識別技術(shù)只能識別平面的一個(gè)間隙，但是對于高度方向上的誤差是不能識別的，這個(gè)也是導(dǎo)致目前激光焊接缺陷率較高的一個(gè)原因。針對這種情況，目前只有以下幾種解決方案：第一，提高夾具裝夾的精度；第二，提高Hairpin零件生產(chǎn)的精度；第三，提升視覺識別的能力。無論以上哪種方案，目前對客戶的成本都是不少的，這也是當(dāng)前急需克服的技術(shù)難題。

圖 7 三維裝夾誤差

總結(jié)及展望

目前，激光焊接是焊接Hairpin電機(jī)的最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆桨福鞘芟抻诔杀驹?，激光焊接的推廣還是需要時(shí)間。激光焊接相對于其他焊接方式有巨大的優(yōu)勢，但是也有其自身的一些焊接難點(diǎn)，大部分的焊接參數(shù)缺陷是可以解決的，只需要克服一些難點(diǎn)。

圖 8 能夠識別三維尺寸的視覺系統(tǒng)

Scansonic公司針對激光焊接的難點(diǎn)，在視覺識別系統(tǒng)基礎(chǔ)上另外集成了一個(gè)基于三角測量原理的跟蹤系統(tǒng)，能夠測量Hairpin的三維尺寸。同時(shí)，也可以對有間隙的Hairpin接頭運(yùn)用補(bǔ)償算法進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)補(bǔ)償[9]。

激光焊接Hairpin的技術(shù)仍在高速發(fā)展中，相信在不久的將來會(huì)有越來越多的公司使用激光技術(shù)，Hairpin的焊接質(zhì)量將會(huì)進(jìn)入一個(gè)全面提升的階段，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)著夾具技術(shù)及自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的同步快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 佚名.2019中國新能源汽車發(fā)展產(chǎn)業(yè)報(bào)告（內(nèi)附PPT詳細(xì)解析）[EB/OL]([日期不詳])[2020–05–02].https://www.sohu.com/a/345356117_791215.

[2] RAHMAN K, JURKOVIC S, SAVAGIAN P J, 等 . Retrospective of Electric Machines for EV and HEV Traction Applications at General Motors[C/OL]//2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). Milwaukee, WI, USA: IEEE, 2016: 1–8[2020–04– 17]. http://ieeexplore.ieee.org/document/7855402/. DOI:10.1109/ ECCE.2016.7855402.

[3] POPESCU M, GOSS J, STATON D A, 等 . Electrical Vehicles— Practical Solutions for Power Traction Motor Systems[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(3): 2751–2762. DOI:10.1109/TIA.2018.2792459.

[4] GLAESSEL T, PINHAL D B, MASUCH M, 等 . Manufacturing Influences on the Motor Performance of Traction Drives with Hairpin Winding[C/OL]//2019 9th International Electric Drives Production Conference (EDPC). Esslingen, Germany: IEEE, 2019: 1–8[2020–04–17]. https://ieeexplore.ieee.org/document/9011872/. DOI:10.1109/EDPC48408.2019.9011872.

[5] GLAESSEL T, SEEFRIED J, FRANKE J. Challenges in theManufacturing of Hairpin Windings and Application Opportunities of Infrared Lasers for the Contacting Process[C/OL]//2017 7th International Electric Drives Production Conference (EDPC). Würzburg: IEEE, 2017: 1–7[2020–04–17]. http://ieeexplore.ieee.org/ document/8328150/. DOI:10.1109/EDPC.2017.8328150.

[6] 佚名 . 探訪蜂巢電驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)中心，起底“扁 -Hairpin”黑 科技背后的奧秘 [Z/OL]([ 日期不詳 ])[2020–04–17]. https://baijiahao. baidu.com/s?id=1663636433410953327&wfr=spider&for=pc.

[7] 佚名 . 天津松正攜系列化發(fā)卡電機(jī)亮相 2019 上海國際車展 - 新能源汽車 [Z/OL]([ 日期不詳 ])[2020–04–17]. http://www.qcmx.cn/ xmyqc/30683.html.

[8] A. MAYR, B. LUTZ, M. WEIGELT, 等 . evaluation of Machine Learning for Quality Monitoring of Laser Welding Using the Example of the Contacting of Hairpin Windings[C]//2018 8th International Electric Drives Production Conference (EDPC). . DOI:10.1109/ EDPC.2018.8658346.

[9] 佚名. Scansonic | Optics for Laser Welding, Brazing, Hardening, Cutting – Scansonic MI GmbH | Schwarze-Pumpe-Weg 16 | 12681 Berlin[EB/OL]([ 日期不詳 ])[2020–05–05]. https://www.scansonic.de/en/