高柔性生產線助力新能源電動機高質量生產

■菲索瑪特（北京）機床有限公司 李 強

新能源汽車正在興起，電動機生產線必須相應地適應汽車工業的新要求。要達到生產成本低的要求，生產過程中就需要集成高度的自動化。此外，還有不同的版本，不同的功率等級的新能源汽車電動機，如48V車載電動機、400V電動機的直接驅動或混動應用電動機，或更大的800V電動機。為了能夠大規模生產這些關鍵零部件，需要靈活的制造系統，根據零件的大小和類型，可以在同一產線共線生產，而不需要額外的設備或很長的換產時間。但到目前為止，還缺乏能夠獨立于電動機類型而大批量共線生產的產線。為此，作為高柔性、高性價比生產線專家的德國Felsomat公司，針對電動機生產的特點，開發了一套完整的新能源電動機生產解決方案。工藝流程優化后，模塊化單元可以靈活擴展，同時也可以設計成獨立的系統。在2019年德國柏林的CWIEME大會上，Felsomat公司首次展示了其eFlexline的設計理念。

電動機市場正在增長，各種設計和技術已經開發出來，短期解決方案是48V車載系統。而作為向純電動驅動過渡的解決方案，內燃機和400V電動機相結合的混合動力解決方案在市場上將越來越受歡迎。由于CO2排放規定，從2023年起，要求所有的汽車制造商生產的每輛純電動車配備400V-E電動機，它縮短了充電時間，也可以顯著減少電纜的橫截面和質量，從而對車輛的整體質量產生積極影響。

雖然已經有產線可以生產上述這些類型的電動機及其組件，如轉子和定子，但通常只局限于一種類型或一個系列的電動機產品。此外，為了滿足高性價比的規模化生產，生產成本必須可控。同時產線還必須集成精確、高效的自動化，以滿足恒定的品質要求。定子的生產尤其需要特別高的制造工藝和能力，有大量單獨的生產步驟，這是電動機中最昂貴的組件，占總成本的35%。為了使這種部件的制造能力與傳統內燃機制造能力相當，定子生產線或制造單元必須能夠柔性工作，不需要長時間的換型，卻能夠生產不同高度的定子。

基于多年的經驗，Felsomat公司已為定子和轉子的生產開發了數條生產線，同時，對電動機總裝進行了分析，設計了基于Felsomat成熟的裝配技術和模塊化、自動化的柔性生產制造系統。

每臺機器都具有專業級工藝

傳統方式安裝在電動機上的線圈是一種導體，它通過產生磁場來影響驅動電源中的電流傳輸，線圈由銅線纏繞而成，線圈的纏繞方式有多種類型。因此Felsomat公司的定子生產線（eFlexline）完全專注于發夾電動機定子生產技術，其設計目標是開發一條能夠完美匹配不同繞組方案、同時實現多種發夾線形狀的生產線，具備標準化的接口和簡單高效的自動化系統，確保處理不同尺寸的工件，可以根據產品要求和發夾形狀調整各個生產單元的工作任務。

發夾電動機工藝鏈開始于絕緣紙的處置，絕緣紙折疊并插入到定子碟片鐵芯的預留槽中，以避免電壓浪涌。根據電動機產品的設計要求，可以選擇不同的絕緣紙折疊形狀。在接下來的發夾制造單元中，扁銅線成卷上料，然后在設備中對扁銅線進行旋解、校直、剝離漆皮及裁剪，制成I-Pin。根據需要，可采用激光燒灼式或機械銑削式剝離漆皮。接下來將I-Pin進行2D及3D折彎，做成所需的“銅線發夾”。當然，定子所需的特殊形狀發夾也可以在此單元中完成制作。做好的“銅線發夾”根據產品分類，通過自動化裝置，將其逐步逐層編織成“銅線發夾籃”，最終“銅線發夾籃”由機械手裝配進已經帶有絕緣紙的定子鐵芯中。

所有生產流程均具備加工柔性

定子發夾扭頭加工工藝也要有非常高的柔性，eFlexline中的加工單元可以滿足從兩層到8層發夾定子的同時扭頭工藝。另一方面，在扭頭的工藝過程中，另一端帶有絕緣層的發夾通過預設內鎖裝置鎖緊，該系統根據需要可以被配置成最多10級的扭頭功能。為了優化發夾末端的焊接質量，使用帶有掃描功能的激光光學裝置和激光焊接視覺系統。

為了將銅線更好的固定在槽內，提高繞組的絕緣性能，并排除濕氣的影響，發夾繞組采用單獨的工藝步驟——滴漆。這種工藝是將樹脂直接滴在絕緣紙末端，通過虹吸效應，滲透到插有絕緣紙的鐵芯槽中，同時使定子表面保持清潔和無樹脂殘留。采用節能的感應加熱技術對定子外殼進行所需的加熱工藝，所應用的樹脂則被自動調節到一個恒定的介質溫度進行凝固。合成樹脂本身是通過一個高精度的滴針滴到扁銅線和絕緣紙槽之間的間隙，樹脂在定子內凝固后，對之前焊接過的發夾端進行粉末涂敷。

優化的工藝流程模塊可靈活伸縮，同時可作為獨立系統設計

最后，定子組件被轉移到一個測試單元中，期間定子的指定功能被測試。整個生產線的所有工藝參數和結果都被存儲，如果需要，還可以遠程訪問。此外，該系統還創建了完整的工件歷史記錄，以最大限度地跟蹤每個產品，從而使整個工藝流程可見。

Felsomat桁架自動化產線

eFlexline系列電動機產線采用桁架機械手式的自動化系統模式，被越來越多的客戶認可，已經收到來自大眾汽車集團、標致雪鐵龍集團、Z F集團等歐美企業的訂單。Felsomat是業內首家將桁架形式自動化引入到新能源汽車電動機生產線的企業。桁架系統當前被廣泛應用于內燃機缸體、缸蓋生產線以及曲軸生產線中，其具有高速及高穩定性，同時又具有低維護頻次以及可忽略不計的設備磨損特性。以一個8層扁線電動機定子柔性產線訂單為例，產線規劃10萬產能，僅需要3名工人，主要工序之間通過桁架連接，例如定子鐵芯的插紙及擴口設備、發夾制作及編制發夾籃設備、發夾籃裝配設備均通過桁架連接，無需人工干預，通過在桁架下方預留場地，僅需補充一臺模塊化的發夾制作設備就能擴展到15萬產能，桁架自動化系統除了更改軟件程序外，不需額外進行改造。發夾扭頭及焊接設備也是通過桁架將主機設備與緩存料道相銜接，在產能增加或品種增加時，也能進行柔性加工。Felsomat自行開發研制的模塊化、少在制件式滴漆設備，通過桁架機械手系統與冷卻通道相銜接，這樣就避免了加熱后的定子將熱氣直接散發到工廠中，也避免了料道方案中，高溫定子對操作者的潛在傷害。與市場傳統產品不同的是，這種滴漆設備可以方便的集成到產線中，無需額外獨立空間，這樣就節省了工廠內部物流轉運成本。而且此類型滴漆設備為模塊化標準機，在生產線投資初期，可只訂購滿足初步產能規劃的設備數量，隨著產能爬坡，可以隨時增購額外的標準機床；通過更換工裝，標機設備也可切換為其他品種產品的制作生產，增減就像拼樂高玩具那樣簡單。由于采用“少在制件”理念的設計，當設備需要換型或維護而停機時，需要報廢的在制件就很少，降低了制造成本。

新能源汽車產業另外一個核心零部件是電驅橋的制造。與傳統變速箱制造相比，雖然電驅橋由更少的零部件組成，但加工難度以及柔性的要求更高。由于新能源電動機高轉速、輕量化及低噪音的要求，對電驅橋齒輪的制造工藝也有了革命性的變革。傳統差速器殼體以及主減速齒輪的裝配是通過螺栓或者鉚接，但新能源汽車已經要求改為激光焊接工藝，由于差速器殼體材料一般是鑄鐵，而主減速齒輪的材料均為鋼材，將兩種不同材料進行激光焊接，這是一項全新的變革。Felsomat 擁有多年的固體光源激光焊接經驗，針對此種工藝的研究及應用也一直走在行業前列。

激光清洗和填絲工藝

激光清洗差殼以及主減速齒輪是此項技術的關鍵工藝之一，在進行激光清洗前，兩種工件必須保持干燥和清潔，激光清洗聚焦的只是焊接區域的二次清洗，以保障之后的焊接質量。激光清洗后的工件由Felsomat 專業自動桁架機械手轉運到壓裝工位，對二者進行壓裝，之后進入Felsomat 模塊化的焊接單元FLW400 進行焊接。為保證焊接生產線的柔性，FLW400 的激光頭帶有B軸，使設備既能進行軸向焊接也能進行徑向焊接。根據產品設計，這兩種焊接形式在實際量產產品中均有實施。

保障鑄鐵材料與鋼制件成功焊接在一起，且能保證差速器整體產品相關技術參數的另一關鍵點是焊接期間的填絲工藝。填絲作為鑄鐵和鋼材的焊接媒介，可以避免出現焊接裂縫，這是當前業內采用的最流行的工藝。當然，通過對鑄鐵材料和鋼材的選用，也可以避免使用填絲工藝，Felsomat在類似項目中與客戶共同開發優化了此種工藝，并成功交付此焊接產線供量產使用。填絲材料的選擇、填絲量的選擇對工藝穩定性影響很大。通過對填絲裝置、激光光束質量的時時在線監控，以及FLW400機床所堅守的德國工匠制造精神，來保證焊接全過程質量的穩定性。焊接后根據客戶要求，Felsomat 開發的超聲波檢測單元也可以集成到焊接產線中，從而實現對產品的100%焊接后檢測，避免產生批量生產事故，降低生產成本。在提供給寶馬汽車i系列新能源汽車的差速器殼體焊接生產線中，Felsomat攻克了狹小空間內噴射式超聲波檢測的難題，縮短了整體工藝工序，降低了制造成本。