電加熱紫外光固化浸漆工藝在新能源汽車電機制造中的應用

劉杰軍,陳求索,魏雄強,王浙棟,代廣超

(1.臥龍電氣驅動集團股份有限公司，浙江 紹興 312300；2.湖南湘電動力有限公司，湖南 湘潭 411101；3.華域汽車電動系統有限公司，上海 201323)

0 引 言

電加熱是一種常用的加熱方式，熱量產生于被加熱物體本身，屬于內部加熱，熱效率很高[1]。電加熱工藝在電機上的應用始于20世紀70年代末期，主要應用于大型線棒多膠云母帶模壓成型、電機結構件的化壓模塑料(SMC、DMC、4330等)壓制成型加熱以及修理電機的烘潮等，在浸漆工藝上的應用則比較晚。

2005年以來，隨著技術的進步，出現了一種新型的電機絕緣處理工藝——電加熱紫外光固化(E-UV)沉浸工藝。該技術采用了電加熱與紫外光(UV)固化相結合的技術，將輻射固化技術成功引入電機絕緣處理中，可大幅降低能耗、縮短生產周期、提高絕緣漆利用率[2]。

維斯塔斯散嵌繞組風電定子采用了電加熱工藝(沒有UV固化工序)。該定子采用單臺定子浸漆方式，無節拍時間要求，電加熱固化后即完成電機浸漆，無需再進行后固化，從而提高了能源利用率。中國國內也曾有其他電機生產廠家嘗試過電加熱工藝，如文獻[3]對外徑為5.8 m、鐵心長0.9 m的風電散嵌繞組定子用普通絕緣漆進行常壓浸漆+電加熱旋轉烘干的方法，通過可控直流電對定子繞組加熱，使定子在烘焙過程中升溫和降溫時間大為縮短，從而提高生產效率，降低成本?，F階段，E-UV沉浸工藝技術在國外應用實例較多，但由于進口設備昂貴，前期投入較大，一定程度上限制了該技術的普及應用，國內只有一部分電動汽車/混合動力汽車(EV/HEV)電機生產廠家使用該技術。在工業電機領域，該工藝已經應用于曳引機電機、水泵電機等，其應用范圍在逐年擴大。

驅動電機是EV/HEV核心部件之一，具有高瞬時功率、高功率密度、強耐過載能力及長壽命等特性，選擇合適的絕緣處理工藝尤為重要。E-UV沉浸工藝路線具備掛漆量多、可改善局部放電起始電壓(PDIV)、散熱性優良等優點。通過對繞組掛漆量的大幅提升,達真空浸漆(VI)的3～4倍，可提高定子整體機械強度和電氣強度[4-5]，具有設備能耗低，絕緣漆浪費少，可連續、自動化生產的優點，非常適合EV/HEV驅動電機的制造要求。本文針對E-UV沉浸工藝在EV/HEV電機制造中的應用進行介紹，以期推廣其應用。

1 E-UV工藝路線

對于中心高小于315 mm的小型電機，制造商一般引入流水生產線進行大批量生產。為滿足流水線生產對節拍時間的要求，在浸漆處理時，一般采用連續沉浸、滾浸以及滴浸技術，這些技術路線已經相當成熟。

EV/HEV汽車需要長時間地在復雜環境(高低溫沖擊、振動頻繁等)下使用，對浸漬樹脂工藝的要求更高。EV/HEV驅動電機體積小，散熱要求高，而且控制器中的逆變器高頻脈沖容易引發絕緣故障，常規浸漬工藝已不能滿足其技術要求。而E-UV沉浸工藝生產時間短，效率高，能夠適應流水線作業，并可以精確控制用漆量和浸漆質量。

E-UV沉浸工藝的步驟為：電機定子嵌線后接專用電源，通電預熱，浸漆，滴漆，電加熱預固化，UV固化，最后送入固化爐進行后固化。該工藝的特點是直接給線圈通電加熱，線圈周圍的樹脂黏度迅速降低，能充分滲入繞組線束間，填充飽滿，繞組間的樹脂快速達到凝膠狀態，從而減少樹脂流失，提高線圈的掛漆量。采用E-UV沉浸工藝的定子掛漆效果如圖1所示。

圖1 電加熱沉浸后線圈端部及線包截面圖

從圖1可以看出，E-UV沉浸工藝處理的線定子，端部線圈的樹脂填充飽滿，掛漆充分。該工藝路線與其他浸漆工藝的對比如表1所示。

表1 各浸漆工藝方法對比

2 絕緣材料的選擇

絕緣浸漬漆是電機制造中的重要材料之一，也是發展變化較快且對電機制造質量水平影響較大的液體絕緣材料。隨著經濟和社會的發展，安全、節能、環保型絕緣浸漬樹脂成為行業新的關注點，也是絕緣浸漬漆的主要發展方向[6]。針對不同要求的電機，有不同種類的絕緣浸漬漆，浸漆工藝也各不相同。適用于E-UV沉浸工藝的絕緣浸漬漆需要滿足如下要求：(1)低揮發，不含苯乙烯、乙烯基甲苯等易揮發成分；(2)飽和蒸汽壓低，閃點高，利于安全生產；(3)適用于E-UV沉浸工藝，低溫下黏度高，隨溫度的升高黏度下降快，60～80 ℃時黏度降低到能充分填充散繞組線束間的程度，升溫至膠凝溫度后固化快，掛漆飽滿，可節約電能，提高生產效率；(4)UV固化快，UV照射后電機繞組外表面和鐵心外表面的樹脂可快速固化，迅速封住槽內樹脂，減少樹脂流失，保證掛漆量；(5)浸漬漆在浸漆槽內的熱穩定性好，便于長期存儲使用；(6)浸漬漆應具備二次固化能力。

絕緣材料廠家一般選用不飽和聚酯亞胺樹脂作為該工藝專用絕緣漆，該樹脂在加熱浸漬溫度下具有良好的穩定性，能低溫快速固化，固化揮發分極低，閃點高，無火災及爆炸危險，能夠滿足通電加熱浸漬工藝要求[7]。不飽和聚酯亞胺的技術參數如表2所示。

表2 不飽和聚酯亞胺技術參數

3 生產設備的選擇和應用

3.1 E-UV沉浸設備控溫原理

E-UV沉浸浸漆設備的關鍵是精準控制線圈的溫度，使其滿足工藝參數要求，基本加熱原理為電阻加熱法，即P=I2R?，F有的國外設備采用測量銅線電阻推算線圈平均溫度的方法來控制整個生產過程，基本推算過程如下。

已知線圈的電阻值隨溫度的變化而變化，而溫度的變化對電阻值的影響是通過電阻溫度系數衡量的。電阻溫度系數的定義為

(1)

式中：αR為電阻溫度系數；R為電阻；T為溫度。

金屬電阻的電阻值一般隨溫度的上升而增大，可表示為

RT=R0(1+αT+βT2+γT3+L)

(2)

式中：RT和R0分別為T和0 ℃時的電阻值；α、β、γ為電阻的溫度系數；L為常數。

對于純金屬，在溫度變化范圍不大時，電阻值和溫度的關系可近似為線性，即：

RT=R0(1+αT)

(3)

設k=1/α,則有RT/R0=1+T/k,整理即得：

T=(RT/R0-1)k

(4)

對于銅材來說，0 ℃時的溫度系數倒數k=234.5，線圈溫度值可用下式表示：

T=RT/R0×234.5-234.5

(5)

從式(5)可以得出，在電加熱過程中，線圈的溫度反饋可通過實時的電壓電流反饋測量值進行推算[8]。

3.2 首臺E-UV沉浸設備的應用

E-UV專用設備自動化程度較高，制造技術掌握在國外少數幾家企業手中，設備價格昂貴[9]。為此，臥龍EV電機事業本部積極尋找本土化的解決方案，力圖使E-UV固化浸漆設備國產化。

臥龍公司首臺電機定子E-UV沉浸設備的核心技術是采用單點測溫反饋法，達到控制定子在預熱、沉浸、凝膠、UV固化各工藝階段溫度的目的，確保定子的整個浸漬過程可控。在此過程中根據絕緣浸漬漆工藝特性和定子相間阻值，采用程序設置加熱溫度曲線，并通過功率整流控制模塊對“低壓大電流”交流電源的輸出電流進行整流控制。其中，繞組預埋測溫傳感器實時反饋，所采集的數據經優化后，在可編程邏輯控制器(PLC)里生成的加工程序即為定子浸漬工藝溫度曲線。該設備可根據定子規格的不同而采取不同的加工工藝程序。為滿足3 min/臺的生產節拍要求，采用一次最多可同時浸漬10臺定子的設計，設備從8工位增加到10工位，初步滿足了整個電機產線的絕緣處理要求。

該浸漆設備在初步滿足量產要求的同時，運行中也遇到了較多問題。其不足主要體現在以下5個方面。

(1) 由于采用單點熱電偶反饋方式控溫，電流數據采集時隨機性較強，比較難于控制，無法精準控制掛漆量。測溫點稍有位置偏差，加熱程序即有較大不同。

(2) 掛漆量對絕緣漆的溫度比較敏感。隨著生產持續進行，浸漆缸內樹脂溫度上升，掛漆量隨之增加。

(3) 為滿足3 min/臺的生產節拍，采用10工位設計，導致浸漆槽缸體較大，由于絕緣漆數量多、黏度高，及時冷卻相對困難。

(4) 浸漆時采用掛鉤式托盤，托盤表面容易掛漆，且隨著生產的進行，托盤表面樹脂不斷積累，導致絕緣漆浪費較大，托盤清理困難且頻次高。托盤定位銷粘漆變厚之后內圓尺寸變小，機器人抓取時易導致鐵心翹片。

(5) 設備采用的是針對三相交流變壓器的初級電壓進行的自整定控制，各工位電流值有較大差異，導致每批定子掛漆量不一致。

3.3 第2臺浸漆設備方案

為解決以上問題，第2臺設備選擇了測量線圈電阻推算線圈平均溫度的方法來控制溫度，從源頭杜絕了漆溫對掛漆量的影響。

第2條產線浸漆設備特點如下：(1)采用夾爪抓取工件，取消托盤，減少樹脂浪費；(2)整條產線采用轉盤式，主機配備可靠的換向裝置保證定子在全周期工作中保持線圈不斷電，全周期溫度可控；(3)浸漆缸采用分體式設計，以提高絕緣浸漬漆冷卻效率；(4)設備測控采用工業控制計算機+PLC控制，在不同工藝階段采用針對性的控制策略，即在浸漆階段智能實時改變電源參數，在凝膠、固化階段采用高精度控制技術，精確實時控溫；(5)通過工序優化，節拍時間可縮短為1.92 min/臺。

該套設備目前在裝配調試階段，即將投入產線使用。設備示意圖如圖2所示。

圖2 轉盤式16工位E-UV浸漆機

3.4 工藝應用實例

E-UV沉浸工藝已有大量的試驗及推廣經驗，例如：外徑約200 mm的線定子(銅線電阻幾十毫歐)使用該工藝，測得掛漆量為使用VI工藝的定子掛漆量的4～5倍；外徑約300 mm的線定子使用電加熱工藝進行試驗，測得掛漆量為使用VI工藝的定子掛漆量的3～4倍，定子平均溫升降低了10 K左右；銅線電阻約1 Ω的工業電機，采用直流電加熱方式，掛漆量增加3～4倍；浸漆前PDIV約為800 V的定子，浸漆后PDIV值、局部放電熄滅電壓(PDEV)等參數如表3所示。

表3 采用E-UV工藝后電機PDIV、PDEV等參數值

對不同型號的定子進行工藝參數調整，并對槽內進行剖切檢查，發現銅線之間的間隙填充飽滿，填充率均接近100%。實際效果如圖3和圖4所示。

圖3 某型號線定子浸漆后剖切圖

圖4 某型號定子E-UV沉浸后端部線包放大圖

4 結 語

本文介紹了E-UV沉浸工藝在EV/HEV電機制造上的應用。隨著技術的發展，電加熱工藝是否能應用于中大型電機成型繞組真空壓力浸漆(VPI)后固化，以提高能源利用率，還需要工藝及設備人員不斷地試驗探索。目前設想的工藝路線是整浸VPI之后，接線通電加熱并旋轉烘焙，同時UV固化，迅速封住絕緣漆，盡量減少絕緣漆流失，然后關閉UV燈，停止旋轉，繼續通電加熱固化樹脂，直至絕緣電阻穩定為止。單根線棒VPI通電加熱相對容易實施(類似于模壓結構)。此工藝路線關鍵在于通電電流對升溫速率的控制，以防止樹脂反應過快或過慢導致不可預期的后果，同時要考慮通電加熱時電機各部位線圈的溫差影響(通電加熱計算的是線圈平均溫度)，并對設備做相應的改造：基于絕緣漆穩定性及成本考慮，可以僅采用電加熱取代烘箱加熱的方式基于已有設備做相應改造。此外，絕緣漆生產廠家也需要配合工藝及設備廠家進行配方優化，以適應成型繞組VPI絕緣處理工藝的要求。