電磁線疊包率控制工藝研究

凌翠平，楊學軍

(中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001)

軌道牽引電機定子線圈所使用的電磁線為耐電暈聚酰亞胺薄膜燒結的扁銅線， 薄膜疊包率對于電磁線乃至整個電機的電氣性能至關重要，疊包率過小會導致絕緣性能不佳，疊包率過大則會導致尺寸超差，進而影響電氣性能。因此，如何控制電磁線疊包率成為一個重要課題。

1 電磁線絕緣疊包率影響因素的理論分析

電磁線由包裹在外面的耐電暈聚酰亞胺薄膜和扁銅線組成，在軌道牽引電機中，為了獲得優良的絕緣性能，薄膜疊包率通常會大于50%。疊包率超過50%的絕緣疊包如圖1所示。

圖1 絕緣疊包示意圖

疊包率γ計算公式為：

從式(1)可以看出，影響疊包率的因素為疊包寬度D1和薄膜帶寬D2。

1.1 薄膜帶寬D2的影響分析

以美國杜邦公司生產的單面復合聚全氟乙丙烯薄膜型耐電暈聚酰亞胺薄膜 Kapton-150FCR019為例，薄膜厚度為0.038 mm，寬度選擇范圍為12～15 mm，按常規膜寬12.7 mm計算，根據杜邦產品技術規格書，其公差為±0.2 mm。

參數設定時，疊包率和薄膜帶寬均為固定值，在假定設備精度足夠高的情況下，計算因薄膜帶寬波動而導致的疊包率偏差見表1。

表1 因薄膜帶寬波動而導致的疊包率偏差

從上表中可以看出，薄膜帶寬極限偏差帶來的疊包率偏差可達到1.67%。

1.2 疊包寬度D1的影響分析

分析電磁線制作的工藝過程，分為8個單元：導線送線→導線校直→導線清理→薄膜繞包→薄膜燒結→電磁線冷卻→電磁線檢測→收線單元。導線送進的動力由收線單元給出，收線單元牽引導線勻速前進。薄膜裝載在包帶頭上，包帶頭帶動薄膜旋轉，繞包到導線上。在導線前進的方向上包帶頭無位移。因此，疊包率主要由導線送進速度、包帶頭旋轉速度、導線尺寸決定。薄膜繞包示意圖如圖2所示。

將電磁線沿中心線展開，模擬絕緣疊包情況，分析薄膜與電磁線之間的關系如圖2、圖3所示。

圖2 薄膜繞包示意圖 圖3 電磁線展開圖

由圖2和圖3可知，疊包率γ、疊包寬度D1、薄膜帶寬D2、薄膜遞進寬度D3、疊包節距D4、導線截面周長L、疊包角度α、導線送進速度V以及包帶頭轉速ω之間有如下關系式：

由式(1)至(5)可得到導線送進速度V、包帶頭轉速與疊包率γ、薄膜帶寬D2之間的關系為：

從式(7)可以看出，當D2和L確定的情況下，V和ω是否匹配決定了γ的準確度。

2 實物尺寸測量

2.1 薄膜尺寸測量

在實際生產過程中，對3個批次的薄膜進行抽查，測得薄膜尺寸為(12.7±0.05)mm，偏差范圍為極限偏差的 1/4。在其他因素不變的情況下，薄膜帶寬偏差引起的疊包率偏差約為0.31%。

2.2 導線尺寸測量

抽查某待繞包的導體，導體標稱尺寸為 1.66×4.73，圓角為R0.65，導體公差參照GB/T 5584.1—2009規定執行。導體標稱周長L為16.862，實測導體寬度為1.64×4.72，圓角按R0.65計算，導體實際周長L為16.802，偏差為0.35%。

在其他因素不變的情況下，周長偏差引起的疊包率偏差約為0.3%。

2.3 薄膜疊包率測量

在實際生產過程中，設備輸入參數為導線送進速度V、疊包率γ、薄膜帶寬D2、導線截面寬度、高度和圓角等尺寸信息，包帶頭轉速ω由設備自動計算得出。某型電磁線，導線尺寸和薄膜帶寬確定，疊包率設置為 53%。在不同導線送進速度的情況下，測量導線的實際疊包率如表2所示。

表2 在不同導線送進速度的情況下，測量導線的實際疊包率

由此可知，導線送進速度越高，疊包率越不精確。

對電磁線生產設備進行分析，導線送進的牽引力由最后的卷線驅動單元給出，該動力直接施加在滾輪盤上，導線與滾輪盤之間通過橡膠帶壓緊，壓力可調。經過現場測量滾輪盤的圓周面跳動，在靠中間和外側的跳動量約為0.15 mm，靠里側的跳動量達到了0.35 mm。因此分析導致疊包率波動的原因之一為導線在收線單元的滾輪盤上存在打滑現象，導致V和ω不匹配。

觀察導線在進入繞包箱之前有定位導輪，經過繞包頭之后也有支撐導輪，兩組導輪之間導線懸空。通過觀察設備運行情況可知，由于疊包時薄膜拉扯導線單邊受力，絕緣繞包時導線晃動很大。導線徑向方向上的擺動影響了送進速度V，因而也導致V和ω不匹配，這是原因之二。

3 改善措施

結合對疊包率影響因素的分析，采取以下措施對生產設備進行改善。

(1)設備振動以及導線擺動都是由包帶頭帶動的，通過對包帶頭進行動平衡，減少其對導線振動的影響。

(2)在測量導線實際送進速度的旋轉編碼器處增加導輪，對導線施加壓力，確保編碼器能測到準確的導線送進速度，如圖4、圖5所示。

圖4 導輪和導線示意圖

圖5 導輪和導線示意圖（施壓后）

(3)包帶單元內增加輔助限位滾輪或導輪，減少導線的懸伸長度，降低導線的振動量，如圖 6、圖7所示。

圖6 包帶單元

圖7 限位滾輪或導輪

(4)經過現場測量收線單元的驅動輪圓周面跳動，在靠中間和外側的跳動量約為0.15 mm，靠里側的跳動量達到0.35 mm，及時對驅動輪進行修整，將圓周面跳動量控制在0.15 mm以內。

(5)在生產線末端驅動輪的橡膠帶張緊力調節點增加彈簧補償，避免皮帶松弛帶來的電磁線與滾輪滑動導致速度不匹配問題。如圖8、圖9所示。

圖8 橡膠帶張緊力調節點

圖9 彈簧補償

4 效果驗證

對包帶單元的改善措施，可以通過測量包帶單元的振動量來監控改善效果。分步在包帶單元內增加限位導輪、對包帶頭進行動平衡配重等措施以后，監測包帶單元的振動情況如表3所示。

表3 監測包帶單元的振動情況

由表3可知，增加限位導輪和將包帶頭進行動平衡處理都能有效地降低導線的晃動情況。

結合對收線單元的驅動輪修整以及橡膠帶張力控制改善之后，重新生產某型電磁線，導線尺寸和薄膜帶寬確定，疊包率設置為53%，導線送進速度設為5 m/min，測量實物疊包率的情況與改善前對比如表4所示。

表4 測量實物疊包率的情況與改善前對比

從表4可知，改善措施實施后，實物疊包率與設定值更為接近，且疊包率偏差從 1.18%降到0.66%，疊包率更為穩定、精確。

5 結論

通過分析電磁線疊包率的影響因素，并結合生產設備對影響疊包率精確度的因素進行了改善，通過技術手段提高電磁線疊包率的控制精度，確保電磁線疊包率滿足生產要求。