Технология шпильки
Технология шпильки представляет собой технологию намотки статоров в электродвигателях и генераторах , а также используется для тяговых устройств в электромобилях . В отличие от традиционных технологий намотки , технология шпилек основана на использовании цельных плоских медных стержней, которые вставляются в пакет статора. Эти медные стержни, также известные как шпильки, состоят из эмалированной медной проволоки, согнутой в U-образной форме, аналогичной геометрии шпилек. [ 1 ]
Помимо шпилек U-образной формы, существуют еще два варианта стержневых намоток: так называемая технология I-pin и концепция непрерывной шпильковой намотки.
I-Pin представляют собой элементы из прямых медных проводов, которые вставляются в пазы статора. В отличие от шпилек, эти шпильки не сгибаются перед вставкой в стопку. Однако контакт необходим с обеих сторон статора. В рамках концепции непрерывной намотки шпилек изготавливаются так называемые намоточные маты, которые затем вставляются в стопку по внутреннему диаметру.
Статоры-шпильки чаще всего используются в синхронных машинах . [ 2 ]
Структура статора
[ редактировать ]Конструкция шпильчатого статора отличается от обычных статоров только типом системы обмоток — остальные узлы статора мало изменяются. [ 1 ] [ 3 ] Стопка листов состоит из множества слоев отдельных листов, каждый из которых изолирован тонким покрытием. [ 4 ] Корпус — это еще один компонент, который обычно не требует модификаций. Тонкая круглая проволока традиционной технологии намотки заменена медными стержнями, которые лучше соответствуют геометрии паза и, следовательно, обеспечивают более высокую степень заполнения паза, чем обычная намотка. [ 5 ] Для создания необходимой схемы намотки свободные концы шпилек перед сваркой скручиваются. Помимо процесса пропитки всего статора, который также необходим для статоров с традиционной обмоткой, на концы шпилек наносится слой изоляционной смолы. [ 4 ]
Производство
[ редактировать ]Технологическая цепочка шпильчатого статора основана на подходе с непрямой обмоткой. Благодаря сплошному поперечному сечению шпилькам можно придать окончательную геометрию еще до фактического процесса сборки. [ 6 ] В отличие от традиционного производства статоров, в котором преобладают процессы сборки обмоток, применяется процесс формовки. [ 7 ] [ 8 ]
Производство можно разделить на 4 этапа:
Шпилька
[ редактировать ]В первом процессе плоская медная проволока, обычно уже эмалированная, непрерывно разматывается и в несколько этапов выпрямляется для уменьшения остаточной кривизны и напряжений. При подготовке к сварке медных концов на более позднем этапе процесса эта изоляция частично удаляется. лазерные Возможны и механические процессы. Проволока-шпилька обрезается до нужной длины и сгибается в разном порядке. Шпилькам придают трехмерную геометрию либо в одноэтапном процессе с использованием специального гибочного оборудования с ЧПУ , либо в несколько этапов, в которых процесс гибки штампом следует за процессом гибки с поворотом. [ 6 ] [ 8 ] [ 5 ] Существует три технологии сгибания проволок-шпильок: U-Pin, при которой проволока-шпилька имеет форму, напоминающую U, I-Pin, с проволоками, напоминающими букву I, и непрерывная шпилька, также называемая непрерывной волной, при которой сгибается одна проволока. в змеевидную форму длиной до нескольких метров. Технология U-Pin является наиболее распространенной из них. [ 9 ] [ 10 ]
Сборка и скручивание
[ редактировать ]Затем штифты вставляются в блок статора. Процесс установки ограничен перекрытиями геометрии намоточной головки. Шпильки обычно предварительно собираются в монтажном гнезде. [ 11 ] Отдельные выводы располагаются в соответствии со схемой намотки. Как правило, в одном статоре шпильки используется от 3 до 16 шпилек различной геометрии. [ 12 ] Пазы статора покрыты изоляционной бумагой, чтобы отделить систему обмотки от потенциала земли пакета листов статора.
На следующем этапе сборки корзина шпилек вставляется в осевом направлении в пакет статора. иногда делаются фаски Для поддержки вставки на шпильках в процессе резки — захваты могут повысить точность позиционирования.
Каждый слой концов шпилек скручивается в соответствии со схемой намотки. Во время соответствующего вращения инструмент необходимо перемещать в осевом направлении для компенсации высоты. Чтобы обеспечить осевую доступность, концы шпилек на предварительном этапе должны быть обнажены в радиальном направлении. [ 5 ]
Сварка и соединение
[ редактировать ]
Далее концы шпилек электрически контактируют друг с другом, образуя схему намотки. С помощью лазера концы шпилек частично расплавляются и соединяются. [ 13 ] [ 14 ] Оптимальный процесс сварки характеризуется однородной геометрией сварного шва и минимальными тепловыми затратами. Повторяемые стратегии сварки требуют, чтобы статор поддерживал стабильное состояние.
Относительная высота и боковое смещение конца шпильки могут привести к дефектам сварки. Это можно предотвратить с помощью корректирующих процессов, которые зависят от точных допусков в предшествующих процессах. [ 15 ] [ 16 ] Скачки фаз и основное электропроводящее соединение всей обмотки могут осуществляться через соединительные элементы или сборки, подключаемые к приваренным шпилькам концам. [ 17 ] Это также можно сделать с помощью лазерной сварки. [ 18 ] Примерами соединительных элементов являются контактные кольца, клеммы и перемычки.
Изоляция
[ редактировать ]После процесса намотки приваренные медные концы повторно изолируются и пропитывается весь статор. Для изоляции медных концов обычно используются порошковое покрытие или смолы на основе полиуретана. Обычно используются процессы погружения, капельного орошения или заливки. Процесс пропитки мало отличается от процессов, используемых для обычных статоров, таких как процессы погружения или капельного орошения. Целью пропитки является защита статора от термических, электрических , внешних и механических воздействий. [ 2 ] [ 19 ]
Тестирование
[ редактировать ]В ходе производственного процесса проводятся различные испытания. Обеспечение функциональных и безопасных свойств статора является ключевой целью. Общие тесты:
- частичного разряда Тестирование [ 20 ]
- Испытание перенапряжения [ 21 ]
- сопротивления Тестирование [ 20 ]
- Геометрическое тестирование [ 22 ]
Проблемы
[ редактировать ]В частности, в тяговых приводах основной проблемой внедрения является надежность процессов, особенно процессов гибки и сварки. Процесс гибки не должен повреждать изоляцию и точно соответствовать необходимой геометрии. Неправильно приваренные концы шпилек могут привести к электрическим потерям и, возможно, к выходу из строя статора. [ 11 ]
Ключевыми целевыми параметрами являются высокие коэффициенты заполнения пазов статора и небольшая головка обмотки. За счет прямоугольного и увеличенного сечения проводника коэффициенты заполнения могут достигать 73% (значительно выше, чем 45-50% в статорах с традиционной обмоткой). [ 23 ] Небольшая намоточная головка увеличивает относительное количество активного материала и, следовательно, долю, генерирующую мощность. Однако большее поперечное сечение шпильки может привести к дополнительным электрическим потерям, например, из-за эффектов смещения тока, таких как скин-эффект . [ 24 ]
Автомобильная промышленность
[ редактировать ]Благодаря детерминированным процессам сборки, хорошему соотношению скорости и крутящего момента и высоким коэффициентам заполнения технология шпилек приобрела привлекательность для автомобильной промышленности. Кроме того, процесс производства шпилек можно автоматизировать . В результате сокращение времени цикла и увеличение объемов приводят к снижению производственных затрат. [ 11 ]
Технология шпилек все чаще применяется в автомобильной промышленности. Первым серийным автомобилем с технологией шпильки стал гибрид General Motors Chevrolet Tahoe 2008 года с двумя двигателями с такой конструкцией статора в трансмиссии GM 2ML70 «2Mode». [ 25 ]
Volkswagen Group использует шпильковые статоры в своих электромобилях, включая ID.3, [ 26 ] ID.4 [ 27 ] [ ненадежный источник? ] Audi e-tron GT, [ 28 ] и Порше Тайкан . [ 29 ] BMW iX3 — первый автомобиль компании, в котором используются шпильковые статоры. В 2021 году General Motors представила свою новую линейку двигателей, в которую входит ASM мощностью 64 кВт для гибридных автомобилей и PSM мощностью 255 кВт для Hummer EV. [ 30 ] В 2023 году Tesla объявила, что в ее двигателе следующего поколения будут использоваться шпильки. [ 31 ]
Исследовать
[ редактировать ]Правительство и промышленность финансируют исследовательские проекты в области высоких технологий. К ним относятся:
- Pro-E-Traction (производство, BMW AG) [ 32 ]
- HaPiPro2 (Производство, PEM RWTH Ахенского университета) [ 33 ]
- AnStaHa (Производство, Технологический институт Карлсруэ) [ 34 ]
- IPANEMA (Машинное обучение, API Hard- and Software GmbH) [ 35 ]
- КИПрЭМО (Искусственный интеллект, ФАПС ФАУ Эрланген-Нюрнберг) [ 36 ]
- КИКоСА (Искусственный интеллект, ФАПС ФАУ Эрланген-Нюрнберг) [ 37 ]
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Кампкер/Шнеттер/Валле: Электромобильность. 2-я ред. издание, 2018, Springer Berlin Heidelberg, ISBN 978-3-662-53136-5
- Глэссель, Тобиас: Технологические цепочки для лазерной сварки фасонных катушечных обмоток на основе плоских проводников для тяговых приводов автомобилей. Исследования FAU в области машиностроения, том 354, июль 2020 г., Эрланген, Университетское издательство FAU, ISBN 978-3-96147-356-4
- VDMA/Raßmann: Процесс производства шпильчатого статора. 1-е издание, октябрь 2019 г., ISBN 978-3-947920-08-2
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Порше (9 апреля 2019 г.). «Привод: чистая производительность» . Проверено 27 июля 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Технологический институт Карлсруэ (KIT). «Компактные знания: производство тяговых электродвигателей» (PDF) (на немецком языке) . Проверено 21 апреля 2022 г.
- ^ Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам. «Шпилька мотора, силового агрегата и автомобиля» . Проверено 13 мая 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Тонг, Вэй (2014). Механическое проектирование электродвигателей . Рэдфорд, Вирджиния: CRC Press. ISBN 978-1-4200-9144-1 .
- ^ Перейти обратно: а б с ПЕМ РВТ. «Производственный процесс шпильки статора» (на немецком языке) . Проверено 24 мая 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам. «Устройство для формирования шпильки плоскости статора двигателя с плоской проволокой» . Проверено 13 мая 2022 г.
- ^ Кампкер, Ахим (2018). Электромобильность (на немецком языке). Ахен: Спрингер. п. 333. ИСБН 978-3-662-53136-5 .
- ^ Перейти обратно: а б Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам. «Устройство для намотки токопроводящих стержней шпильочного типа двигателя» . Проверено 13 мая 2022 г.
- ^ Кампкер, Ахим; Хаймес, Хайнер Ганс; Дорн, Бенджамин; Бранс, Флориан; Стек, Кристиан (1 марта 2023 г.). «Проблемы технологии непрерывной шпильки для технологии производства» . Об этом сообщает Энергетика . 9 : 107–114. Бибкод : 2023EnRep...9..107K . дои : 10.1016/j.egyr.2022.10.370 .
- ^ Родился Хенрик Кристоф; Блан, Флориан Селл-Ле; Платт, Фолькмар; Кампкер, Ахим; Хаймс, Хайнер; Торн, Бенджамин; Бранс, Флориан; Дрекслер, Дэвид; Олер, Фабиан; Мюнстер, Андреа; Райзинг, Себастьян (12 ноября 2022 г.). «Разработка технологии производства формованных обмоток статора из многожильного провода» . 2022 12-я Международная конференция по производству электроприводов (EDPC) . стр. 1–9. дои : 10.1109/EDPC56367.2022.10019746 . ISBN 978-1-6654-5404-9 – через IEEE Xplore.
- ^ Перейти обратно: а б с Глэссель, Тобиас (июль 2020 г.). Технологические цепочки лазерной сварки формованных катушечных обмоток из плоских проводников для тяговых приводов автомобилей (на немецком языке). Эрланген: Университетское издательство FAU. п. 19. ISBN 978-3-96147-356-4 .
- ^ Кампкер, Ахим (2018). Процесс изготовления шпильчатого статора (на немецком языке). Ахен: Спрингер. п. 10. ISBN 978-3-947920-08-2 .
- ^ Глессель, Тобиас; Зефрид, Йоханнес; Мазух, Майкл; Ридель, Андреас; Майр, Андреас; Кюль, Александр; Франке, Йорг (12 августа 2019 г.). «Процесс надежной лазерной сварки шпилек обмоток тяговых приводов автомобилей» . Международная конференция по технике, науке и промышленному применению (ICESI) 2019 г. стр. 1–6. дои : 10.1109/ICESI.2019.8863004 . ISBN 978-1-7281-2174-1 – через Semantic Scholar.
- ^ Омлор, Маркус; Зейтц, Никлас; Буцманн, Том; Петрич, Тобиас; Греф, Рольф; Гессен, Анн-Кристин; Дилгер, Клаус (1 июня 2023 г.). «Характеристики качества и анализ входных параметров при лазерной сварке шпильчных обмоток электроприводов» . Сварка в мире . 67 (6): 1491–1508. дои : 10.1007/s40194-023-01500-y .
- ^ «Устройство и способ центровки шпильковой обмотки» . Register.dpma.de . Проверено 9 августа 2022 г.
- ^ Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам. «Устройство выравнивания шпильки приводного двигателя» . Проверено 13 мая 2022 г.
- ^ Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам. «Соединительный компонент для соединения электрических проводников шпильковой обмотки статора электрической машины» (на немецком языке) . Проверено 13 мая 2022 г.
- ^ Геринг Технологии ГмбХ + Ко. КГ. «Сварка» . Проверено 24 мая 2022 г.
- ^ Геринг Технологии ГмбХ + Ко. КГ. «Пропитка» . Проверено 24 мая 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Марпосс. «Электрические испытания: сборка статоров, функциональные проверки: испытание частичным разрядом» . Проверено 21 июля 2021 г.
- ^ Шляйх. «МТС3» . Проверено 21 июля 2021 г.
- ^ Производственный интеллект Hexagon. «Габаритные испытания шпилек статоров» . Проверено 21 июля 2021 г.
- ^ Кампкер, Ахим (октябрь 2019 г.). Процесс изготовления шпильчатого статора (на немецком языке). Ахен: ВДМА. п. 2. ISBN 978-3-947920-08-2 .
- ^ Пфунг, Томас (2018). «Платформа Schaeffler eDrive» . Архивировано из оригинала 15 мая 2021 г. Проверено 15 июля 2021 г.
- ^ Дайджест передачи (01 марта 2010 г.). «Двухрежимная гибридная трансмиссия GM 2ML70» .
- ^ Фольксваген. «От пружины и демпфера к ротору и статору» . Проверено 21 июля 2021 г.
- ^ Манро Лайв (06 июля 2021 г.). «Volkswagen ID.4: Разборка и анализ электродвигателя» . Ютуб . Проверено 21 июля 2021 г.
- ^ Ауди. «Движение и рекуперация» . Проверено 21 июля 2021 г.
- ^ Отдел новостей Porsche (9 апреля 2019 г.). «Драйв: чистая производительность» . Проверено 21 июля 2021 г.
{{cite web}}:|last=имеет общее имя ( справка ) - ^ Дженерал Моторс (21 сентября 2021 г.). «GM представляет совершенно новые электродвигатели для полностью электрического будущего» . Проверено 23 сентября 2021 г.
- ^ Ван, Брайан (27 марта 2023 г.). «Усовершенствованные новые шпильковые двигатели Tesla и аккумуляторы CATL M3P | NextBigFuture.com» . Проверено 28 марта 2023 г.
- ^ Кафедра автоматизации производства и производственных систем (FAPS), Университет Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг (FAU). «Pro-E-Traction: автоматизированные и надежные производственные системы для приводов E-Traction» . Проверено 20 июля 2021 г.
- ^ PEM RWTH Ахенский университет. «ХаПиПро2» . Проверено 20 июля 2021 г.
- ^ Счинаракис, Коста (06 сентября 2019 г.). «Гибкое производство электродвигателей для автомобилей» . Проверено 20 июля 2021 г.
- ^ PEM RWTH Ахенский университет. «ИПАНЕМА» . Проверено 20 июля 2021 г.
- ^ Кафедра автоматизации производства и производственных систем (FAPS), Университет Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг. «КИПрЭМО – Искусственный интеллект для гибкого и эффективного производства прецизионных компонентов для электронной мобильности» . Проверено 20 июля 2021 г.
- ^ Кафедра автоматизации производства и производственных систем (FAPS), Университет Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг. «КИКоСА – Искусственный интеллект для технологического лазерного контактирования статоров электроприводов» . Проверено 20 июля 2021 г.