高柔性生产线助力新能源电动机高质量生产

■菲索玛特（北京）机床有限公司 李 强

新能源汽车正在兴起，电动机生产线必须相应地适应汽车工业的新要求。要达到生产成本低的要求，生产过程中就需要集成高度的自动化。此外，还有不同的版本，不同的功率等级的新能源汽车电动机，如48V车载电动机、400V电动机的直接驱动或混动应用电动机，或更大的800V电动机。为了能够大规模生产这些关键零部件，需要灵活的制造系统，根据零件的大小和类型，可以在同一产线共线生产，而不需要额外的设备或很长的换产时间。但到目前为止，还缺乏能够独立于电动机类型而大批量共线生产的产线。为此，作为高柔性、高性价比生产线专家的德国Felsomat公司，针对电动机生产的特点，开发了一套完整的新能源电动机生产解决方案。工艺流程优化后，模块化单元可以灵活扩展，同时也可以设计成独立的系统。在2019年德国柏林的CWIEME大会上，Felsomat公司首次展示了其eFlexline的设计理念。

电动机市场正在增长，各种设计和技术已经开发出来，短期解决方案是48V车载系统。而作为向纯电动驱动过渡的解决方案，内燃机和400V电动机相结合的混合动力解决方案在市场上将越来越受欢迎。由于CO2排放规定，从2023年起，要求所有的汽车制造商生产的每辆纯电动车配备400V-E电动机，它缩短了充电时间，也可以显著减少电缆的横截面和质量，从而对车辆的整体质量产生积极影响。

虽然已经有产线可以生产上述这些类型的电动机及其组件，如转子和定子，但通常只局限于一种类型或一个系列的电动机产品。此外，为了满足高性价比的规模化生产，生产成本必须可控。同时产线还必须集成精确、高效的自动化，以满足恒定的品质要求。定子的生产尤其需要特别高的制造工艺和能力，有大量单独的生产步骤，这是电动机中最昂贵的组件，占总成本的35%。为了使这种部件的制造能力与传统内燃机制造能力相当，定子生产线或制造单元必须能够柔性工作，不需要长时间的换型，却能够生产不同高度的定子。

基于多年的经验，Felsomat公司已为定子和转子的生产开发了数条生产线，同时，对电动机总装进行了分析，设计了基于Felsomat成熟的装配技术和模块化、自动化的柔性生产制造系统。

每台机器都具有专业级工艺

传统方式安装在电动机上的线圈是一种导体，它通过产生磁场来影响驱动电源中的电流传输，线圈由铜线缠绕而成，线圈的缠绕方式有多种类型。因此Felsomat公司的定子生产线（eFlexline）完全专注于发夹电动机定子生产技术，其设计目标是开发一条能够完美匹配不同绕组方案、同时实现多种发夹线形状的生产线，具备标准化的接口和简单高效的自动化系统，确保处理不同尺寸的工件，可以根据产品要求和发夹形状调整各个生产单元的工作任务。

发夹电动机工艺链开始于绝缘纸的处置，绝缘纸折叠并插入到定子碟片铁芯的预留槽中，以避免电压浪涌。根据电动机产品的设计要求，可以选择不同的绝缘纸折叠形状。在接下来的发夹制造单元中，扁铜线成卷上料，然后在设备中对扁铜线进行旋解、校直、剥离漆皮及裁剪，制成I-Pin。根据需要，可采用激光烧灼式或机械铣削式剥离漆皮。接下来将I-Pin进行2D及3D折弯，做成所需的“铜线发夹”。当然，定子所需的特殊形状发夹也可以在此单元中完成制作。做好的“铜线发夹”根据产品分类，通过自动化装置，将其逐步逐层编织成“铜线发夹篮”，最终“铜线发夹篮”由机械手装配进已经带有绝缘纸的定子铁芯中。

所有生产流程均具备加工柔性

定子发夹扭头加工工艺也要有非常高的柔性，eFlexline中的加工单元可以满足从两层到8层发夹定子的同时扭头工艺。另一方面，在扭头的工艺过程中，另一端带有绝缘层的发夹通过预设内锁装置锁紧，该系统根据需要可以被配置成最多10级的扭头功能。为了优化发夹末端的焊接质量，使用带有扫描功能的激光光学装置和激光焊接视觉系统。

为了将铜线更好的固定在槽内，提高绕组的绝缘性能，并排除湿气的影响，发夹绕组采用单独的工艺步骤——滴漆。这种工艺是将树脂直接滴在绝缘纸末端，通过虹吸效应，渗透到插有绝缘纸的铁芯槽中，同时使定子表面保持清洁和无树脂残留。采用节能的感应加热技术对定子外壳进行所需的加热工艺，所应用的树脂则被自动调节到一个恒定的介质温度进行凝固。合成树脂本身是通过一个高精度的滴针滴到扁铜线和绝缘纸槽之间的间隙，树脂在定子内凝固后，对之前焊接过的发夹端进行粉末涂敷。

优化的工艺流程模块可灵活伸缩，同时可作为独立系统设计

最后，定子组件被转移到一个测试单元中，期间定子的指定功能被测试。整个生产线的所有工艺参数和结果都被存储，如果需要，还可以远程访问。此外，该系统还创建了完整的工件历史记录，以最大限度地跟踪每个产品，从而使整个工艺流程可见。

Felsomat桁架自动化产线

eFlexline系列电动机产线采用桁架机械手式的自动化系统模式，被越来越多的客户认可，已经收到来自大众汽车集团、标致雪铁龙集团、Z F集团等欧美企业的订单。Felsomat是业内首家将桁架形式自动化引入到新能源汽车电动机生产线的企业。桁架系统当前被广泛应用于内燃机缸体、缸盖生产线以及曲轴生产线中，其具有高速及高稳定性，同时又具有低维护频次以及可忽略不计的设备磨损特性。以一个8层扁线电动机定子柔性产线订单为例，产线规划10万产能，仅需要3名工人，主要工序之间通过桁架连接，例如定子铁芯的插纸及扩口设备、发夹制作及编制发夹篮设备、发夹篮装配设备均通过桁架连接，无需人工干预，通过在桁架下方预留场地，仅需补充一台模块化的发夹制作设备就能扩展到15万产能，桁架自动化系统除了更改软件程序外，不需额外进行改造。发夹扭头及焊接设备也是通过桁架将主机设备与缓存料道相衔接，在产能增加或品种增加时，也能进行柔性加工。Felsomat自行开发研制的模块化、少在制件式滴漆设备，通过桁架机械手系统与冷却通道相衔接，这样就避免了加热后的定子将热气直接散发到工厂中，也避免了料道方案中，高温定子对操作者的潜在伤害。与市场传统产品不同的是，这种滴漆设备可以方便的集成到产线中，无需额外独立空间，这样就节省了工厂内部物流转运成本。而且此类型滴漆设备为模块化标准机，在生产线投资初期，可只订购满足初步产能规划的设备数量，随着产能爬坡，可以随时增购额外的标准机床；通过更换工装，标机设备也可切换为其他品种产品的制作生产，增减就像拼乐高玩具那样简单。由于采用“少在制件”理念的设计，当设备需要换型或维护而停机时，需要报废的在制件就很少，降低了制造成本。

新能源汽车产业另外一个核心零部件是电驱桥的制造。与传统变速箱制造相比，虽然电驱桥由更少的零部件组成，但加工难度以及柔性的要求更高。由于新能源电动机高转速、轻量化及低噪音的要求，对电驱桥齿轮的制造工艺也有了革命性的变革。传统差速器壳体以及主减速齿轮的装配是通过螺栓或者铆接，但新能源汽车已经要求改为激光焊接工艺，由于差速器壳体材料一般是铸铁，而主减速齿轮的材料均为钢材，将两种不同材料进行激光焊接，这是一项全新的变革。Felsomat 拥有多年的固体光源激光焊接经验，针对此种工艺的研究及应用也一直走在行业前列。

激光清洗和填丝工艺

激光清洗差壳以及主减速齿轮是此项技术的关键工艺之一，在进行激光清洗前，两种工件必须保持干燥和清洁，激光清洗聚焦的只是焊接区域的二次清洗，以保障之后的焊接质量。激光清洗后的工件由Felsomat 专业自动桁架机械手转运到压装工位，对二者进行压装，之后进入Felsomat 模块化的焊接单元FLW400 进行焊接。为保证焊接生产线的柔性，FLW400 的激光头带有B轴，使设备既能进行轴向焊接也能进行径向焊接。根据产品设计，这两种焊接形式在实际量产产品中均有实施。

保障铸铁材料与钢制件成功焊接在一起，且能保证差速器整体产品相关技术参数的另一关键点是焊接期间的填丝工艺。填丝作为铸铁和钢材的焊接媒介，可以避免出现焊接裂缝，这是当前业内采用的最流行的工艺。当然，通过对铸铁材料和钢材的选用，也可以避免使用填丝工艺，Felsomat在类似项目中与客户共同开发优化了此种工艺，并成功交付此焊接产线供量产使用。填丝材料的选择、填丝量的选择对工艺稳定性影响很大。通过对填丝装置、激光光束质量的时时在线监控，以及FLW400机床所坚守的德国工匠制造精神，来保证焊接全过程质量的稳定性。焊接后根据客户要求，Felsomat 开发的超声波检测单元也可以集成到焊接产线中，从而实现对产品的100%焊接后检测，避免产生批量生产事故，降低生产成本。在提供给宝马汽车i系列新能源汽车的差速器壳体焊接生产线中，Felsomat攻克了狭小空间内喷射式超声波检测的难题，缩短了整体工艺工序，降低了制造成本。