集中绕组电机定子的生产工艺及质量控制方法的研究(学位论文).pdf
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1、申请上海交通大学工程硕士学位论文集中绕组电机定子的生产工艺 及质量控制方法的研究学 校:上海交通大学院 系:机械与动力工程学院工程领域:工业工程 上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年 月 日 上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国
2、家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口,在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。(请在以上方框内打“J”)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年 月 日日期:年 月 日 集中绕组电机定子的生产工艺及质量控制方法的研究摘要上海日立电器有限公司是一家专业化生产空调用压缩机的企业。本 文主要介绍了公司新引进的高效变频节能空调压缩机中新型电机的生产 工艺质量等控制方法。该压缩机的电机采用一种全新的工艺集中绕 组,其主要的优势
3、主要体现在生产工序极大的简化,作业人员的减少,原材料铜质漆包线用量的减少。详细介绍关键工序的实现,关键设备一一 集中绕线工序及设备的结构,及生产过程中的关键控制方法等。关键词:集中绕组,电机生产I STUDY ON IN-SLOT WINDING STATORPRODUCTION PROCESS AND QUALITYCONTROL METHODABSTRACTSha ngha i Hita c hi Elec tric a l Applia nc es Co.,Ltd.is a professiona l produc tion c ompa ny of a ir-c onditioning
4、 c ompressor.This pa per ma inly desc ribes the produc tion qua lity c ontrol methods of c ompa nys newly developed motor used in high-effic ienc y energy-sa ving inverter c ompressor.The c ompressor motor uses a tota lly new proc ess-in-slot winding,its ma in a dva nta ges a re ma inly reflec ted i
5、n simplifying ma nufa c turing proc esses grea tly,opera ting personnel proc ess,a nd reduc ing ra w ma teria l c onsumption of c opper ena meled wire.This pa per introduc es the rea liza tion of the key proc esses in deta il,suc h a s key equipment-in-slot winding proc esses a nd equipment struc tu
6、re,a nd c ontrol methods in produc tion proc ess.KEY WORDS:In-slot winding,motor ma nufa c turing 符号说明1.3N,4M,5 S:“3N”:不接受不合格品,不制造不合格品,不转父不合格品。“4M:人 Man、机器 Machine、材料 Material、方法 Method。“5 S”:整理(Seiri)、整顿(Seiton)、清扫(Seiso)、清洁(Seikeetsu)和修身(Shitsuke),因为这5个词日语中 罗马拼音的第一个字母都是 S。2.压缩机COP:制冷压缩机的制冷性能系数,是指在
7、某一工况下,制冷压缩机的 制冷量与同一工况下制冷压缩机电机的输入功率Pin的比值。3.IPM:(Intelligent Power Module),即智能功率模块,不仅把功率开关 器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压,过电流和过热 等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU。目录摘要.IABSTRACT.II符号说明.III目录.IV第一章绪论.11.1课题的背景与意义.11.1.1外部宏观因素.11.1.2企业自身发展因素.21.2国内外的现状分析.3第二章集中绕组式电机定子多针同绕工艺流程设计及优化.72.1 集中绕组式电机定子工序概要.72.1.1分布式绕组与集中式绕组生产流程.7
8、2.1.2详细介绍集中式绕组电机的生产工艺.92.1.3槽绝缘插入工序.92.1.4集中绕线工序.132.2关键工序设计及优化.192.2.1漆包线张力的有效控制.19IV 2.2.2绕线针在上下两端折返时产生漆膜伤的因素.23第三章多针同绕协同机构运动分析与控制.253.1运动机构设计.253.1.1主轴摆动机构.253.1.2主轴往复运动机构.263.2多针同绕协同机构运动的原理分析.28第四章过程管理、质量控制及生产作业标准.304.1过程管理.304.2 质量控制.314.3 生产规范作业要领书.33第五章集中绕组电机定子组件关键参数阻值的质量控制.445.1绕组电阻值与环境温度之间的
9、关系.445.2集中绕组生产过程关键条件的设计.45第六章总结.48参考文献.49致谢.50攻读学位期间发表的论文.50v 第一章绪论1.1 课题的背景与意义木课题主要论述上海日立电器公司新引进的集中绕组电机的关键生产工艺。那么,首先需探讨一下引进该类型的电机的必要性。以下将从外部宏观因素和企业自身发展 因素两方面作分析。1.1.1 外部宏观因素国家为促进经济与资源、环境的协调发展,国家经贸委组织制定了7个可持续发展的相关规 划,并于2001年10月正式向全社会公布。其中,能源节约与资源综合利用“十五”规划中的相关政策与措施“认真贯彻落实节 能法,加快制定节能法配套法规,引导和规范用能行为。重
10、点组织制定节约石油管理办 法、能效标识管理办法2004年8月由国家发改委与国家质检总局颁布的能效标识管理办法和相关实施细则的 规定,我国的能效标识制度已经自2005年3月1日起正式实施。2004年11月由国家标准化管理委员会、国家发展和改革委员会和国家质量监督检验检疫总 局联合宣布,正式批准发布空调能效国家标准。按照能效比将空调分为1到5级,1级最节能,5级能效最低,低于5级的空调产品不允许上市销售。房间空气调节器能源效率限定值及能效等级、单元式空气调节机能源效率限定值及能效 等级和冷水机组能源效率限定值及能效等级这3项空调能效国家标准于2005年3月1日 起正式实施,这标志着我国将实施能源效
11、率标识制度。这3项能效标准中规定了房间空气调节器、单元式空调机、冷水机组的能效限定值、节能评价值、能效等级以及超前能效限定值。空调企业 需要在产品上加贴能效标识标志,告知消费者其能效水平等级。国家在“十一五”规划中提出要用科学发展观为指导,建设节约型社会。企业要依靠科技 进步和创新,构建节约资源的技术支撑体系。加大对资源节约和循环利用关键技术的攻关力度,组织开发和示范有重大推广意义的资源节约和替代技术,大力推广应用节约资源的新技术、新工 艺、新设备和新材料。国家要加大对节约资源和发展循环经济的重大项目建设的支持力度。对于空调的能效比的最直接的影响因素是主要部件空调压缩机的能效比。其中空调压缩机
12、中 电机的效率的高低对整个压缩机的效率的高低起着决定性的作用,集中式绕组电机无论在体积和1 效率方面都有其独特的优势。而且开发的集中式绕组的电机的电磁钢板采用0.35mm厚度的规格,相比传统的0.5mm厚度的电磁钢板,在铁损方面更低。体积的减小可以使得开发的压缩机整机也 相应的减小,在原材料方面可以节约30%。1.1.2 企业自身发展因素上海日立电器有限公司创建于1993年1月,位于浦东金桥出口加工区,由上海海立(集团)股份有限公司投资(75%)、日本国日立家用电器公司(25%)合资组建而成。2004年下半年成 功完成与森林电器有限公司的吸收合并,使年生产能力达到1200万台,是当今国内最大的
13、空调 压缩机生产企业。公司具备国际先进的技术装备,拥有国家级企业技术中心,产品有SG、SH、TH、INV、KH、SD、新冷媒CG、CH、ATC九大系列350多种规格。并不断追踪与研发当今世界家电制冷工业的前 沿技术,及高效节能、绿色环保两大课题。公司独创“3N、4M、5S”和构筑质量金字塔的管理模式。2002年在同行业中率先荣获了“全国质量管理奖”,管理走在了国内的前列,逐步与世界先进水平接轨。公司秉承“真心奉献”的经营理念,诚待顾客,以顾客的满意度和实现对顾客的承诺作为经 营工作的出发点和归宿点。10年来与全国数十家著名空调器厂家建立了稳固的供货关系,产品 连续五年占有国内市场份额20%以上
14、,部分产品返销日本,进入东南亚、欧美、南美、中东、非洲等国际市场。公司提供完备、快捷、高效的售前、售中、售后服务。随着社会主义市场化经济体制的逐步 发展和完善,空调压缩机行业也出现了激烈竞争的市场格局。为了积极应对市场变革,迎接挑战,推出具有市场竞争力的产品。为了进一步提高公司产品的综合性价比,从而提高产品的市场竞争力,这就要求公司必须不 断对生产的产品进行技术革新,采用新技术、新工艺、新设备和新材料。公司引进了高效、低耗 的新型压缩机,该压缩机的电机从产品的设计源头进行成本控制。在压缩机的成本中,电机部分约占一半,因此电机的生产成本一直居高不下,是影响压缩机 价格的主要因素。2006年原材料
15、市场的反映又是异常的强烈,如生产压缩机用到的主要原材料 铜,市场价原来约每顿3万元人民币涨至最高位时达到了每顿8万元人民币,这对公司的产品的 制造成本带来了巨大的压力。以每台压缩机平均用铜量L6KG计算,每台压缩机成本上涨约48 元人民币(以铜价由3万元人民币涨至6万元人民币计算),现在中国空调压缩机的市场处于供 大于求的状况,企业每台压缩机的利润已经很低了,如果以年产量800万台计算,由于铜涨价的 因素就使的利润下降约3.8亿元人民币。2 公司原来型号的压缩机电机定子全部采用分布式绕组方式(如图1),这样的电机的生产作 业工序复杂,前期的设备投入较大,作业人员配置较多,电机的制造质量控制复杂
16、,简单的通过 现场生产管理,已经很难进一步降低单台电机的生产成本。引进或开发相对生产工艺简单,作业人员较少,材料成本低的新型电机压缩机成为必然的趋 势。图1 分布式和集中式比较Fig.1 Comparison diagram of distributed and centralized1.2 国内外的现状分析国内的现状目前国内在电机绕线方面的生产基本还是处于一种比较传统简单的在线模绕制,复杂的就 是增加一个伺服轴来控制绕线时的布线。而对于在定子槽中直接进行多针同绕基本还是空白。国内绕线机方面,张喜国3介绍了小型自动化绕线机设计方案,并就传动设计作了详细的 介绍。对设计中采用的滚珠丝杠的支承方式
17、,以及不同支撑方式对传动精度的影响进行了对比分 析,针对小型绕线机设计中的问题提出了解决的方法。重点介绍了无梭式小型绕线机的方案设计 和机械传动机构的设计问题,对无梭式绕线机,线圈骨架一般为骨架与主轴电机同步旋转,小型 绕线机的主轴用电机通常用直流电机。于克龙4研究了绕线机排线机构及其运动与线圈绕制中层面形状平整度的关系,并讨论了 绕线过程进给运动控制的方法。主要介绍了在高速绕制细线线圈时出现乱绕的问题。陈凯10 研究了变压器中线圈的绕制工艺,概述了变压器绕制机的现状与发展;详细介绍了 ZXT半自动 绕线机的控制方案、控制流程、工作步骤、关键技术以及关键元器件的选择。华自强黄志强5主要研究的是
18、转子绕线中,一改以往传统的用夹具装夹转子转动进行绕线3 的方式,绕线时转子进行固定,用回转臂转动来引导漆包线绕入转子槽中。唐颖孟宪松刘军7 主要研究的是关于变压器绕组的自动绕线机,主要适用于电流互感器二次线圈铜线的自动缠绕,其采用先进的微电脑控制系统,绕制和储线均为变频调速,绕组旋转采用智能双步进电机为动力,绕制精确,力度适中,步进距离可以调整,且绕线和储线的匝数可以设定和记忆。张兴友8主要介绍了通过对三菱公司转子线圈绕线机及哈电磁极线圈绕线机的研究,找到 了解决转子线圈、磁极线圈 弯处R区域增厚的办法。高振华梁荣海姜宗林9介绍了采用步进电动机数控技术研究设计的数控绕线机,该设计 包括机械部分
19、、电气部分、微机控制电磁抱闸制动设计、数控程序设计,具有计数准确、功能齐 全、操作方便等优点,提高了劳动生产率。适用于中小电机制造企业,方式还是传统的在预先设 计好的线模上进行绕制线圈而后进行嵌线。宣传金张金国王兴武11分析了老式绕线机的功能缺点及对电机线圈绕组质量的影响,提出解决方案,采用新技术重新设计。其中主要对计数不准、放线盘甩线、没有软起动和软停车、没有恒张力控制结构等老式绕线机进行了技术改造设计出了一台半自动数控绕线机。国外的现状1999年3月日本根据节能法制定了有关器具新的标准,其中包括空调器。在2002年集中绕 组式电机主要在日本的一些空调器生产企业开始作为的新产品进行生产投放市
20、场,主要集中在一 些比较著名的企业如日本日立,日本松下和日本三洋等。在空调压缩机行业方面该类电机的情况从我们国家的家用电器消耗电量来看,其中房间用空调耗电最多,在夏季高温季节,约占总 耗电量的1/3,2005年总销售2390万台,因此空调的节能用电工作对于国家的能源节约有着重 要的意义。为了提高空调压缩机的COP值,人们就要求提高压缩机电机的效率。转子由传统的鼠笼式感 应电机转向在转子铁心中直接埋入永磁铁的IPM电机转变;电机的定子从分布绕组式电机向低铜 损的集中绕组式电机转变。集中绕组式电机与分布绕组式电机相比,具有定子线圈端部较小,线圈电阻小,铜损降低,在中低速区域效率高的优点。而分布绕组
21、式电机与集中绕组式电机相比,运转噪声较低。由于线圈系数也比集中式绕组高,不仅可有效利用磁通,而且由于定子磁通是均匀分布,所以电磁钢板得以有效利用。与定子磁通 不均匀状态、电磁钢板不能有效利用的集中式绕组电机相比,分布绕组电机具有铁损小的优点。但是,铜损大、中低速区域效率低是它的致命弱点,因此当重视低噪音时,一般采用在压缩机中 安装分布绕组电机;在重视提高中低速区域的效率时,一般采用集中式绕组电机。4 但是,集中绕组式电机在压缩机中安装后,变频载波频率成分的噪音大约增加20dB,需要 采取各种降噪措施。降噪措施大致有:第一,先改变电机的形状,把功率转换器的变频器由原来 运算能力低、进行120度通
22、电控制的变频器,改成采用运算能力高、进行正弦波通电控制的变频 器,使噪声降低了大约8dB12dB。第二,为了降低从压缩机内部向外部传播的噪声,隔音材料 由原来的一层结构改成了多层结构,并把与定子外圆接触的压缩机金属壳体的厚度加厚,增加了 强度。这些降噪措施,可以使集中式绕组电机的噪声水平不亚于分布绕组电机。但是,由于壳体 厚度增加、隔音材料的多层化,使材料费成本和生产加工费成本增加,也有缺点。对于压缩机整体成本下降来说,电机尺寸的减小,一方面是电机本身成本的直接下降,另外 一个贡献是可以使得压缩机整体尺寸得以减小,其他的部件,如压缩机的壳体的高度、曲轴的长 度等,这样综合起来采用集中绕组的变频
23、电机为整个压缩机的成本下降带来了很好的效果。拟开 发的新型C系列的变频压缩机的总重量只有同规格的G或D系列的70%o在空调压缩机行业内,采用集中式绕组电机的目前有日本日立、日本三洋、日本松下和广东 美芝公司,其中日本三洋采用有成型绝缘内胆的方式;松下采用机外线模绕线再嵌入(等同于分 布绕组);广东美芝的绕组方式是采用两根针同时对称绕组,再对工件进行转向,来完成六槽的 绕线,作业效率较低。同样对于集中绕组电机,有无内胆式和有内胆式两种。在制造的难易程度上有成型绝缘内胆 式更为简单;设备投资方面也更小,但是在从成本的角度单件的制造成本较高,平均要高出10 元人民币。采用绝缘纸成型来代替成型绝缘内胆
24、,单件的制造成本较低,但对生产设备的技术要 求会比较高,设备的初期投资相对也有增加,当该产品每年的产量能够达到15万台以上,那一 年就是150万元人民币,基本就可以收回初期设备相对多投入的资金。在其他行业的电机生产中集中绕组的生产方式也使用的较为普及,只是主要集中在漆包线的 线径小于6 0.5mm以下,而且是单头进行绕线。对于压缩机电机定子的漆包线直径大小范围在6 0.6mm6 1.0mm,而且是采用六个槽进行同步集中绕线的方式,这在技术上就有了一定的难度,现在的应用主要集中在压缩机用电机方面。总体目标:本论文针对通过对集中绕组式电机定子多针同绕工艺流程设计及优化完成全套生产线 关键设备定制的
25、技术要求;完成集中绕组式电机定子绕制生产的质量控制及作业控制的标准规 范。研究内容:1.集中绕组式电机定子多针同绕工艺流程设计及优化。2.多针同绕协同机构运动分析与控制。3.关键设备调试过程的管理。(实例放在论文中:绑线工序对引出线固定位置作变更,5 为了使的引出线的绑扎紧固可靠)4.定子绕组漆膜伤的质量控制技术规范。5.最终验收合格后,对设备调试进行总结,把经验提炼成作业控制的标准,编制现场 生产作业指导票。6 第二章集中绕组式电机定子多针同绕工艺流程设计及优化在传统的分布式绕组电机定子组件的生产过程中,关键的工序是指在线模上绕线,绕制的线 圈嵌入已经插入绝缘槽的定子铁芯中,最后就是在嵌入漆
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