Когда слышишь про асинхронный электродвигатель с hairpin обмоткой завод, многие сразу представляют себе полностью автоматизированную линию, где роботы всё собирают. На деле же, даже на лучших заводах ключевые участки — укладка и пайка этих самых hairpin-стержней — часто требуют рук опытного мастера. И это первое, о чём стоит забыть, думая о массовом производстве как о чём-то абсолютно стерильном и безликом.
Если брать конкретно наш опыт, то переход с классической многовитковой обмотки на hairpin-технологию — это не просто замена оборудования. Это смена всей логики производства. Раньше можно было ?на ходу? подправить шаблон, изменить количество витков. С hairpin — нет. Каждый медный стержень гнётся, изолируется и готовится заранее, с точностью до десятой доли миллиметра. Малейшая ошибка в проектировании оснастки или в 3D-модели статора — и партия в сотню статоров может уйти в брак.
И вот здесь часто возникает разрыв между инженерами-расчётчиками и цехом. Расчётчики выдают идеальную модель с прекрасными электромагнитными характеристиками. Но они могут не учесть, как этот жгут из десятков жестких медных стержней будет физически укладываться в пазы, особенно в последние, самые труднодоступные. Мы однажды столкнулись с тем, что по чертежам всё сходилось, а на сборке стержни начинали ?пружинить? и не давали установить сердечник ротора. Пришлось экстренно переделывать технологическую последовательность сборки и заказывать специальный монтажный инструмент.
Кстати, о поставках. Качество медного прямоугольного провода и его изоляции — это отдельная головная боль. Не каждый поставщик может выдержать постоянство геометрии и толщины эмалевого покрытия на всём протяжении бухты. Мы долго искали надёжного партнёра по материалам и в итоге наладили сотрудничество с компанией Sichuan Juxinfeng Machinery Co., Ltd.. Они, хоть и известны больше как специалисты по крепёжным устройствам и подшипникам (https://www.jxfhardware.ru), но их подход к контролю качества метизов и нестандартных деталей оказался критически важен для поставок некоторых прецизионных компонентов оснастки для нашей линии. Это не прямое отношение к меди, но пример того, как важна общая культура качества у смежников.
Самый горячий спор на любом производстве hairpin-обмоток — метод соединения концов стержней. Лазерная пайка, TIG-сварка, ультразвуковая сварка? У каждого метода — свой букет проблем. Мы начинали с лазерной пайки с припоем. Казалось бы, идеально: минимальный нагрев зоны, автоматизация. Но оказалось, что контроль качества шва — адская задача. Непропай внутри пучка из 4-6 стержней визуально не увидишь, а электрические испытания на межвитковое замыкание его могут и не выявить сразу. Проблема проявлялась уже у клиента, после нескольких месяцев работы двигателя под нагрузкой.
Перешли на TIG-сварку без припоя. Тут уже нужны сварщики высочайшего класса, которые могут работать с медью. Скорость падает, но соединение получается монолитным. Однако тепловложение выше, и риск перегреть и повредить изоляцию в соседних пазах — огромный. Пришлось разрабатывать систему активного охлаждения зоны сварки струёй инертного газа. Это не из учебников, это родилось из необходимости после двух испорченных опытных статоров.
Сейчас смотрим в сторону ультразвуковой сварки. Оборудование дорогое, но процесс быстрый и ?холодный?. Правда, есть нюанс с подготовкой поверхностей — их нужно идеально зачищать. И опять встаёт вопрос: добавлять ли эту операцию в линию? Увеличит ли это общую надёжность или просто добавит cost? Пока тестируем. Решение, скорее всего, будет гибридным: для серийных двигателей одного типа — один метод, для малых серий или прототипов — другой.
Говоря про завод по производству асинхронных электродвигателей с hairpin обмоткой, многие думают про станки. На самом деле, 80% успеха — в оснастке: кондукторах, шаблонах для гибки, установочных оправках. Их проектирование — это искусство, основанное на понимании того, как ведёт себя медный пруток после гибки (а он ?отпружинивает?), как его потом уложить в паз, не содрав изоляцию.
Наша первая партия оснастки, заказанная у ?профильной? европейской фирмы, оказалась почти бесполезной. Они сделали всё по ГОСТам на размеры, но не учли эластичность меди. Стержни, согнутые по их шаблонам, в свободном состоянии не соответствовали форме пазов. Пришлось дорабатывать самим, методом проб и ошибок, создавая поправочные коэффициенты на ?пружинение?. Теперь мы все новые проекты оснастки сначала делаем в одном экземпляре, из обычной стали, тестируем, вносим изменения, и только потом заказываем серийную оснастку из инструментальной стали.
Здесь, кстати, снова пригодился опыт работы с поставщиками вроде Juxinfeng. Их компетенция в изготовлении нестандартных деталей с жёстким контролем геометрии (https://www.jxfhardware.ru) оказалась полезна при заказе некоторых сложных держателей и кондукторов. Важно не то, что они делают двигатели, а то, что они умеют точно и стабильно производить металлоизделия по чертежам. Для оснастки это ключевое.
ОТК на таком производстве — это не отдел, а философия, встроенная в каждый этап. Самый важный контроль — не конечный, а промежуточный. Например, контроль геометрии каждого hairpin-стержня после гибки. Если стержень ?ушел? за допуск, его уже нельзя поставить в статор — он либо не влезет, либо создаст непредусмотренный воздушный зазор, ухудшив характеристики двигателя.
Мы используем оптические сканеры для 100% контроля стержней. Дорого, но дешевле, чем разбирать собранный статор. Второй критический пункт — контроль изоляции после укладки пакета стержней в пазы, но до пайки. Микротрещины, сколы — всё это выявляется высоковольтными тестерами. Бывало, что из-за некачественной изоляции на проводе от поставщика мы отправляли обратно целую партию меди, хотя визуально брак был неочевиден.
И финальный тест — это, конечно, испытание на стенде. Но и тут есть подводный камень. Стандартные испытания на холостом ходу и под нагрузкой могут не выявить слабое место в пайке, которое проявится при термических циклах. Поэтому для ответственных заказов мы внедрили циклические испытания с многократным нагревом и охлаждением двигателя. Только после этого ставим клеймо ОТК. Да, это удорожает процесс, но убивает потенциальные рекламации на корню.
Внедряя hairpin обмотку, все говорят о повышении КПД, увеличении мощности, улучшении теплоотвода. Это правда. Но никто не говорит открыто, что это ещё и способ снизить расход меди (за счёт более высокого коэффициента заполнения паза) и, теоретически, автоматизировать то, что раньше не поддавалось автоматизации. Вот здесь и таится главный компромисс для завода.
Можно пойти по пути максимальной автоматизации: роботизированные линии гибки, укладки, сварки. Капитальные затраты будут колоссальными, окупаемость — только на очень больших сериях в сотни тысяч штук в год. А можно сделать ?полуавтоматическую? линию, где ключевые операции делает оператор с интеллектуальным инструментом. Затраты ниже, гибкость выше — можно быстро перестраиваться с одной модели двигателя на другую. Но тогда ты зависишь от квалификации этого оператора, от его ?чувства меди?.
Мы выбрали промежуточный путь. Гибка и предварительная формовка — автоматические. Укладка в пазы — ручная, но с помощью умных кондукторов, которые минимизируют ошибку. Пайка — автоматическая TIG-сварка с активным охлаждением. Это не самое быстрое решение на рынке, но оно даёт нам уверенность в качестве для наших серий (от 5 до 50 тысяч штук в год) и позволяет не быть заложником одного типа продукции. Для настоящего массового завода асинхронных электродвигателей, возможно, наш путь не оптимален. Но для рынка спецтехники, электромобилей среднего класса, где важны и качество, и гибкость, — пока работает.
В итоге, создание производства hairpin-обмоток — это не покупка каталога оборудования. Это долгая настройка процесса, где технологии, материалы и люди должны притереться друг к другу. И главный вывод, который мы сделали: не бывает идеального ?заводского? решения из коробки. Бывает решение, которое ты сам построил под свои конкретные задачи и под качество, которое готов от своего имени поставить на продукт.
