无焊接漆包线快速连接端子为电机生产实现高质量低成本灵活连接

无焊接漆包线快速连接端子为电机生产实现高质量低成本灵活 连接 作者： Sean Sun，TE 家用电器事业部产品经理 Jain Liu，TE 家用电器事业部技术经理 在现代社会，电机的应用几乎无处不在。然而，其广泛应用所带来的能源消耗问题 也不容小觑。据欧美委员会和美国能源部的调查报告显示：2010 年利用电动机驱 动的系统能耗已占到全世界能耗的 20%左右，因此，电机节能已成为节能和环保 的重要课题之一。而作为电机重要组成部分的漆包线，其连接过程也随着节能型电 机的应用出现了一些变化。本文将首先结合电机的发展以及对成本及漆包线材料的 考量，介绍传统漆包线接线方式与 TE Connectivity（TE ）公司方案的对比；其次 介绍 TE 新推出的包括 MAG-MATE、Siameze、AMPLIVAR、Crimpband 和 Cluster Block 在内的无焊接漆包线快速连接端子的优点及典型应用，以及漆包线 快速导通技术的最新进展；最后结合客户案例来体现 TE 无焊接漆包线快速连接端 子的成本优势。 电机的发展及成本考量 电机的节能主要体现在对于电机速度的控制。在不同的环境采用不同的电机转速是 电机是否节能的一个重要体现。以目前家电行业最为普遍的交流感应电机为例，这 种电机通常只有一个转速，称为定速电机。如果在应用过程中需要电机以不同的速 度运转，通常是通过连接不同圈数的线圈或者对电机施加不同的电压来实现的。这 种控制电机转速的方式有时候是以牺牲电机的运转效率来实现的，因此电机本身的 能效极低。另一种在家电行业经常使用的串激电机虽然可以通过改变电压的方法来 轻松地控制转速，但是由于必须采用碳刷对电流进行换向，电机的寿命和噪声水平 存在很大的问题。目前最理想的控制电机转速的方式是以直流电机配合电子换向作 为电机驱动，虽然其综合成本较传统的感应电机增加了不少，但是随着采用电子换 向的成本越来越低，同时其又具有高效节能、噪声低、寿命长的特点，相信将逐渐 成为电机发展的方向之一。 环保是另一个各行各业都在讨论的话题，电机行业也不例外。过去，电机生产均采 用有铅焊接，这种焊接方式不仅威胁生产工人的健康，而且对环境造成污染。随着 欧盟等机构对电器生产中铅含量的严格限制，国内的大部分厂商已经过渡到了无铅 焊接。但一方面，有铅和无铅焊接同时存在容易造成生产管理上的风险；另一方面， 即使是无铅焊接，如果生产过程中处理不当，由助焊剂所产生的异味甚至有害气体 仍然会对从事生产的工人的健康产生影响。 除了节能环保，成本问题也是近年来电机产业的主要关注点。随着电机生产技术门 槛越来越低，成本竞争也越来越激烈。不少电机生产商以改用成本更低的材料做为 降低电机生产最方便快捷的手段：传统的电机生产以使用铜漆包线为主，但是随着 铜价近年来的巨幅波动，越来越多的生产厂家把目光投向了价格相对稳定，导电能 力相对不差的铝漆包线。以期货市场的铜铝价格比较为例，铜的价格在每吨 50,000 元上下，而同时期铝的价格只有每吨 15,000 元左右，且浮动范围远远小 于铜。此外，有同样导电性能的铝的重量只有铜的 1/3，所以使用铝线替代铜线的 成本相当可观。因此，如果铜价继续维持高位震荡，使用铝线替代铜线在未来几年 仍将是一个主要趋势。此外，减少生产的人工成本也是越来越多的电机生产商关注 的一个重要方面。一线工人工资以每年 20%左右的速度增长，以及 90 后成为生产 线主力所造成的招工难、培训难等一系列问题，越来越多地困扰着电机生产企业。 因此，很多企业开始着手大规模使用自动化的生产设备，以减少生产过程中的员工 问题。 综上所述，绿色节能、铝线替代铜线、提高自动化水平、减少人工将在未来几年内 主导电机产业的发展。 TE无焊接漆包线快速连接端子解决方案 虽然目前国内的电机生产仍然是以使用铜漆包线为主，而且工艺非常成熟，许多厂 家缺乏尝试新的生产工艺的动力，但已经有一部分迫于成本压力，开始转而采用铝 漆包线。然而，铝漆包线的采用使焊接变得困难和不可靠，因为铝极易氧化并在表 面产生氧化膜阻碍焊锡和铝导体的接触，俗称不沾锡。另外，传统的焊接工艺中还 包括剥漆皮、理线、焊接导通、清洗焊头等辅助工艺，耗费大量人工，同时又很难 保证由于人为操作产生的潜在质量问题。 在此前提下，TE 所提供一系列适用于各种漆包线的无焊接快速连接端子解决方案 逐渐走入电机生 产厂商的视野这种工艺俗称刺破式端子，主要分为两种：插 入式刺破技术 IDC（Insulation Displace Connection）和压接式刺破技术。IDC 技术是通过将端子插入预置在电机上的腔体的同时剔除漆包线绝缘层并挤压导体使 之变形产生弹力以增加其与端子的接触力而实现导通的技术，这种腔体可以预先设 计在电机的绝缘骨架上，通过注塑工艺一次成型，也可以设计成独立单元并设法固 定在电机上；压接式刺破技术是指利用端子上经过特殊工艺加工而成的具有一定硬 度的刺，通过机器压接刺破绝缘漆皮，并刺入导体内部实现导通的技术。这两种技 术已经在欧美经过多年的实际应用检验，不仅在生产过程中完全避免了应用焊锡生 产所造成的高温、异味等污染问题，而且生产效率极高。因为刺破式连接只需一步 操作就可以取代焊接中如剥漆皮、理线、焊接导通、清洗焊头等操作，整个过程避 免了潜在的人工失误，确保质量可靠。这两种技术的区别在于，IDC 技术可以集 成到全自动生产线中，完全实现无人生产，但是需要预先设计好的卡位插槽；相对 来讲，压接式刺破技术属于半自动操作，但无需特殊的设计，可短时间内完全取代 焊锡。IDC 技术的产品主要包括 MAG-MATE 和 Siameze，而压接式刺破技术主 要包括 AMPLIVAR 和 Crimpband。 图 1:TE 刺破式端子 IDC 技术 图 2：标准 MAG-MATE 端接步骤 使用 MAG-MATE 产品的时候，选择合适尺寸的插槽是能否成功应用该产品的关 键，不同的线径需要使用不同槽宽的产品。同时还要注意铜线和铝线的区别，因为 铜线质地较硬，受到挤压后更容易产生弹性应力，并且产生所需应力的形变量比铝 线要小很多，而弹性应力是保证端子和导线之间具有合适的接触电阻的重要条件之 一，即同样的槽宽，在应用于铝线的时候需要的线径要远远大于铜线的线径。此外， MAG-MATE 在底脚附近有由特殊工艺制成的剥线用的“刀锋”，这个看似不起眼 的设计是 TE 采用独特的工艺制作而成的。许多模仿 TE 的 MAG-MATE 设计的端 子生产者只是采用普通的冲压工艺来制作这个部位，这种方法在模具初期有可能会 形成锋利的刀锋，但是随着模具的磨损，这个部位会很快变得圆滑而无法剔除漆皮， 从而极易造成导通不良。而 TE 的生产工艺能确保模具在整个使用寿命过程中都能 生产出整齐划一的刀锋并保证客户的漆包线的漆皮能够被安全剥离，实现与导线的 导通。另外，有些客户对于 MAG-MATE 导通后承载电流的能力提出过质疑。事实 上，对于正确使用漆包线的端子来说，其电流承载能力的局限永远是漆包线的电流 承载能力，因为使用正确的 MAG-MATE 在剔除绝缘漆皮之后，会进一步挤压裸露 的导线并使之产生形变（注意是形变，而不是切掉任何导体）。因此，在插入之后 MAG- MATE 端子和导体的接触面积一定会大于导线本身的截面积，再加上端子和 导线之间互相作用产生的弹性应力和接触过程中产生的原子级的金属表面接触，都 保证了接触面承载电流的能力远远大于导体本身的承载能力。 另外，客户还要注意“后”镀锡与“预”镀锡的产品及其在应用中的区别。后镀锡 的产品所有加工部分的切口都会被镀层覆盖，而预镀锡的产品在切口的部位能明显 看到裸露在外面的铜材。这一点在铝漆包线的导通中至关重要，因为不同的金属作 为导体具有不同的阳极指数（Anodic Index），而在一定的环境条件下，阳极指数 差值过大的两种金属接触会产生电池效应或称之为电化学腐蚀。一般认为，为避免 产生严重的电化学腐蚀导致导通失效或其它严重的后果，在通常环境条件下（如室 内），两种不同导体间的阳极指数差值应当小于 0.25V；在恶劣环境条件下（如 室外或潮湿含盐环境），阳极指数应当小于 0.15V；而在湿度等条件可控的环境 中，阳极指数不应大于 0.5V。铜的阳极指数为 0.35V，铝的阳极指数为 0.75V， 差值为 0.4V，在某些环境中能够发生严重的电化学腐蚀。所以作为导体的铜和铝 通常 不能直接接触导通。采用镀层可以避免阳极指数差过大的问题。铜表面镀锡 的阳极指数为 0.60V，与铝接触后差值为 0.15V，原则上可以避免多数应用环境 产生的电化学腐蚀，所以在导通铝漆包线的时候， 一定要使用后镀锡的产品，以 避免铜和铝的直接接触。 锡也是极易被氧化的金属，而且氧化后的形成的氧化锡也是电的不良导体。但锡和 氧化锡的质地很软，这一特性使氧化锡可以在一定摩擦力的作用下被轻松的移除， 裸露出覆盖在底下的纯锡。IDC 技术在插入端子的过程中也正是依靠导体和端子 相对移动所产生的摩擦力，移除掉端子表面的氧化锡，实现导体和端子之间的原子 级接触。镀层的厚度在导通一根以上的漆包线时就显得尤为重要（某些端子可以 同时导通两根漆包线）。足够厚的镀层可以保证即使插入两根漆包线，端子的表面 也留有镀锡层。锡作 为铜和铝导通的介质，能避免产生电化学腐蚀。 对于不同应用，TE 提供了各种可供选择的解决方案：用于高振动条件下的带应力 松弛结构的四点连 接标准 MAG-MATE；用于紧凑结构的两点连接的细窄型 MAG-MATE；以及带有各种形状和连接片的 MAG- MATE 等。 Siameze 的作用原理近似于 MAG-MATE，其特点是由于采用了活动悬臂梁作为 产生接触力的机构，同一端子适用的线径范围更为宽泛，更适合于安装空间有限、 线径较细的漆包线，并且它可以通过锁片直 接连接引出线。 压接式刺破技术 AMPLIVAR 技术产生于 20 世纪 50 年代，至今已有 60 多年的历史。客户在使 用 AMPLIVAR 的时候，需要根据所要连接的漆包线或者漆包线与引出线组合的 截面积来选择合适的型号。 图 3： AMPLIVAR 导通方案 举例说明：假设客户需要连接 0.35mm 铜漆包线 1 根，0.68mm 铝漆包线 1 根， 0.82 引出线 1 根，19 股，每股 0.233mm： 1. 首先计算所有导线的 CMA 值（Circular Mil Area，以 Mil 为单位的截面积） 公式=（直径 mm/25.4）2 106 （0.35/25.4）2106=190 （0.68/25.4 ） 2106=717 （0.233/25.4）2 10619=1599 2. 计算所有 CMA 的总和 190+717+1599=2506 3. 根据计算出来的值选择合适的端子 这个例子可以选择的是 62305-2。 此外还有几个步骤可以进一步验证 62305-2 是否合适，具体可参考 TE 网站或 TE 所提供的产品样本中的详细介绍。 AMPLIVAR 端子导通采用压入式刺破原理，端子压线槽内有由特殊生产工艺加工 而成的锋利锯齿， 可以刺破漆包线绝缘层刺入导体来实现连接，同时也增大了与 导体的接触面积，保证了连接的可靠性。 AMPLIVAR 技术的关键就在于用来刺 破漆皮的锯齿。TE 特殊的制成工艺确保每一个出厂的端子都有足够 锋利的锯齿， 并且具有足够的硬度，因此无论是铜漆包线还是铝漆包线，都能够将其有效地刺破 并导 通，并将导通后的电阻值保持在一定范围以下，从而保证连接的可靠性。而 目前市场上同类型的产品通 常是以冲压工艺制成的，同样，在模具新的时候，会 形成尖锐边缘，但是随着模具的磨损，这些边缘就 变成了圆角，进行压接的时候 就不能保证有效的刺破。从放大镜下看，TE 的 AMPLIVAR 边缘的锯齿明 显， 而市场上其它产品的槽型一般为梯形。 一个 AMPLIVAR 端子可以同时导通多达三根漆包线，并且可应用于铜或铝漆包 线，或是两者的组合，也适用于铜或铝漆包线与标准、预剥离的引出线的组合。 采用 TE 半自动压接机进行 AMPLIVAR 端子压接可提高单位小时的生产效率。 精确控制的压接过程可减少人为误差，提高可靠性。使用者只需一步操作，即可将 锯齿压入漆包线，同时剥离漆包线的绝缘层，产生耐腐蚀，拉伸强度高的气密性连 接。 TE 的半自动压接机可自动进行压接高度的学习，并带有编程功能，可以按照设定 的顺序进行不同高度的压接。（不同 CMA 值的导线组合，压接高度不同）。同 时，机器还带有 CQM（Crimp Quality Monitor），可对每次压接高度做机械测量， 以确保压接高度在允许的误差范围内。 Crimpband 作用原理与 AMPLIVAR 类似，但压接时是从一条长料带上切下一小 片并且折弯成型，再对导线进行压接，其产品的稳定性不如已经预成型的 AMPLIVAR，所以目前仅应用于某些 AMPLIVAR 无法应 用的领域，如紧贴电机 定子冲片的横穿式连接。 图 4：Crimpband 端接方案 Cluster Block 在漆包线连接器家族中，还有一类主要应用于压缩机的比较特殊的连接器，称之为 Cluster Block （集束端子连接器）。这类端子为 2 至 5 位，应用时首先将端子 与导线连接，然后插入塑壳中，再与压 缩机上的接线头进行连接。针对不同的压 缩机需要，集束端子电子连接器有适用直径 2.29mm（.090） 或 3.18mm（.125）的接线柱两种，支持正向或反向连接。该类型连接器可用于压缩 机内部和外部，线 径范围涵盖 AWG（American wire gauge）#10 （2.588mm）至 #22 （0.644mm） 多股线范围，可使用于 400 至 8500 CMA 范围的漆包线；塑壳高度防冲击，适合多种方式压接（K-Press、G- Press、APT、CLS IV+）。 图 5：Cluster Block 端接方案 漆包线快速导通技术的最新发展 把各种技术组合，可以衍生出适用于不同应用的产品：把 MAG-MATE 和 Multispring 技术组合，就可以衍生出下端使用 IDC 技术用于导通漆包线，而上 端导通电路板的新型端子。这种端子适用于目前正在蓬勃发展的控制板和电机集成 于一体的直流或变频节能型电机。 图 6：MAG-MATE 和 Multispring 的组合 把 AMPLIVAR 和 FASTON 技术组合，就可以产生可用于直接压接漆包线的旗 型端子，可以帮助压缩机生产厂商节省线束的成本。 图 7：AMPLIVAR 和 FASTON 组合 把 AMPLIVAR 和 Cluster Block Terminal 组合，可以使集束端子连接器直接连 接漆包线，同样帮助生产厂家节省线束的成本。 图 8：AMPLIVAR 和 Cluster Block Terminal 组合 TE 无焊接漆包线快速连接端子广泛适用于风扇电机、自动变速器阀单元、照明单 元、最大 180C 快速连接端子的成本的高温应用、汽车尾气反馈系统和燃油器触 点等应用。凡是应用漆包线的领域都可以尝试采用无