TRIZ理论在高频变压器绕线生产优化中的应用

吕 莹，弓满锋，唐高登

（1.岭南师范学院机电工程学院，广东 湛江 524048；2.广东省高频变压器工程技术研究中心，广东 罗定 527200）

1 引言

高频变压器作为电源开关、手机充电器等电子元件的重要核心部件，是实现能量传输和转换的主要构件，其体积一般会占到电源开关总体积的四分之一[1]。在实际生产过程中，为了进一步提高高频变压器的生产效率，不仅要对变压器生产工艺进行优化，也要对其生产设备进行优化升级。根据现有高频变压器绕线包胶的生产工艺特征，基于TRIZ理论与绿色制造相结合，对生产所需的自动绕线包胶生产化设备进一步优化，可以有效实现产品产量的提升。

2 TRIZ理论

源于前苏联的TRIZ理论，经过半个多世纪的发展，已成为发明创造、解决技术问题的主要科学原理[2]和理论方法。近年来，国内外学者将绿色制造思想与TRIZ创新方法相结合，基于绿色性能的多视角需要开展了产品绿色创新制造方法研究与应用。文献[3]通过采用TRIZ进化模式与绿色性能设计相结合，采用简化的生命周期模型实现环境性能改善。文献[4]针对主动再制造设计过程中饭的创新问题，提出TRIZ理论的主动再制造绿色创新设计方法。文献[5]针对产品生态设计过程中的创新问题，提出一种集成发明问题解决理论的产品生态设计方法。文献[6]运用TRIZ冲突消解原理、物质-场分析原理以及回收冲突分析原理进行家电产品易拆解可回收设计。文献[7]实现了一种QFD设计过程中多种设计问题的确定与TRIZ创新求解方法，并给出详细的操作流程。

本研究结合生产实际所存在的问题，即变压器绕线采用半自动绕线机，以每人一机，生产一件完整变压器需要八人才能完成，为更好的提升企业经济效益，结合现代化制造模式，以高频变压器制造工艺优化及制造自动化为依据，采用TRIZ理论中的串联组合创新和绿色设计、绿色制造方法相结合，以提升产品生产效率为目标，针对现有高频变压器生产工艺方案分析后，对其进行分析运算，创新设计出更加合理可行的制造方案。

3 高频变压器绕组绕线及包胶的工艺分析

3.1 绕线、包胶对产品参数的影响分析

3.1.1 高频变压器绕线工艺的影响分析

高频变压器的绕组匝数是影响变压器产生电容效应的关键因素[8]，各层之间由于绕线的不同产生不同的电势差，形成了绕组层间电容；在实际的生产中，在确定每层绕线数量、绕线分布的前提下，对生产制造工艺还有如下的要求：绕线需要平整密绕，不可叠线，陷线；绕组引线入槽位位置及扎线脚位不能错；绕线时缠线高度需保持（1.5～2.0）mm或至少要与胶芯支点平行，预留缓冲后再进行压针脚，防止铜线崩断等要求。针对于具体的高频变压器根据磁芯材料、使用对象等又有所不同，其匝绕组计算公式如下：

式中：W1—初级绕组匝数；W2—次级绕组匝数；Up1—初级输入电压幅值（V）；Bm—工作磁感应强度（T）；UP2—次级输入电压幅值（V）；Ac—磁芯截面积（cm2）；Ton—初级输入脉冲电压宽度（us）

3.1.2 高频变压器包胶工艺的影响分析

高频变压器的包胶即有着隔离绝缘的作用，提高叠装精度和接缝精度，从而降低磁芯损伤和减少噪音。变压器磁芯在实际生产中主要采用包胶机进行包胶作业，如图1所示。由于人为、机械振动或磁芯夹具定位误差等原因，会产生磁芯错位不良约10%，偏移中心，从而导致包胶布操作产生错位，影响电感不稳定及外观达不到错位≤0.2mm的标准要求。

图1 产品包胶示意图Fig.1 Product Encapsulation Diagram

3.2 绕线制造工艺要求

现以EE13-00025-1为例，对其初级绕组和次级绕组的脚位顺序进行，如表1所示。绕组绕制顺序、圈数、进出脚位槽位等生产工艺要求，如表2所示。变压器加工工艺过程优化为依托，建立绿色评价功能模块，设计及制造新机构，提高设备优化方案，TRIZ理论中机构组合创新将按照工艺要求对于核心环节进行优化，以多个工序集中为目的，解决传统设备分散的加工方式。例如以减少人工为目的在实现自动上料包胶作业，设计过程中产生了相关专利四项，如变压器剪飞线装置、变压器包胶机构等。

表1 高频变压器绕线顺序Tab.1 Winding Sequence of High Frequency Transformer

表2 绕线机绕线的工艺要求Tab.2 Technological Requirements for Winding of Winding Machine

4 TRIZ理论与绿色设计的综合应用

4.1 TRIZ原理的应用分析

TRIZ理论主要解决创新设计问题，首先通过对高频变压器绕线的工序合理连贯运行，明确最佳的生产步调及要改进的设计属性，利用关联表将生产高频变压器的多种基本装置转化成冲突矩阵相对应的工程参数，根据工程参数获得创新设计依据。即将绕线、包胶、剪线工艺组合后再进行有效的分解，组合体的基本装置保持各自特性、协调配合，装置间可采用气动机械臂机构配合使用，实现变压器的绕线、剪线、包胶一体化的生产目的。

4.2 绿色设计制造的应用案例分析

绿色设计制造以实现企业经济效益和社会效益的集成为目标；机械装备绿色设计制造是一个技术综合集成的过程，绿色制造原则[9-10]：在满足功能要求，实现零污染，材料消耗少、噪音小的目标。现以高频变压器自动骨架上料为例进行绿色优化设计。

为了更好的将骨架按照一定顺序排列，限定时间放置到指定位置，以现有的加工制造方法及相关经验为依据，骨架上料机构优化设计方案有多种，根据机械振动理论和绿色制造理论，将其进行分析，如表3所示。

表3 功能分析Tab.3 Functional Analysis

表中：A—人工上料：人工摆放上料，以15为一组。可操作性准确，自动化程度低；

B—往复性送料：采用往复式直线运动推杆直接将骨架放入到指定位置；

C—离心力原理送料：离心惯性力将骨架旋转，利用离心惯性力将其甩到输送轨道上；再进行输送。

D—离心力与重力原理相互作用送料：离心惯性力将骨架旋转，在放置骨架的位置上做一个限位机构，更准确的将骨架放在准确的位置；

E—重力与振动原理相互作用送料：在具有倾斜的限位装置上，按照一定振动频率及螺旋轨道将骨架有序排列，实现送料的目的。

F—气吸式送料：利用气吸原理分离并上料。

N=Σpigi

式中：N—功能分析总和；p—性能指；g—加权系数。

图2 上料装置示意图Fig.2 Schematic Diagram of Feeding Device

功能分解：将骨架进行有序输送，需要根据绕线、包胶、剪线的时间来控制骨架有序输送的时间，根据功能目标完成、可靠性等的分析，最后确定较佳上料方案是E；根据E方案设计出骨架上料装置，如图2所示。以绕线时间为依据，配有振动幅度为15mm/s的振动装置与上料装置共同完成输送骨架，并配有旋转的螺旋上料输送轨道，可实现骨架的自动调整方位，准确的输送，并按照绕线时间进行合理的调整输送效率。

4.3 自动生产线优化设计

根据绿色制造的五个因素分析如下：

（1）生产时间

绿色制造的工艺生产时间，不仅仅是指工艺生产过程的高效率，更强调由工艺对零件或产品工艺过程，时间因素的影响，如变压器绕线方式的确定，绕线时间的优化等。不考虑产品其他生命阶段的时间，如产品设计时间、使用寿命等等。

（2）产品质量

工艺规划的质量主要考虑产品加工质量，如绕线质量、合格程度等等。不考虑产品的功能及某些与工艺无关的产品性能。

（3）产品成本

主要是指产品工艺成本、工艺管理成本、设备折旧成本、人员费用、零件加工工艺的合理性和装配工艺，不考虑产品的销售、使用、处理等的成本消耗。

（4）资源消耗

包括工艺过程中消耗的骨架、胶带、铜丝等。不考虑产品的能耗和物料消耗。

（5）环境影响

本生产不存在对生态环境的影响，仅存有工作环境噪音、灰尘等对职业健康与安全危害等。

以五个决策目标为依据，结合各具体的工艺规划问题将生产线进一步的优化，通过对自动化生产线组件的拆卸、回收、节能等方面的设计属性与TRIZ工程参数结合分析，如表4、表5所示。现将原有的一人一机操作的绕线机工作时间与变压器点胶、包胶、剪胶的工序顺序结合，确定合理绕线包胶的时间；设计出绕线一体机，通过在实际生产中试验分析后，可确定优化方案为：上料机构按照每4s工作2s停顿实现自动上料，每次可实现16个骨架有序排列，采用气动输送器将变压器骨架精准输送到绕线一体机；通过四次自动绕线工艺后，完成变压器的绕线包胶；具体五位一体自动生产线的工作形式如下描述：自动绕线五站机能将单站位机（上料、绕线、包胶）的生产线改造成一条自动化生产线，如图3所示。自动绕线五站机采用螺旋振动输送骨架，实现自行上料，每台装置间采用气动式输送，每一台绕线一体机上下料均采用气动机械臂上治具（不同产品将是不同治具）插取（对于不同治具在这里不逐一介绍）利用机械臂在站位间传递产品，工件的传递不需要周转盘或物料车，按照一定时间进行协同作业，使生产线整齐划一，改善员工工作环境，提高管理效率，具有较好的应用前景。

五位一体自动化绕线生产线具有如下优势：

（1）实现了全自动上料，操作人员无需手动上料，只需要监视机器运行，生产自动化程度高。人员需求减少，一条生产线仅需要一个人控制。

（2）自动上料机与绕线机之间采用无污染气动机构传递，无需人工操作，降低人工体力劳动；可以有效保障品质的提升，减少半成品料盘堆积，不良率由原来的3%，变为1%。

（3）绕线、剪线、包胶生产效率提高26%。设备占地面积由30.6m2变为 27.4m2。

表4 装置可拆卸回收设计与TRIZ工程参数Tab.4 Disassembly and Recycling Design of Equipment and TRIZ Engineering Parameters

表5 装置节能设计与TRIZ工程参数Tab.5 Energy Saving Design of Equipment and TRIZ Engineering Parameters

图3 五位一体自动生产线简图Fig.3 Sketch of Five-in-One Automatic Production Line

5 结论

高频变压器绕线生产优化设计主要以生产工艺为依托，以功能导向为目的，结合TRIZ理论和绿色设计以及制造理论，建立了绿色设计属性与TRIZ工程参数的关联表，将绿色设计属性转化为TRIZ工程参数，缩短绿色创新设计周期，制造出效率高的五位一体自动化生产线。通过在实际生产中的应用，不仅明显提升生产效率，而且能够通过自动监控系统可有效统筹每日生产量以及对不良率的控制，企业实现产品生产的自动监控。对企业未来建立过程控制系统，实时数据平台，生产工艺数据自动数采率等奠定了基础。

中小型电子企业由劳动密集型生产模式向自动化、智能生产模式的转变，关键在于企业创新能力的提升，对于高频变压器生产中存在的浸锡、检测等工艺在今后的生产中也将会逐步进行技术升级。因此，自动化、智能化的生产方式是企业未来自主创新的主要目标。积极推进电子行业智能制造，加强技术提升，进一步提高劳动生产率，是电子行业升级发展的重要措施。