田雁飛，伍惠玲

(湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲 412000)

0 引 言

電動汽車電機由于安裝空間狹小、工作環(huán)境惡劣，并且振動大、沖擊大、腐蝕嚴重、高溫高濕等，具有高密度、體積小、高功率、高扭矩、可靠性、耐久性和成本低等特點，完美符合國家對于環(huán)保、節(jié)能、高效率的要求[1]。

目前對于新能源電動汽車轉(zhuǎn)子制作采用手工磁鋼裝配后在磁鋼槽內(nèi)安裝楔緊塊再浸漆、烘培等工序?qū)D(zhuǎn)子磁鋼進行固定，這種制作流程嚴重影響了轉(zhuǎn)子制作的效率并增加了電機的制作成本[2]。因此現(xiàn)采用轉(zhuǎn)子鐵心段注塑工藝進行轉(zhuǎn)子的制作，該工藝相比于浸漆、烘培工藝，能大大降低生產(chǎn)成本、降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。為使該工藝得到有效的應(yīng)用，需要對轉(zhuǎn)子注塑材料進行分析并對其應(yīng)用進行研究。

1 注塑材料性能分析及驗證

1.1 材料簡介

14G33材料是玻纖增強改性PA66的典型產(chǎn)品牌號，PA66樹脂的牌號是LEONA通過添加玻纖共混擠出成顆粒料。

該產(chǎn)品在汽車引擎室內(nèi)零件(引擎支架等)，機械零件、電氣零件等領(lǐng)域有廣泛使用；該材料可作為轉(zhuǎn)子磁鋼楔緊區(qū)域的注塑填充也可以將該材料用作新能源汽車電機的轉(zhuǎn)子葉片[3]。

1.2 性能參數(shù)

14G33的主要性能如表1所示。

表1 14G33材料物性表

結(jié)合表1內(nèi)容和在電機上的應(yīng)用需求，對14G33材料的其他關(guān)鍵性能指標分析如下：

(1)PA66工程塑料屬于熱塑性材料，具有受熱后變軟，降溫后變硬的熱塑性材料的特性。加入玻纖后，無法改變其熱塑性的特性，但可提高材料的強度、剛性、耐熱抗老化性能及抗疲勞性能。14G33材料的熱變形溫度大于240℃，遠高于永磁工作的極限溫度150℃，在使用過程中不存在變形風險。

(2)14G33成型后，作為轉(zhuǎn)子磁鋼楔緊塊工作時，在垂直方向承受壓縮強度的考核，據(jù)表可見，其垂直方向壓縮強度實測值110 MPa，遠大于1.27 MPa的設(shè)計輸入要求。

(3)14G33材料成型后其流動方向(對應(yīng)楔緊塊長度方向)的成型收縮率為0.4%，垂直方向的成型收縮率為0.8%；以某型電機用磁鋼楔緊塊尺寸計算，長度方向收縮尺寸為0.22 mm，垂直方向收縮尺寸不超過0.0264 mm(由于楔緊塊形狀不規(guī)則，取最大尺寸計算)。

(4)在極限工作環(huán)境下(150℃)，以某型電機用磁鋼楔緊塊計算，其長度方向膨脹尺寸為0.165 mm；在垂直方向的膨脹因受到?jīng)_片約束，膨脹變形難以實現(xiàn)。

(5)經(jīng)過180℃/1000 h的高溫老化后，其機械強度變化率小于30%。

(6)在180℃下浸泡松脂油1000 h，或120℃下浸泡冷卻液1000 h后，其機械強度變化率小于30%。

(7)在經(jīng)過-40℃/30 min和高溫150℃/30 min的50周期冷熱沖擊后，其機械強度變化率小于30%。

14G33材料通過注塑形成磁鋼楔緊塊后，在實際工作環(huán)境中承受壓縮強度的考核，對壓縮強度和三種典型機械強度指標進行確認，并與二苯醚玻璃布板加工成的楔緊塊進行對比，測試結(jié)果如表2所示。

表2 14G33與二苯醚玻璃布層壓板的機械性能對比

據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，從材料成型方式來看，二苯醚玻璃布層壓板是用玻璃纖維布浸以二苯醚樹脂經(jīng)烘培熱壓而成的板狀層壓制品，屬于熱固性材料，其在彎曲、拉伸和沖擊強度較14G33有優(yōu)勢；14G33材料垂直方向常態(tài)壓縮強度110 MPa，熱態(tài)壓縮強度超試驗設(shè)備量程，其強度>31.25 MPa，均遠超1.27 MPa的壓縮強度設(shè)計要求。

1.3 熱壽命分析

(1)UL認證

對于工程類塑料而言RTI(長期熱老化溫度)不同于熱變型溫度(HDT)，熱變型溫度乃是一種短期間于一定壓力下的待測體變形的溫度。定義塑料的長期使用溫度，通常情況下都是看UL黃卡中的RTI值。

根據(jù)14G33的UL黃卡(認證編號E48285)信息：

RTI Str為140 ℃，即材料在140 ℃下使用10萬小時無沖擊的力學性能將下降50%；

RTI Imp為125 ℃：即材料在125 ℃下使用10萬小時有沖擊的力學性能將下降50%。

(2)3000 h老化試驗

為響應(yīng)產(chǎn)品最高使用溫度為150 ℃的輸入條件，對14G33材料開展3000 h的不同溫度點下的老化試驗，做如下分析：

老化試驗測試結(jié)果如圖1所示，據(jù)圖可見，14G33材料在200 ℃下開展1500 h試驗后，其拉伸強度下降至約50%，結(jié)合“GB/T 11026 電氣絕緣材料-耐熱性評定”的規(guī)定[4]，判定該材料在200 ℃下的可靠使用時間為1500 h，按絕緣材料“工作溫度增加10度，使用壽命減半”的原則，推算其在150 ℃下的使用壽命約為4.8萬小時。

圖1 14G33材料3000h老化試驗

2 注塑材料的應(yīng)用

14G33原材料為顆粒料，采用注塑機擠出成型，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁鋼楔緊塊區(qū)域的填充。

2.1 注塑參數(shù)

在注塑材料的應(yīng)用過程中決定轉(zhuǎn)子磁鋼注塑效果的工藝參數(shù)主要為擠出溫度，射膠壓力及射膠速度。

擠出溫度的設(shè)定需根據(jù)材料特性確定，通常加料段溫度比材料熔點低5～20 ℃，過渡段高出熔點5～10 ℃，壓縮段和均化段溫度比熔點高15～30 ℃，射嘴段溫度在保證不溢料前提下，比均化段高。

射出參數(shù)需結(jié)合模具及膠道的實際走向設(shè)定，射出壓力及速度的設(shè)置不當，無法實現(xiàn)14G33材料對模腔的有效填充。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，在表3工藝參數(shù)下，獲得了填充飽滿的產(chǎn)品。

表3 主要工藝參數(shù)

2.2 注塑效果

在表3工藝參數(shù)下，單模注塑時間47 s，加上轉(zhuǎn)子上下注塑臺時間，單個轉(zhuǎn)子注塑用時約3分鐘。注塑產(chǎn)品效果詳見圖1。

PA66塑料在熔融狀態(tài)下，流動性很好，可以用來加工很薄的元件，從注塑產(chǎn)品外觀及解剖情況來看，14G33在填充原磁鋼楔緊塊區(qū)域的同時，還對磁鋼與沖片之間的間隙形成了一定填充(注塑業(yè)稱飛邊)。轉(zhuǎn)子解剖后，以14G33成型的楔緊塊外觀來看，其縱向方向兩端與沖片平齊，橫向方向圍繞楔緊塊留下了與沖片擠壓產(chǎn)生的細微條紋。飛邊和條紋的存在，證明了注塑料的填充緊密度，同時，也佐證注塑工藝參數(shù)在合理范圍內(nèi)。

圖2 注塑試模及填充效果

2.3 材料成本分析

工程塑料在注塑過程中通常會產(chǎn)生一些不可避免的廢料：一是水口料，主要包括產(chǎn)品以外的澆口和流道的成型物，這些材料通常可以經(jīng)過粉碎回收再利用；二是在生產(chǎn)過程中料筒內(nèi)材料因在高溫下停留時間過長，塑料發(fā)生碳化、降解后，不得不射出的廢料。

經(jīng)稱重統(tǒng)計，單段轉(zhuǎn)子的注塑過程中，實際使用14G33材料轉(zhuǎn)子約140 g；流道料90 g。由于目前注塑工藝尚未規(guī)范化，批量生產(chǎn)中的廢料尚無法預(yù)計，以初次試模具材料使用情況來看，單個轉(zhuǎn)子(共6段)實際用料不超過2 kg。

14G33材料小批量采購報價約26.5元/kg，以本次試模情況估算，算上正常損耗，單個轉(zhuǎn)子的材料成本約53元。

圖3 注塑過程形成的膠道料

3 結(jié) 語

(1)注塑材料各項性能的分析驗證(熱塑性、強度、收縮率、耐久性等)，證明了注塑用尼龍料代替?zhèn)鹘y(tǒng)二苯醚玻璃布板楔緊塊的可行性；

(2)14G33材料性能機械強度滿足設(shè)計需求；該材料在125 ℃下有沖擊力工況下可使用10萬小時；在140 ℃下無沖擊力工況下可使用10萬小時；在150 ℃極限工況下可使用4.8萬小時。

(3)轉(zhuǎn)子鐵心段經(jīng)注塑后可實現(xiàn)對楔緊塊區(qū)域的有效填充。

(4)單個轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)時間約3分鐘，可大幅提升生產(chǎn)效率。

(5)注塑材料的材料成本較二苯醚玻璃布層壓制品加工的磁鋼楔緊塊，單臺轉(zhuǎn)子的材料成本可下降90%以上。