王 岳, 楊祎洋, 程國棟

(南通通達(dá)矽鋼沖壓科技有限公司，江蘇 南通 226352)

0 引 言

鋁耗是電機(jī)五大損耗之一，約占總損耗的20%左右，因此降低鋁耗對(duì)提高電機(jī)性能具有重要意義。目前中小型低壓電機(jī)的轉(zhuǎn)子均采用冷室壓鑄工藝生產(chǎn)。壓鑄工藝按照壓室放置位置的不同分為臥式和立式2種形式[1]。臥式壓鑄模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模架較大，價(jià)格昂貴，對(duì)于配套設(shè)備大小及鑄鋁量有限制；立式壓鑄模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且價(jià)格相對(duì)便宜，設(shè)備大小和鑄鋁量可以滿足較大產(chǎn)品的需要。因此，一般較小規(guī)格、大批量的轉(zhuǎn)子采用臥式壓鑄，較大規(guī)格、小批量的轉(zhuǎn)子采用立式壓鑄。鑄鋁常因壓鑄工藝參數(shù)選用不當(dāng)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較多氣孔，影響了鋁耗和電機(jī)效率。壓鑄工藝參數(shù)主要有比壓、填充速度、填充時(shí)間、保壓時(shí)間等，其中比壓是指型腔內(nèi)單位面積所受的壓力，通常以壓射熔杯在壓鑄時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)來衡量。在壓鑄過程中，壓鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能、蓄能器的工作狀況、壓鑄機(jī)工作液的性能和溫度及澆注系統(tǒng)的形狀和尺寸等因素，對(duì)比壓均有一定的影響。為了提高轉(zhuǎn)子鋁籠的致密度，減少氣孔和縮孔，保證鋁的電導(dǎo)率，提高壓射比壓是重要的工藝手段。鑄鋁轉(zhuǎn)子質(zhì)量越好，電機(jī)鋁耗與雜散損耗就越低，溫升越小，效率越高。

國外轉(zhuǎn)子立式壓鑄設(shè)備均是采用增壓工藝達(dá)到比較高的比壓，采用點(diǎn)澆口進(jìn)鋁，在較大轉(zhuǎn)子產(chǎn)品的生產(chǎn)中，壓射比壓只能達(dá)到25 MPa左右，而且設(shè)備熔杯較為固定，提供給不同產(chǎn)品的壓射參數(shù)變化不大，產(chǎn)品的填充率為90%～92%。國內(nèi)轉(zhuǎn)子立式壓鑄也是采用增壓工藝，大部分采用風(fēng)葉進(jìn)鋁，轉(zhuǎn)子填充率與國外相當(dāng)。

電機(jī)行業(yè)2021年6月1日開始執(zhí)行GB 18613—2020能效標(biāo)準(zhǔn)，最低能效等級(jí)由符合IE2上升到IE3，對(duì)于電機(jī)效率的要求有了不同程度的提高，從而對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造工藝等方面提出了更高的要求。本文介紹一種電機(jī)轉(zhuǎn)子立式大比壓壓鑄工藝[2]。應(yīng)用該技術(shù)可將轉(zhuǎn)子填充率提高3%～5%，對(duì)于電機(jī)鋁耗的降低和效率的提升具有非常重要的意義。

1 技術(shù)背景

圖1是轉(zhuǎn)子壓鑄模具、壓射熔杯及壓射缸部分的示意圖。

立式冷室壓鑄通常采用慢壓射、快壓射、增壓三級(jí)壓射。一般快壓射時(shí)蓄能器壓強(qiáng)p為20 MPa，提供的壓射缸壓強(qiáng)py為15～20 MPa，增壓后壓射缸壓強(qiáng)pz達(dá)到25～30 MPa。增壓后壓射比壓pb等于壓射油缸面積與熔杯面積之比乘以增壓壓強(qiáng)，即

pb=pz(D2/d2)

(1)

式中：D為壓射油缸直徑；d為壓射熔杯直徑。

圖1 轉(zhuǎn)子壓鑄模具、壓射熔杯及壓射缸部分的示意圖

表1對(duì)比了2018年前意大利TCS公司、灌南壓鑄機(jī)公司、南通巨能公司生產(chǎn)的500 t壓鑄設(shè)備的基本參數(shù)及比壓。

表1 國內(nèi)外壓鑄設(shè)備部分參數(shù)對(duì)比

壓鑄設(shè)備系統(tǒng)壓力一般不允許超過20 MPa。壓射過程需要通過蓄能器提供快速供油并建壓，一般采用18～20 MPa的蓄能壓強(qiáng)。傳統(tǒng)工藝通過增壓來獲得較高的壓射比壓，但增壓存在滯后，且有壓強(qiáng)過高密封圈等部件易損的缺陷，給生產(chǎn)帶來設(shè)備維修率高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、增壓效果差等問題。進(jìn)鋁方式對(duì)壓鑄下模的強(qiáng)度有一定影響，風(fēng)葉進(jìn)鋁下模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，但模具壽命不如點(diǎn)澆口工藝。

表2列出了采用增壓工藝達(dá)到的壓射比壓理論值[3]。增壓存在滯后。壓射結(jié)束稍有延遲，進(jìn)鋁口就會(huì)凝固。雖然壓射比壓理論值夠大且有增壓動(dòng)作，但壓力不能很好地即時(shí)傳遞到鋁環(huán)型腔，因而不能很好地起到鋁環(huán)補(bǔ)縮的效果。這種工藝在過去很長(zhǎng)時(shí)間沒有得到突破性的改善，考慮增壓滯后的影響，實(shí)際壓射比壓只能達(dá)到表2中所列理論值的70%左右。受此影響，H200以上的轉(zhuǎn)子產(chǎn)品填充率為88%～92%，設(shè)備非增壓狀態(tài)下基礎(chǔ)比壓較小，即設(shè)備的能力存在不足，因此傳統(tǒng)立式壓鑄轉(zhuǎn)子質(zhì)量很難提高。

表2 傳統(tǒng)典型壓鑄采用增壓工藝后H80～355電機(jī)轉(zhuǎn)子壓射比壓

2 改進(jìn)工藝實(shí)施方案

所提出的電機(jī)轉(zhuǎn)子立式大比壓壓鑄工藝采用風(fēng)葉進(jìn)鋁，并且對(duì)進(jìn)鋁面積與凈用鋁量比值作了要求，即進(jìn)鋁面積S(cm2)與凈用鋁量G(kg)之比≥1.8。此系數(shù)達(dá)不到要求的，需增加風(fēng)葉厚度或增加輔助進(jìn)料口。通過加大設(shè)備壓射缸直徑獲得較高的壓射比壓，將壓鑄設(shè)備合型油缸與壓射油缸大小按1…1配置(表3)，根據(jù)產(chǎn)品的大小及用鋁量設(shè)置合適直徑的熔杯并獲得理想的壓射比壓，壓射動(dòng)作完成的瞬間即達(dá)到較高的壓射比壓，壓力100%傳遞到型腔內(nèi)部，配合較低的型腔鋁溫，得到較小的縮孔和較高的材料致密度，最終獲得較好的轉(zhuǎn)子質(zhì)量及填充率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的提升。

表3 新工藝與傳統(tǒng)工藝設(shè)備油缸直徑對(duì)比

本工藝的實(shí)施，對(duì)H180以上的電機(jī)轉(zhuǎn)子壓鑄中的壓射比壓均有不同程度的提高。以壓射完成時(shí)蓄能器壓強(qiáng)16 MPa計(jì)算，達(dá)到的壓射比壓如表4所示。

表4 電機(jī)轉(zhuǎn)子與壓鑄設(shè)備及配備熔杯參數(shù)

表4中列出的是本工藝對(duì)應(yīng)的機(jī)座號(hào)中最大外徑轉(zhuǎn)子參數(shù)，實(shí)際生產(chǎn)過程中還要根據(jù)轉(zhuǎn)子直徑和用鋁量選擇合適的熔杯，例如同一機(jī)座2極轉(zhuǎn)子直徑比6極小得多，用鋁量可能不同，可以按實(shí)際需求選擇不同號(hào)的熔杯進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中，蓄能器沖液壓強(qiáng)19～20 MPa，壓射過程結(jié)束，蓄能器壓強(qiáng)為16～17 MPa，整個(gè)壓射系統(tǒng)均在中等壓強(qiáng)下工作，設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命有很大提高。本工藝仍然采用風(fēng)葉進(jìn)鋁，沒有增壓動(dòng)作，壓射過程一次性完成，轉(zhuǎn)子填充率達(dá)到93%～97%，壓鑄轉(zhuǎn)子產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高。

3 產(chǎn)品試制

2020年12月中旬采用此工藝試制M3BP400，740、800 mm帶中間短路環(huán)雙轉(zhuǎn)子產(chǎn)品，填充率達(dá)到95%以上。表5是試制產(chǎn)品的生產(chǎn)記錄表。740 mm高度的產(chǎn)品轉(zhuǎn)子填充率達(dá)到96.23%，800 mm高度的產(chǎn)品轉(zhuǎn)子填充率達(dá)到95.3%?？蛻舸饲安捎肨CS設(shè)備生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子填充率為90%～92%。表6對(duì)比了TCS設(shè)備和新工藝設(shè)備(TD500)的工藝參數(shù)及產(chǎn)品的填充率。

表5 試制產(chǎn)品生產(chǎn)記錄表

表6 不同工藝的參數(shù)和產(chǎn)品填充率對(duì)比

此外，這種大型壓鑄轉(zhuǎn)子的初始不平衡量也非常小，如表7所示。

表7 800 mm轉(zhuǎn)子校平衡數(shù)據(jù)

客戶反饋表明，使用該轉(zhuǎn)子的電機(jī)，性能比原來更好。

4 結(jié) 語

本工藝的實(shí)施有效提高了電機(jī)轉(zhuǎn)子填充率，可以降低轉(zhuǎn)子鑄鋁的電阻和轉(zhuǎn)子不平衡量，降低轉(zhuǎn)子損耗，從而降低電機(jī)損耗、提高效率。隨著超高效電機(jī)的各種能效政策的頒布實(shí)施，電機(jī)行業(yè)轉(zhuǎn)子壓鑄工藝水平提升勢(shì)在必行。本工藝的實(shí)施與推廣具有較大的意義和較好的前景。