帶斜鍵的斜槽轉子鐵心套軸難點分析及工藝控制

周杏軍，劉小龍，任 科，段 虎

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

帶斜鍵的斜槽轉子鐵心套軸難點分析及工藝控制

周杏軍，劉小龍，任 科，段 虎

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

文章分析了帶斜鍵的斜槽轉子鐵心套軸存在的困難，并從工程應用出發，提出了一系列通用而有效的工藝解決措施，已有了成功的批量應用業績。

轉子鐵心；斜槽；斜鍵；套軸工藝

在交流電機設計中，為了抑制因高次諧波磁場產生的附加轉矩以及為了削弱齒諧波、降低電磁噪聲、減少振動、提高電機啟動過程中的最小轉矩，普遍將定子或轉子鐵心結構設計成斜槽形式，斜槽角度通常為斜過一個定子槽。不同斜槽結構的電機在制造難度上存在著較大差異，在設計過程中需要根據制造工藝的可行性及難度來確定選取定子斜槽還是轉子斜槽結構，其中轉子斜槽結構又根據與轉軸的配合方式分為帶鍵和不帶鍵兩種。

從以往的工程應用來看，定子斜槽結構工藝實現難度不大，應用最為廣泛；不帶鍵的轉子斜槽結構通常用于中小型鑄鋁轉子中；而帶鍵的轉子斜槽結構由于套軸難度大、成功率低而導致實際應用很少，在有些必要的場合也采取疊壓后加銑直鍵槽的工藝來間接實現，但制造成本較高、周期較長，不適合批量生產。

中車株洲電機有限公司量產的某MW級雙饋風力發電機轉子即為帶斜鍵的斜槽結構，文章將以該電機為例將帶鍵斜槽轉子鐵心套軸的難點及主要工藝控制要素進行分析和介紹。

1 套軸難點分析

在常規的直槽、直鍵結構轉子套軸過程中，鐵心與轉軸之間通常只會存在簡單的軸向運動關系。而在斜槽、斜鍵結構的轉子套軸過程中，鐵心與轉軸之間除了基本的軸向運行之外，還會存在鐵心周向旋轉以及沖片自適應調整，這些更為復雜的運動關系本身就增大了套軸過程的不確定性，再加上兩者之間存在一定的過盈量，而考慮到沖片漆膜的耐溫上限、能耗、安全等因素又不能一味地升高鐵心加熱溫度，從而使套軸難度變得很大，一旦套軸不成功而又未能及時采取有效措施，將直接造成產品報廢等經濟損失。

（1）鐵心軸向運動。與常規直槽結構轉子套軸過程相同，斜槽轉子鐵心同樣需要從軸身上端套入直達下端軸肩，兩者至少需要經歷一個鐵心長的軸向位移過程。該運動過程通常是在鐵心自身重力作用下實現，能順利通過該位移到達軸肩也是套軸的最終目的。

（2）鐵心周向旋轉。針對這個過程，可以只以鐵心最下面一片或一小段沖片作為分析對象。在套軸過程中假定轉軸完全垂直豎立，此時軸鍵理論上是傾斜α角度的。對象沖片鍵槽部分從軸鍵上端部套入后（起始點位于α/2°位置）順著軸鍵下滑，最終套入后，對象沖片鍵槽部分位于軸鍵下端部位置（終止點位于-α/2°位置）（如圖1所示），僅從周向運動來分析，沖片鍵槽部分順著軸鍵逆時針轉過了角度α。因而整個套軸過程中，鐵心整體需要經歷一個旋轉過程，該旋轉過程完全依靠軸鍵的導向來實現。

圖1

圖2

（3）沖片間自適應調整。在現有的制造工藝以及檢測水平下，要使軸鍵傾斜角度和鐵心鍵槽傾斜角度達到完全一致是幾乎很難保證的。盡管通過現有的加工設備來確保軸鍵傾斜角度偏差控制在允許范圍內并不是難事，但鐵心疊壓過程中、特別是鐵心退模后可能產生的扭曲卻難以控制，因此制造過程中出現軸鍵與鐵心鍵槽傾斜角度不一致的情況應屬正常現象（如圖2所示，套軸前兩者間存在β初始夾角）。

毫無疑問，套軸完成后鐵心鍵槽與軸鍵絕對是完全配合的，就是說兩者之間的β初始夾角要隨著鐵心的套入逐漸減小，直至為零。在整個過程中，轉軸、軸鍵是固定不動的，因而β夾角的彌補只能依靠鐵心沖片自身的調整來實現，即鐵心在整個套入過程中鍵槽傾斜角度逐漸由α±β自動調整為α。該自適應調整過程同樣是在軸鍵的導向下完成，但要完成該過程，有兩個關鍵的前提條件：一是沖片之間不能承受除自身重力之外過大的額外壓力，二是熱態下沖片與沖片之間不能有粘性，以此確保沖片之間能實現一定程度的轉動，否則，一旦沖片轉動不到位或完全無法轉動，鐵心就會在鍵槽位置憋死，此時如果采取強行壓入措施，將會造成軸鍵損傷，甚至移位、斷裂。

（4）垂直度要求。電機轉軸鐵心檔與沖片內圓之間都會存在一定的過盈量，而在對鐵心進行加熱的時候，考慮到沖片表面漆膜耐溫能力，加熱溫度一般不超過300℃，再加上鐵心疊壓時不可避免的不齊度，熱套時兩者間實際間隙仍然很小，因此對它們自身垂直度的要求自然就高了。從前面分析來看，為了確保鐵心沖片之間的自適應調整能力，沖片不能承受除自身重力之外過大的額外壓力，因而需采取轉軸垂直豎立并固定，吊鐵心套軸的工藝，該工藝的操作穩定性較差，更加增大了其控制難度。套軸過程中垂直度未充分保證也是導致鐵心憋死的重要原因。

2 套軸工藝控制

（1）鐵心斜槽角度控制。疊片時鐵心的鍵槽角度α是通過模具來保證的，因此需定期對模具進行校檢，避免因模具原因導致疊壓后的鐵心鍵槽傾斜角度與要求值偏離過大，盡量減小套軸時沖片間自適應調整幅度，提高成功率。在疊壓完成，還可以采用線墜直接測量鐵心外圓槽部傾斜度的方法作進一步檢測。

（2）鐵心鍵槽質量控制。鐵心鍵槽質量的好壞直接影響套軸的成敗，從上述分析來看，套軸過程中鍵槽是關鍵的導向路徑和傳力部分，需要鍵槽表面平整、光滑，無凸起、毛刺、臺階等，因此在鐵心套軸前需對鍵槽進行仔細修挫和檢查。如果在鍵槽內存在如圖3所示的階梯臺階，套軸時軸鍵在階梯處卡滯、卡死的幾率會升高到50%以上。

圖3 階梯臺階

（3）烘焙溫度控制。為使鐵心整體溫度均能達到設定的工藝溫度，需要嚴格控制保溫時間。到溫后根據鐵心大小保溫3~4個h，如遇特殊情況必須中途開爐，需要相應延長保溫時間。

（4）轉軸質量要求。在鐵心套入過程中，如遇垂直度未充分保證的情形下，轉軸與鐵心、軸鍵與鐵心鍵槽的接觸情況將分別如圖4、圖5所示，此時接觸面積小、運動阻力大，將大大提高卡滯幾率，因此為了增大接觸面積、減小阻力，需確保轉軸及軸鍵上端面進行倒圓處理（如圖6所示）。

圖4 轉軸與鐵心接觸情況

圖5 軸鍵與鐵心鍵槽接觸情況

圖6 轉軸及軸鍵的倒圓情況

（5）垂直度控制。①轉軸垂直度控制。鐵心套軸過程中轉軸是垂直豎立在固定的平臺之上，在套軸之前采用精度為1mm/m以上的磁性水平尺檢測軸身各個方向的垂直度并校正。另外，需要借用轉軸上其他的部位或工藝孔將轉軸固定在套軸平臺上，其作用是一旦出現鐵心套入中途卡死，可以將鐵心迅速抽出。②鐵心垂直度控制。鐵心在退模后、套軸前是通過上、下壓板及3根拉桿鎖緊的，上壓板上有3個均布的螺孔用來吊運，在套軸之前也需要采用精度為1mm/m以上的磁性水平尺檢測鐵心外圓各個方向的垂直度，并通過調節可調吊鏈三條支腿的長度來進行垂直度調節。該操作一般在鐵心冷態下完成。

（6）沖片質量要求。對于常規的直鍵或是無鍵結構的轉子來說，對沖片的要求通常只針對其加工質量方面，如毛刺大小、高度差、不齊度、關鍵尺寸。而對于斜槽轉子沖片來說則不完全這樣，當加熱至工藝溫度時沖片之間有無粘性對套軸的影響才是至關重要的，這是因為一旦沖片互相粘在一起就很難產生自適應調整，從前面分析來看，這會直接造成鐵心鍵槽不能配合軸鍵的路徑而直接在鍵槽位置憋死。

除了市場上專用的自粘性沖片不能使用外，非自粘性沖片中不同漆膜材質在高溫下也會存在一定的粘性差別，有一次在將轉子沖片材質由B50XX470-J改為B50XX470-H后，頻繁出現套軸卡滯、套軸不進的現象，原因就是B50XX470-H在高溫下粘性相對較大。

除此之外，沖片所承受的壓力也是越小越好，否則摩擦力的增加也會增大沖片間自適應調整的難度。沖片自身的重量無法去克服，只是在鐵心套軸前需將固定鐵心用的3根拉桿稍微松開，其效果也是顯而易見的。

（7）潤滑要求。轉子套軸過程中在軸身涂少量潤滑劑能起到很好的輔助作用，它能增加套軸的順利度。但在選擇潤滑劑種類時，主要應該考慮兩點，一是潤滑脂的耐溫范圍，在鐵心的高溫環境下會不會變質失效；二是潤滑脂會不會對套軸起到阻礙作用，這是由其自身成分決定的。0#鋰基脂在常溫下是很好的潤滑劑，使用簡單、價格便宜、油狀無阻礙，但它耐溫范圍有限，滴點一般不超過200℃，而二硫化鉬則是一種很好的耐高溫型潤滑劑，它是由納米級的二硫化鉬粉末制成，但也正由于這種粉末結構，有可能在套軸過程中起到卡滯、堵塞等阻礙作用，因此選用時要注意二硫化鉬潤滑劑中成分顆粒的大小、濃度等因素，盡量采用顆粒小、濃度稍低的。

3 結語

中車株洲電機有限公司目前已生產了千臺以上帶斜鍵的斜槽結構轉子，量產過程中的套軸成功率達到了97.5%以上，沖片損失率降到了0.3%以下。由于帶鍵的斜槽轉子鐵心套軸難度大、成功率低而導致在工程上應用很少，文章從斜槽、斜鍵結構鐵心與直槽、直鍵結構鐵心套軸的關鍵區別出發進行難點分析，并根據以往成功在工程上的批量應用經驗，總結出來了一系列通用而有效的工藝控制措施，為后續該結構轉子的制造、應用及推廣提供經驗和依據。

［1］胡志強.電機制造工藝學［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［2］機械電子工業部教育司統編.電機鐵心裝配工藝學［M］.北京：機械工業出版社，1993.

［3］李志新，顧立民.淺析斜槽轉子軸鍵與沖片鍵槽配合關系［J］.防爆電機，2003，（2）：37-38.

［4］沙登君，大型電機轉子鐵心熱套軸應注意的幾個問題［J］.上海大中型電機，2004，（2）：48-49.

［5］鮑曉華，等.籠型感應電機轉子斜槽研究綜述及展望［J］.電工技術學報，2016，（6）：1-12.

Difficulty Analysis and Process Control of Casing Shaft of Rotary Core with Slanting Key

ZHOU Xing-jun，LIU Xiao-long，REN Ke，DUAN Hu
（CRRC Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

This paper analyzes the difficulties in the cable set of the inclined rotor with inclined key，and puts forward a series of general and effective process solving measures from the engineering application，and has successfully applied the batch application performance.

rotor core；chute；skew key；sleeve axis process

TM305

A

2095-980X（2017）04-0065-03

2017-03-19

周杏軍（1987-），湖南長沙人，大學本科，主要從事于電機設計工作。