壓鑄銅轉子改進電機效率

解決能源短缺問題的途徑之一是通過提高最終使用效率來降低能源需求，為此對能源性能標準和規則不斷改進。當全球能源性能標準強化和協調之時，印度標準局修訂了能源有效標準和全球標準協調一致，其他國家也引入了基于這些標準的規則，在國內禁止低效電機的制造和銷售。在印度，能源效率局正在開發基于新標準的規則、補充管理措施，通過認識更新和采用高效電機的功率，最終用戶參與，技術開發及其商業化也是重要的。

銅作為電機的一種選擇

由于銅具有較好的導電性和導熱性，銅在電氣上的應用頗受肯定。目前鼠籠式電機是使用最多的電機，鼠籠式感應電機占到中小電機75%以上的份額，鼠籠式感應電機廣泛用于工業、農業、國防、商業、公用設施和運輸工業，是所有領域離不開的核心電機。

電機采用銅的優點包括：

· 通過減少損失，較高的效率和降低溫度來改進電機性能。

· 提高功率系數來減少電機尺寸和減少活性材料數量，使材料成本下降。

· 需要重新設計電機以滿足其他性能參數的條件并適合現有電機的框架尺寸。

目前，鼠籠式感應電機的轉子采用鋁。用鋁壓鑄技術生產，具有高效和低成本的優勢。眾所周知，銅的導電率比鋁的導電率高出約40%。如果采用銅取代現在廣泛使用的鋁壓鑄轉子，電機的總損失會明顯下降，因為這樣就增加了電機總效率。銅壓鑄轉子用來制造高級和超級優質電機。電機的轉子和定子重新設計結合壓鑄銅轉子的特性可以實現效率最大化。

在降低電機損失之時，由于轉化為熱能的能量減少，降低了轉子和定子的線圈溫度，可以采用較小的風機或根本不用風機，減少摩擦損失和額外部件的空氣阻力，從而改進電機效率。與此同時，降低電機的工作溫度將大幅延長電機的期望壽命和減少維護費用。一般來說，溫度降低10度，可以使絕緣材料的期望壽命翻一倍，所以，在正常維護狀態下，采用銅轉子的電機具有較長的工作期間和較高的可靠性。

由于銅電阻低，一樣感應功率的轉子電流，銅轉子要比鋁轉子多，因此采用較少的材料制造一樣功率和效率的電機，重量較輕，體積較小。和傳統的電機相比，銅的優異抗腐蝕性能具有較好的環境可接受性和可靠性。所有優點給設計者和制造商提供了更具靈活性的設計空間，使他們追求更高效率，成本更低、重量更輕、體積更小， 所有因素能夠實現平衡。

壓鑄銅轉子的上述優異特性使其廣泛用于普通工業的電機、電動汽車、燃料/電動汽車、潛水泵、循環泵、吊車、飛機控制器、高速芯軸電機、核電站和小型風力發電場。

純銅的壓鑄是鑄造銅轉子大量應用的障礙，由于純銅熔點（1083度）比鋁熔點（660度）高，在實際生產中，銅水的澆注溫度為1200度，要求模具材料具有而高溫性能，如果采用現在的鋁壓鑄模具來生產銅轉子，模具的期望壽命是鑄鋁期望壽命的百分之一，如此高的壓鑄溫度將降低模具的期望壽命，增加銅轉子的成本，成為使用銅轉子的主要障礙。

本文將探討鑄鋼轉子的最新發展，包括壓鑄技術的改進。

壓鑄銅轉子的主要障礙

生產壓鑄銅轉子的五個難題：

1.沒有工藝訣竅

2.要進口價格昂貴的設備

3.不能生產同一質量的合格產品

4.效率值的提高不大

5.模具壽命短

采用壓鑄生產大批量經濟合算的銅轉子的技術難題

A.純銅熔化技術

因為在高溫下銅容易氧化，在實驗室里避免銅氧化是容易的，而在工廠、大規模商業化生產中就很困難。銅氧化物含量對銅的導電性有直接影響，不能控制銅水的氧化將極大降低銅的導電性，嚴重影響電機性能。

B.銅鑄造工藝

純銅的結晶結構和冶金性能使銅鑄造困難，同時在實際鑄造過程里，需要實現最佳化來減少，如氣孔缺陷來改進轉子質量。

C.模具系統

在模具方面，模具材料的選擇和設計需要考慮到，模具材料高性能和模具結構設計最佳化能補償高溫銅對模具性能的影響，以改進期望壽命和降低生產成本。

銅轉子電機技術的最新進展

國際銅協提出了基于立式壓鑄機生產鑄造銅轉子的方案，目前按照這方案已經大批量生產鑄造銅轉子，該方案包括以下內容；

· 熔化系統：純銅熔化技術、熔化系統和保護純銅不被氧化的創新技術

· 自動熔體傳輸系統

· 壓鑄系統：銅鑄造工藝和鑄造工藝參數控制，立式壓鑄機及相關工具自動化人機接口

· 為延長模具壽命而改進的模具技術

· 真空支持設備

由于創新的改進，目前基于立式壓鑄機的方案大大延長了模具期望壽命，大幅降低了生產成本和改進了產品質量，目前這種基于立式壓鑄機的方案已成熟，已經進入大批量商業化生產。

國際銅協已經開發和明顯強化銅電機轉子工藝技術，從而改進了鼠籠式感應電機的性能，所開發的技術采用立式壓鑄工藝，這一工藝通常用于傳統鋁壓鑄轉子，加上適宜的技術開發來生產銅壓鑄轉子，進而言之，還有其他的創新來簡化和建立這一生產工藝，以改進勞動生產率和產品質量。

熔化系統

開發的熔化系統對現有的感應爐做了許多修改，為保持銅純度，即今年能通過從99%到100%IACS，采用純銅不被 氧化的創新方法來熔化銅，銅水在控制氣氛下被送到壓鑄機，使銅水暴露在氣氛下最少，這一系統的優點是：

· 自動化，所有工藝參數都是最佳化，確定每一轉所需銅準確數量。

· 潔凈銅輸出

· 無氧化夾雜

· 銅水在控制下放流

壓鑄系統

用于銅鑄造的立式壓鑄系統和生產鋁轉子的傳統壓鑄機一樣，包括立式壓鑄機鑄造工藝參數控制，相關工具，用于自動化的人機接口和開發出來的獨有的模具設計。

為延長模具壽命改進模具技術。

九種類型的創新模具材料為延長模具壽命，還有涂層技術，有助于解決模具最小熱微裂問題和銅水注入后噴射壓力腔的最小時間延遲和一個用于煤氣/熱空氣通風的模具的模具設計。

轉子試驗設施

轉子缺陷即孔隙或龜裂通過轉子試驗進行檢測。

探測轉子缺陷技術分為兩個范疇，安裝好的電機試驗方法和拆卸電機的試驗方法。

安裝好的電機試驗方法，采用通過定子傳遞的訊號來分析轉子狀況，利用電流正負符號分析，采用FFT頻率檢測。

拆卸電機試驗方法是把單獨的傳感器非常接近轉子自身，拆卸的AC感應電機的試驗具有一些優點，能看到轉子的狀況，通過觀察可以容易確認故障，對于鼠籠式感應電機轉子裂紋和孔隙并不是總能容易看見，這一試驗方法直接用于轉子提高了對轉子質量的信心。

轉子試驗設備采用Labview軟件創新的面板，其顯出Pass/Fail，表明轉子狀態，當轉子在某一速度旋轉，速度通過電機驅動系統控制時來進行試驗，置于轉子表面附近的傳感器將探測到訊號并把訊號傳給電子裝置。

電子裝置取樣、過濾、輸出一正弦波形，軟件把從傳感器獲取實際波形相比較，提供試驗報告。

感應測量是通過在感應傳感器附近旋轉轉子來實現，當銅棒通過磁場，在轉子銅棒產生感應電流，形成正弦波，一個完整周期代表一個轉子帶，根據預先設定的公差來檢查評估。

啟動技術中心目的是：

控制和進行技術試驗來能展示這一工藝技術的效力，采用中間試驗生產一定批量銅轉子。

勸告電機生產商重新設計電機，利用電機總成本大幅下降優勢，電機銅轉子技術節省能源。

結合銅壓鑄樹都可結果，進行壓鑄銅轉子技術開發，使生產銅轉子更加經濟，節省設備投資。

幫助中小電機制造商采用現有鋁轉子設計，在不損害其他工藝參數條件下，采用銅轉子實現現有設計最佳化。

培養、采用和轉讓技術給電機制造商，整套銅轉子壓鑄技術。

從材料處理、模具材料、工藝、電機設計、批準和試驗到性能形成，除了技術轉讓支持外，技術中心具有一定的系列生產能力，有需要時能提供一定數量轉子。

電機銅轉子對電機制造商的好處：

壓鑄銅轉子和普通電機轉子相比，擁有許多優勢，較高的銅導電性，具有廣泛范圍的設計方案：

在同樣電機尺寸下，達到一個更高能將水平，通過重新設計轉子實現能效最大化，達到更高和超級優質水平。

采用銅導體，定子設計最佳化，達到要求的性能。

保持特定的能效水平，減少電機尺寸和可能減輕電機重量。

在同樣能效下，降低總制造成本。

這一技術將激勵印度電機制造商在電機效率上有一個量的飛躍，效率提高幾乎達到5%，這一提高會在所有領域節省能耗40TWH/年。

表1 電機銅轉子&驅動器

電機銅轉子對終端用戶的好處

引入高效電機在長期運行過程，用于重載周期設備，對終端用戶有好處，例如：

降低電耗在經濟上有好處，由于逐年大幅較低損失，擁有吸引人的投資回報和資金投資。

電機壽命在經濟上有好處，采取適當維護，由于較少維修和重新繞組，電機壽命會延長幾年。

品牌形象強化，使用電機用戶可以標明如“綠色”“負責任公司”和“環境友好”，因為他們有意降低能耗或改進能效，為減少溫室氣體排放做貢獻，為國家和社會可持續發展做貢獻。