電機轉子立式大比壓壓鑄工藝*

王 岳, 楊祎洋, 程國棟

(南通通達矽鋼沖壓科技有限公司，江蘇 南通 226352)

0 引 言

鋁耗是電機五大損耗之一，約占總損耗的20%左右，因此降低鋁耗對提高電機性能具有重要意義。目前中小型低壓電機的轉子均采用冷室壓鑄工藝生產。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]。臥式壓鑄模具結構復雜，模架較大，價格昂貴，對于配套設備大小及鑄鋁量有限制；立式壓鑄模具結構簡單且價格相對便宜，設備大小和鑄鋁量可以滿足較大產品的需要。因此，一般較小規格、大批量的轉子采用臥式壓鑄，較大規格、小批量的轉子采用立式壓鑄。鑄鋁常因壓鑄工藝參數選用不當，使轉子產生較多氣孔，影響了鋁耗和電機效率。壓鑄工藝參數主要有比壓、填充速度、填充時間、保壓時間等，其中比壓是指型腔內單位面積所受的壓力，通常以壓射熔杯在壓鑄時產生的壓強來衡量。在壓鑄過程中，壓鑄機的結構與性能、蓄能器的工作狀況、壓鑄機工作液的性能和溫度及澆注系統的形狀和尺寸等因素，對比壓均有一定的影響。為了提高轉子鋁籠的致密度，減少氣孔和縮孔，保證鋁的電導率，提高壓射比壓是重要的工藝手段。鑄鋁轉子質量越好，電機鋁耗與雜散損耗就越低，溫升越小，效率越高。

國外轉子立式壓鑄設備均是采用增壓工藝達到比較高的比壓，采用點澆口進鋁，在較大轉子產品的生產中，壓射比壓只能達到25 MPa左右，而且設備熔杯較為固定，提供給不同產品的壓射參數變化不大，產品的填充率為90%～92%。國內轉子立式壓鑄也是采用增壓工藝，大部分采用風葉進鋁，轉子填充率與國外相當。

電機行業2021年6月1日開始執行GB 18613—2020能效標準，最低能效等級由符合IE2上升到IE3，對于電機效率的要求有了不同程度的提高，從而對電機的設計、制造工藝等方面提出了更高的要求。本文介紹一種電機轉子立式大比壓壓鑄工藝[2]。應用該技術可將轉子填充率提高3%～5%，對于電機鋁耗的降低和效率的提升具有非常重要的意義。

1 技術背景

圖1是轉子壓鑄模具、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、增壓三級壓射。一般快壓射時蓄能器壓強p為20 MPa，提供的壓射缸壓強py為15～20 MPa，增壓后壓射缸壓強pz達到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，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 轉子壓鑄模具、壓射熔杯及壓射缸部分的示意圖

表1對比了2018年前意大利TCS公司、灌南壓鑄機公司、南通巨能公司生產的500 t壓鑄設備的基本參數及比壓。

表1 國內外壓鑄設備部分參數對比

壓鑄設備系統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。傳統工藝通過增壓來獲得較高的壓射比壓，但增壓存在滯后，且有壓強過高密封圈等部件易損的缺陷，給生產帶來設備維修率高、產品質量不穩定、增壓效果差等問題。進鋁方式對壓鑄下模的強度有一定影響，風葉進鋁下模結構簡單，容易制造，但模具壽命不如點澆口工藝。

表2列出了采用增壓工藝達到的壓射比壓理論值[3]。增壓存在滯后。壓射結束稍有延遲，進鋁口就會凝固。雖然壓射比壓理論值夠大且有增壓動作，但壓力不能很好地即時傳遞到鋁環型腔，因而不能很好地起到鋁環補縮的效果。這種工藝在過去很長時間沒有得到突破性的改善，考慮增壓滯后的影響，實際壓射比壓只能達到表2中所列理論值的70%左右。受此影響，H200以上的轉子產品填充率為88%～92%，設備非增壓狀態下基礎比壓較小，即設備的能力存在不足，因此傳統立式壓鑄轉子質量很難提高。

表2 傳統典型壓鑄采用增壓工藝后H80～355電機轉子壓射比壓

2 改進工藝實施方案

所提出的電機轉子立式大比壓壓鑄工藝采用風葉進鋁，并且對進鋁面積與凈用鋁量比值作了要求，即進鋁面積S(cm2)與凈用鋁量G(kg)之比≥1.8。此系數達不到要求的，需增加風葉厚度或增加輔助進料口。通過加大設備壓射缸直徑獲得較高的壓射比壓，將壓鑄設備合型油缸與壓射油缸大小按1…1配置(表3)，根據產品的大小及用鋁量設置合適直徑的熔杯并獲得理想的壓射比壓，壓射動作完成的瞬間即達到較高的壓射比壓，壓力100%傳遞到型腔內部，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，最終獲得較好的轉子質量及填充率，實現電機性能的提升。

表3 新工藝與傳統工藝設備油缸直徑對比

本工藝的實施，對H180以上的電機轉子壓鑄中的壓射比壓均有不同程度的提高。以壓射完成時蓄能器壓強16 MPa計算，達到的壓射比壓如表4所示。

表4 電機轉子與壓鑄設備及配備熔杯參數

表4中列出的是本工藝對應的機座號中最大外徑轉子參數，實際生產過程中還要根據轉子直徑和用鋁量選擇合適的熔杯，例如同一機座2極轉子直徑比6極小得多，用鋁量可能不同，可以按實際需求選擇不同號的熔杯進行生產。生產過程中，蓄能器沖液壓強19～20 MPa，壓射過程結束，蓄能器壓強為16～17 MPa，整個壓射系統均在中等壓強下工作，設備的穩定性和壽命有很大提高。本工藝仍然采用風葉進鋁，沒有增壓動作，壓射過程一次性完成，轉子填充率達到93%～97%，壓鑄轉子產品質量大幅提高。

3 產品試制

2020年12月中旬采用此工藝試制M3BP400，740、800 mm帶中間短路環雙轉子產品，填充率達到95%以上。表5是試制產品的生產記錄表。740 mm高度的產品轉子填充率達到96.23%，800 mm高度的產品轉子填充率達到95.3%。客戶此前采用TCS設備生產的轉子填充率為90%～92%。表6對比了TCS設備和新工藝設備(TD500)的工藝參數及產品的填充率。

表5 試制產品生產記錄表

表6 不同工藝的參數和產品填充率對比

此外，這種大型壓鑄轉子的初始不平衡量也非常小，如表7所示。

表7 800 mm轉子校平衡數據

客戶反饋表明，使用該轉子的電機，性能比原來更好。

4 結 語

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