CN109518082A

CN109518082A - 一种应用于交流异步电机的新型结构实心转子-定子的制备工艺

Info

Publication number: CN109518082A
Application number: CN201811448508.2A
Authority: CN
Inventors: 钟庆东
Original assignee: Hunan Shanglin New Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Hunan Shanglin New Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-03-26

Abstract

本发明公开了一种应用于交流异步电机的新型结构实心转子‑定子的制备工艺，包括如下步骤：实心转子制备；清扫炉内，放入6.5%的硅，1%~5%的三氧化二钴以及1%的锰，其余用铁块填充；熔炼炉密闭抽真空，然后采用电弧熔炼；冷却，取出退火高硅钢样品；采用温轧工艺轧制高硅钢样品；退火处理；机加工处理；实心定子制备；清扫炉内，放入1%~5%的氧化钕，3%~8%的氧化硼以及1%的锰，其余用铁块填充；采用电弧熔炼，退火热处理；同样对定子的轧制也采用温轧，再对试样进行机加工即可。本发明制备的新型转子‑定子具有杂质较少，化学成分分布均匀，结构致密的特点，相对于光滑实心转子，参入三氧化二钴的高硅钢实心转子能够产生相对良好的磁导率，增大了电动机的额定功率。

Description

一种应用于交流异步电机的新型结构实心转子-定子的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种新型实心转子-定子结构在交流异步电机上的应用，特别是涉及采用6.5%高硅钢并通过一系列先进加工工艺的制备，应用于电机内部新型实心转子的研发的技术领域。

背景技术

交流异步电机是一种新型交流感应电机。它具有许多优点，结构简单，无刷可靠，所需要的变频器容量较低，非常适用于变速恒频汽车用动力发电，由于交流异步电机具有两套不同极数的定子绕组，由工作原理可知两套绕组之间没有直接的耦合关系，他们的耦合仅依靠转子。因此，转子是影响无刷双馈电机的耦合性能的主要因素，寻求良好性能的转子结构是学者们研究的热点问题之一。

交流异步电机的转子结构首先具有对两套定子绕组，并且具有良好的“极数转换器”的作用，也就是在机电能量转换中产生较高的有用谐波及参数较低的无用谐波。而转子结构还需要具有良好的动态和静态性能，并且从工艺上易于实现。研究并寻求高效率，同时结构简单、工艺易于实现的无刷双馈电机转子结构，依、然是学者们研究的目标。

在本发明中，利用高硅钢经过一系列先进冶金加工工艺制备磁导率大，力学性能良好的实心定子，并且利用激光切割机在转子表面进行开槽设计，增大电动机的额定效功率，降低实心转子的损耗；定子则采用钕铁硼符合材料熔炼制备，具有磁导率电导率高的特点，并且提高电机运转的稳定性。

发明内容

转子在机电能量转换中起着决定性作用，因此寻求良好磁场调制性能的转子结构，是提高该电机效率和推进产业化的关键所在。为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用高硅钢（6.5%硅含量）在一系列热处理制度下制备的实心转子，与传统铸铁或普通硅钢片制备的实心转子相比，这种新型实心转子主要有以下几个优点：（1）机械强度高，结构简单，起动动性能优良（2）实心转子电机拥有较大的起动转矩，可以适应满载和重载情况下的起动工况（3）负载稳态运行时，定子铁耗和转子涡流损耗也会变小，这对提高电机的效率有益（4）简化了转子的热轧工序，降低了转子的制造成本，节约了能源有利于环保要求。将这种新型转子-定子应用于交流异步电机的做法，属于电动机研发相关技术领域。本发明能够得到组织结构均匀，性能良好的实心转子-定子，此实心转子具有较小的中心应力，较大临界缺陷尺寸，结构简单、机械强度与平衡性优良，独特的涡流特性等优点。本发明是一种有效的提高电机工作性能的方法，适用于开关磁阻电机在更广泛的领域的应用，对高硅钢实心转子机械性能，电磁性能进行评价，适用于材料性能检测技术领域。

交流异步电机在双馈运行方式时，两套定子绕组均被激励，所产生的两个不同极数的旋转磁场，依赖特殊转子的磁场调制作用，两定子绕组之间没有直接的耦合关系。因此，对于不同的转子结构，只要满足极数关系，定子可以相同。本发明中为解决两套绕组所面临的问题，采用双绕组结构的设计思想是两套定子绕组独立设计，非常容易实现不同极数的配合，原理上特别易于实现。为了减少高次谐波和互感电动势，定子绕组选择用双层和短距绕组，实现方式与常规异步电机有一定差异。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种应用于交流异步电机的新型结构实心转子-定子的制备工艺，包括如下步骤：

a. 清扫炉内，放入6.5%的硅，1%~5%的三氧化二钴以及1%的锰，其余用铁块填充；其中硅，钴等以粉末的形式加入。熔炼炉密闭性检验，确保密闭性良好。抽真空，通入Ar或N₂，赶走炉内空气，然后采用电弧熔炼。压力一般<0.05MPa，在熔炼过程中采用电磁搅拌（搅拌频率为7Hz~20Hz），其中优选为12Hz~18Hz；以防止熔炼过程之中出现的成分偏析现象。

b. 打开炉电源，通入氮气气氛，体积在40%~70%之间，加热原则一般是高温慢低温可适度快，一般<500℃可自由升温，>550℃时加热速度小于120℃/h，样品较大可在650℃保持60min均温处理再继续升温。在850℃~1000℃保温15min~2h，温度越高，时间越长晶粒越大，三氧化二钴的添加导致磁性能升高。之后以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温。

c. 以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温；关闭保护气体，总电源，取出退火高硅钢样品。

d．轧制，本发明采用温轧工艺；确定开轧温度在400℃~650℃，精轧温度480℃以上, 轧制道次8~16次，板坯以轧制中心线为基准进行对中,确保板坯宽度方向上两端与轧制中心线的距离一致，不能有偏差，以便轧制。

e. 退火处理；将钢板置于退火炉内，退火温度设在850℃~1000℃ 之间，退火时间为40min-60min之间，之后随炉冷却至室温。

f．机加工处理，首先对定子表面进行酸洗，酸洗过后用200#、400#、800#、1000#、2000#砂纸依次分别对金属锭进行打磨，然后采用丙酮和乙醇，对金属锭进行超声清洗，以确保绝缘良好并防止缝隙腐蚀，之后采用激光切割机LMN4020A交换平台光纤激光切割机进行转子的表面切割，激光功率1000~4000W，最大运动速度：130m/min，整机质量3000kg，X/Y轴定位精度±0.2mm。采用转子开口槽结构，具体切制成梯形槽。

g．实心定子制备；清扫炉内，放入1%~5%的氧化钕，3%~8%的氧化硼以及1%的锰，其余用铁块填充；其中氧化硼，氧化钕和氧化锰等以粉末的形式加入，采用电弧熔炼并开启电磁搅拌。退火热处理制度为：先以7℃/min的速度升温至1000℃，保温2小时；再以10℃/min的速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温。

h．轧制；同样对定子的轧制也采用温轧，确定开轧温度在450℃，精轧温度580℃,轧制道次5次，之后随炉冷却至室温，再对试样进行机加工即可。

本发明采用实心转子开槽铸良性导电体后，转子涡流通过槽内导电体及其端环闭合，使得转子端部电抗大大减小，阻抗下降，提高了电机的功能指标。此前制备的光滑实心转子感应电机的力能指标较低，在光滑实心转子上开槽铸铝能够提高其力能指标，改善电机的性能。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明制备的新型转子-定子具有杂质较少，化学成分分布均匀，结构致密的特点，温轧工艺能够有效消除产品内应力，而退火工艺则可以消除大量气泡以及第二相夹杂物。区别于传统硅钢制备，拥有更好的力学性能，脆性得到改善，相对于光滑实心转子，参入三氧化二钴的高硅钢实心转子能够产生相对良好的磁导率，增大了电动机的额定功率。

2. 本发明制备的实心转子-定子异步交流电机以其独特的优点在高速电机领域会得到广泛应用，转子表面开槽，切断转子高频谐波路径，降低转子涡流损耗的同时，增大定转子之间气隙，提高电机的效率。它既有光滑实心转子优良的起动性能，又能够达到笼型转子感应电机小转差率运行时较高的力能指标，除此之外，转子开径向槽后电机的温升大大降低。

3. 本发明在转子-定子制备工艺上采用更为先进和优良的工艺，另辟蹊径，对转子以及定子的结构方面有所改进，拓宽其应用领域，在电动机性能研发领域做出重要贡献。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例1：

在本实施例中，一种应用于交流异步电机的新型实心转子-定子的制备，包括如下步骤：

a. 清扫炉内，放入6.5%的硅，1%~5%的三氧化二钴以及1%的锰，本实施例选择1%的三氧化二钴，其余用铁块填充；其中硅，钴等以粉末的形式加入。熔炼炉密闭性检验，确保密闭性良好。抽真空，通入Ar或N₂，赶走炉内空气，然后采用电弧熔炼。压力一般<0.05MPa，在熔炼过程中采用电磁搅拌（搅拌频率为7Hz~20Hz），其中优选为12Hz~18Hz；以防止熔炼过程之中出现的成分偏析现象。

b. 打开炉电源，通入氮气气氛，体积在40%~70%之间，本实施例选择40%的氮气；加热原则一般是高温慢低温可适度快，一般<500℃可自由升温，>550℃时加热速度小于120℃/h，样品较大可在650℃保持60min均温处理再继续升温。在850℃~1000℃保温15min~2h，温度越高，时间越长晶粒越大，三氧化二钴的添加导致磁性能升高。之后以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温。

d．轧制；本发明采用温轧工艺；确定开轧温度在400℃~650℃，精轧温度480℃以上, 轧制道次8~16次，本实施例选择轧制8次。板坯以轧制中心线为基准进行对中，确保板坯宽度方向上两端与轧制中心线的距离一致，不能有偏差，以便轧制。

g．实心定子制备；清扫炉内，放入1%~5%的氧化钕，3%~8%的氧化硼以及1%的锰（本实施例中添加1%的氧化钕和3%的氧化硼）其余用铁块填充；其中氧化硼，氧化钕和氧化锰等以粉末的形式加入，采用电弧熔炼并开启电磁搅拌。退火热处理制度为：先以7℃/min的速度升温至1000℃，保温2小时；再以10℃/min的速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温。

在本实施例中设计了两台定子相同的实心转子交流异步电动机，一台转子为普通铸钢结构，另一台转子为新制备的高硅钢转子。电机基本参数如下：额定功率：PN =10. 5kW；额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 = 210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。分别对两台电机进行性能试验，比较得出最适合在起重运行机构上使用的一种实心转子-定子交流异步电动机。在专门的电动机试验台上进行负载试验，采用另一台变频电动机作为负载进行加载。

本实施例方法特别适用对比不同转子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢转子进行有效评价。起动性能是评价电动机重要的性能指标。为了更好对比两种电动机的起动性能，本发明采用的电磁参数计算与性能分析的方法为透入深度法，交流异步电机转子电阻与电抗都与转差率s有着密切的关系，因此，在给定具体的转差率s下，初步选取转子电流，计算出转子磁导率，在直角坐标系下，根据透入深度与电阻表达式R=ρL/A，求得折算到定子侧的转子电阻：

本实施例得到结果分析精准，全面。

实施例2：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种应用于交流异步电机的新型结构实心转子-定子的制备工艺，包括如下步骤：

a. 三氧化二钴的添加量改为1.5%；

b. 将炉内气氛调整为50%N₂；

d. 转子子轧制道次改为12次，其余不变；

g．制备定子的过程中，氧化钕的添加量为2%，氧化硼的添加量改为4%；

h．与上面保持一致。

在本实施例中设计了两台定子相同的实心转子交流异步电机，一台转子为普通铸钢结构，另一台转子为新制备的高硅钢转子。电机基本参数如下：额定功率：PN =10. 5 kW；额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 = 210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。分别对两台电机进行性能试验，比较得出最适合在起重运行机构上使用的一种实心转子交流异步电机。在专门的电动机试验台上进行负载试验，采用另一台变频电动机作为负载进行加载。

本实施例得到结果分析精准，全面。

实施例3：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

a. 三氧化二钴的添加量改为2%；

b. 将炉内气氛调整为60%N₂；

d. 转子子轧制道次改为14次，其余不变；

g．制备定子的过程中，氧化钕的添加量为3%，氧化硼的添加量改为6%；

h．与上面保持一致。

在本实施例中，设计了两台定子相同的实心转子交流异步电机，一台转子为普通铸钢结构，另一台转子为新制备的高硅钢转子。电机基本参数如下：额定功率：PN =10. 5kW；额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 = 210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。分别对两台电机进行性能试验，比较得出最适合在起重运行机构上使用的一种实心转子交流异步电机。在专门的电动机试验台上进行负载试验，采用另一台变频电动机作为负载进行加载。

本实施例得到结果分析精准，全面。

实施例4：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

a. 三氧化二钴的添加量改为2%；

b. 将炉内气氛调整为70%N₂；

d. 转子子轧制道次改为16次，其余不变；

g．制备定子的过程中，氧化钕的添加量为5%，氧化硼的添加量改为8%；

h．与上面保持一致。

本实施例得到结果分析精准，全面。

试验对比分析：

上述实施例实验测试分析的结果如下表1，

表1. 本发明实施例1～实施例4经电化学试验处理后的各样品检测性能参数表

由上述分析、计算表明，当转子锻件的冶金质量、材料性能、受力状态及运行环境相同时，新型高硅钢实心转子-定子结构交流异步电机的工作性能优于普通实心转子电机，采用现代冶金技术生产的优质锻件制造实心转子是安全可行的。可以看出，三氧化二钴的加入提高了转子的磁导率，增强其电磁性能；新型结构的转子-定子电动机的堵转转矩都远高于普通铸铁实心转子，这就说明其产生的功率也要远大于普通转子电机，通过此种方式得到的实验数据是准确而全面的。

本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用先进冶金方法制备高硅钢实心转子的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用于交流异步电机的新型结构实心转子-定子的制备工艺，包括如下步骤：

a. 清扫炉内，放入6.5%的硅，1%~5%的三氧化二钴以及1%的锰，其余用铁块填充；其中硅、三氧化二钴和锰以粉末的形式加入，熔炼炉密闭抽真空，通入Ar或N₂，赶走炉内空气，然后采用电弧熔炼，压力一般<0.05MPa，在熔炼过程中采用电磁搅拌，搅拌频率为7Hz~20Hz；

b. 打开炉电源，通入氮气气氛，体积在40%~70%之间，加热原则是<500℃时为自由升温，>550℃时加热速度小于120℃/h，样品较大时在650℃保持60min均温处理再继续升温；

在850℃~1000℃保温15min~2h，温度越高，时间越长晶粒越大，三氧化二钴的添加导致磁性能升高；

c. 以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温；关闭保护气体，总电源，取出退火高硅钢样品；

d．轧制，本发明采用温轧工艺；确定开轧温度在400℃~650℃，精轧温度480℃以上, 轧制道次8~16次，板坯以轧制中心线为基准进行对中，确保板坯宽度方向上两端与轧制中心线的距离一致；

e. 退火处理；将钢板置于退火炉内，退火温度设在850℃~1000℃ 之间，退火时间为40min-60min之间，之后随炉冷却至室温；

f．机加工处理，首先对定子表面进行酸洗，酸洗过后用200#、400#、800#、1000#、2000#砂纸依次分别对金属锭进行打磨，然后采用丙酮和乙醇，对金属锭进行超声清洗，以确保绝缘良好并防止缝隙腐蚀，之后采用激光切割机LMN4020A交换平台光纤激光切割机进行转子的表面切割，激光功率1000~4000W，最大运动速度：130m/min，整机质量3000kg，X/Y轴定位精度±0.2mm，采用转子开口槽结构，具体切制成梯形槽；

g．实心定子制备；清扫炉内，放入1%~5%的氧化钕，3%~8%的氧化硼以及1%的锰，其余用铁块填充；其中氧化硼，氧化钕和氧化锰等以粉末的形式加入，采用电弧熔炼并开启电磁搅拌，退火热处理制度为：先以7℃/min的速度升温至1000℃，保温2小时；再以10℃/min的速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温；

h．轧制；同样对定子的轧制也采用温轧，确定开轧温度在450℃，精轧温度580℃, 轧制道次5次，之后随炉冷却至室温，再对试样进行机加工即可。

2.根据权利要求1所述新型结构实心转子-定子的制备工艺，其特征在于：所述步骤a中选用的铁块必须预先经过除油打磨，在200目，600目，800目以及1000目下逐级打磨并且用去离子水和丙酮溶液清洗干净。

3.根据权利要求1所述新型结构实心转子-定子的制备工艺，其特征在于：所述步骤a中搅拌频率为12Hz~18Hz。

4.根据权利要求1或2新型结构实心转子-定子的制备工艺，其特征在于：所准备的电机基本参数如下：额定功率：PN =7. 5 kW；额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 = 210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。