CN109943747A

CN109943747A - 一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺

Info

Publication number: CN109943747A
Application number: CN201910404927.4A
Authority: CN
Inventors: 刘亚军
Original assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2019-06-28

Abstract

本发明公开了一种100‑200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为：Cr:1.0‑1.2wt.%,Ga:0.4‑0.6wt.%,Ge:0.5‑0.8wt.%,V:0.2‑0.5wt.%,Sn:12.0‑15.0wt.%,Bi:4.0‑5.0wt.%,Pb:12.0‑18.0wt.%,Te:0.2‑0.3wt.%,余量为铜。该材料针对高压电机的极端散热提供了一种材料学上的崭新解决方案，也就是利用材料的自冷却机理来进行高端散热。由于冶炼和加工过程简单，该材料在解决行业难题的同时，也会获得极大的社会价值和经济价值。

Description

一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铜合金。

背景技术

电机的功率是由电压和电流的乘积决定的。当低压电机的功率增加到一定程度后(如300KW/380V)，由于电流受到导线的承受能力限制而不能进一步增加。如果要获得更大输出功率的电机，就必须采用更高电压来实现。高压电机是指额定电压在1000V以上的电机，通常使用的高电压是6000V和10000V等电压。

高压电机的特点非常明显，除了功率大的特点，还可以具有很强的承受冲击的能力。一般而言，高压电机可以分为：高压同步电机；高压异步电机；高压异步绕线式电动机；高压鼠笼型电机等。高压电机的应用范围非常的广泛，可以用于驱动不同的机械之用。如压缩机、水泵、破碎机、切削机床、运输机械及其它设备，供矿山、机械工业、石油化工工业、发电机等各种工业中作原动机用。

高压电机由于功率大，必须安装非常有效的散热装置。并且相关的机构必须高度的智能化，能够提前预警来减少损失。一般而言，高压电机中的定子和轴承在工作中非常容易发热，如果散热不及时或者散热效率不达标，很容易由于散热不良导致高压电机的定子和轴承处于温度超标，造成设备损坏。所以，高压电机的散热要求等级是非常高的。此外，还可能由于瞬时大热流的产生而对散热提出更进一步的要求，例如偶然的内部短路等。

常见的散热，分为主动散热和被动散热。主动散热就是采用高导热系数的材料利用热量产生的温度梯度来进行由内而外的传热，从而将体系内产生的热量导出到环境中去。被动散热通常利用风扇等外部机制来提高散热部分的热量导出。目前而言，被动散热技术已经非常成熟，在该领域进行提升的空间已经非常小。相比而言，通过先进的材料设计技术进行更为高效的主动散热已经是目前主要发展方向。

传统的主动散热，经常采用铝合金与铜合金。这两种材料的散热性能，从传统材料的角度来看已经没有很大的提升空间。此外，尽管可以通过对采用这两种材料制备的散热器进行形状优化和功率提升，但是相对于高压电机的散热需求而言，所获得提升远远不能满足预计的需求。因而，开发一种高压电机用主动散热的新型合金材料是目前工业领域亟待解决的难题。

相比铝合金而言，铜合金由于具有更高的传热系数在散热领域有着更为广泛的用途。目前而言，国内外已经开展了对高压电机用散热材料的研发和产业化。但是，这些材料还属于传统的合金材料范围，也就是靠添加适量的合金元素来提高材料的导热系数。这种现有的设计思路在提升高压电机通常工作下的散热性能时，起到了很好的作用。但是，当高压电机中有瞬时大热流产生时，例如内部短路或者由于内部电弧导致的局部高温，在极短时间内并不能表现出明显的降温效果。为了克服这些行业难题，本专利提供了一种高压电机散热用铜基自冷却材料及其工艺。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺。在熔体的冷却过程中，该材料由于发生了液相的调幅分解而分为两种成分不同的液态，随后这两种液态冷却形成了高熔点相和低熔点相。在电机的工作过程中，短时大热流的产生会使得低熔点相发生熔化，变成包裹在骨架状的高熔点相中的液态金属，构成了本专利的自冷却效应。同时，该材料形成的液相可以在不熔化的骨架中进行自然对流而进一步增加散热的效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺。按重量百分比计,该合金组成为：Cr:1.0-1.2wt.%,Ga:0.4-0.6wt.%,Ge:0.5-0.8wt.%,V:0.2-0.5wt.%,Sn:12.0-15.0wt.%,Bi:4.0-5.0wt.%,Pb:12.0-18.0wt.%,Te:0.2-0.3wt.%,余量为铜。

上述一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料的制备和使用方法，包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的质量百分比进行原料的称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在1150-1200度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却;（c）去应力退火：氩气保护的非真空炉内在200-250度保温2.0-2.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）高压电机由于自身工作的特点而使得对高端散热的需求非常旺盛，因此在设计相关的散热材料时必须根据极限条件下的工作状况来设计合金的成分，组织和性能。通过对微观组织的调控来提高工作条件下的极限散热性能。目前常用的高导热铜合金，在使用过程中是依靠高的传热系数来提升散热性能，这在高压电机的正常工作条件下是非常有效的，但是当电机面临短时大热流的状况下并不能在短时间内吸收或者传递出大量的热量。从材料学的角度来看，目前在国内外并没有一款性创新的铜基散热合金材料。因而本专利从实际出发提出了一种用于高压电机的铜基自冷却材料及其工艺。

（2）该材料由两部分组成，其中一部分是高熔点相，另外一部分是低熔点相。这两相是由液相在冷却的过程中发生调幅分解产生的两种不同成分的液相而分别冷却形成的。在高压电机正常的工作温度下，高熔点相并不会发生熔化而在材料中作为骨架存在。同时，低熔点相在高压电机中产生短时高热流的情况下会发生熔化而变为可以在高熔点骨架相中流动的液态金属。这些流动的低熔点相不仅会在熔化的过程中吸收大量的热量，也会由于流体的性能（高传热系数和由于温度差产生的自然对流）进一步加快传热的效率。

（3）本专利申请保护的合金材料，其液相的熔点范围为850-920度。当该液相在冷却过程中发生调幅分解而产生的两相中，其中高熔点相的熔点范围为620-740度，而低熔点相的熔点范围为130-210度。同时，在凝固后，高熔点相占的体积分数为75-80%。因而在高压电机工作中，即使低熔点相由于短时大热流的产生而发生熔化后，这些高熔点相作为骨架还可以完全包裹住这些熔化的液态金属（也就是低熔点相），有效地防止了侧漏的发生。

（4）由于进行了材料学上的优化，低熔点相具有非常优异的熔化热（25-30kJ/mol）。在高压电机由于短路或者感应电流等原因产生大热流的情况下可以很快的将这些热量很大程度的吸收掉，从而进一步降低局部的温度。该材料的骨架相，也就是高熔点相，具有非常优异的传热性能（传热系数为320-350 W/(m·K)）。因而在低熔点相熔化后，这些骨架相还可以作为高导热的通道将体系内产生的短时大热流极快的导出体系。这种设计思路是本专利的核心内容，也是自冷却材料的工作机理。

（5）在铸造过程中，该合金起始熔体温度为1150-1200度，而该合金的熔点温度为850-920度。因而在铸造的降温过程中，该材料不会发生局部的快速冷却而使得两个液相发生分离。这在微观上保证了最终得到的组织中高熔点相和低熔点相是均匀分布的。此外，该材料可以完全克服传统铸造铜合金在铸造时热裂倾向大，铸造孔洞和疏松明显，以及废品料及渣料回用性差等技术难题。由于冶炼和加工过程简单，可以充分利用现有的生产设备和工具。当产业化后，由于能解决产业难题还能带来明显的经济效益和社会效益。

具体实施方式

实施例1

一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺。按重量百分比计,该合金组成为: Cr:1.1wt.%,Ga:0.4wt.%,Ge:0.6wt.%,V:0.3wt.%,Sn:13.0wt.%,Bi:4.2wt.%,Pb:12.5wt.%,Te:0.2wt.%,余量为铜。

上述一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料的制备和使用方法，包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的质量百分比进行原料的称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在1150度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却;（c）去应力退火：氩气保护的非真空炉内在210度保温2.0小时。

该合金材料其液相的熔点为860度。当该液相在冷却过程中发生调幅分解而产生的两相中，其中高熔点相的熔点为650度，而低熔点相的熔点为160度。同时，在凝固后，高熔点相占的体积分数为78%。因而在高压电机工作中，即使低熔点相由于短时大热流的产生而发生熔化后，这些高熔点相作为骨架还可以完全包裹住这些熔化的液态金属（也就是低熔点相），有效地防止了侧漏的发生。低熔点相具有非常优异的熔化热（28kJ/mol）。该材料的骨架相，也就是高熔点相，具有非常优异的传热性能（传热系数为340W/(m·K)）。因而在低熔点相熔化后，这些骨架相还可以作为高导热的通道将体系内产生的短时大热流极快的导出体系。

实施例2

一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Cr:1.2wt.%,Ga:0.5wt.%,Ge:0.7wt.%,V:0.4wt.%,Sn:14.0wt.%,Bi:4.8wt.%,Pb:15.0wt.%,Te:0.3wt.%,余量为铜。

上述一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料的制备和使用方法，包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的质量百分比进行原料的称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在1200度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却;（c）去应力退火：氩气保护的非真空炉内在240度保温2.1小时。

该合金材料其液相的熔点为910度。当该液相在冷却过程中发生调幅分解而产生的两相中，其中高熔点相的熔点为700度，而低熔点相的熔点为180度。同时，在凝固后，高熔点相占的体积分数为76%。因而在高压电机工作中，即使低熔点相由于短时大热流的产生而发生熔化后，这些高熔点相作为骨架还可以完全包裹住这些熔化的液态金属（也就是低熔点相），有效地防止了侧漏的发生。低熔点相具有非常优异的熔化热（28kJ/mol）。该材料的骨架相，也就是高熔点相，具有非常优异的传热性能（传热系数为325W/(m·K)）。因而在低熔点相熔化后，这些骨架相还可以作为高导热的通道将体系内产生的短时大热流极快的导出体系。

实施例3

一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Cr:1.0wt.%,Ga:0.6wt.%,Ge:0.6wt.%,V:0.3wt.%,Sn:13.5wt.%,Bi:4.5wt.%,Pb:15.0wt.%,Te:0.2wt.%,余量为铜。

上述一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料的制备和使用方法，包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的质量百分比进行原料的称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在1180度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却;（c）去应力退火：氩气保护的非真空炉内在230度保温2.4小时。

该合金材料其液相的熔点为890度。当该液相在冷却过程中发生调幅分解而产生的两相中，其中高熔点相的熔点为740度，而低熔点相的熔点为140度。同时，在凝固后，高熔点相占的体积分数为79%。因而在高压电机工作中，即使低熔点相由于短时大热流的产生而发生熔化后，这些高熔点相作为骨架还可以完全包裹住这些熔化的液态金属（也就是低熔点相），有效地防止了侧漏的发生。低熔点相具有非常优异的熔化热（26kJ/mol）。该材料的骨架相，也就是高熔点相，具有非常优异的传热性能（传热系数为352W/(m·K)）。因而在低熔点相熔化后，这些骨架相还可以作为高导热的通道将体系内产生的短时大热流极快的导出体系。

Claims

1.一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料及其工艺，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Cr:1.0-1.2wt.%,Ga:0.4-0.6wt.%,Ge:0.5-0.8wt.%,V:0.2-0.5wt.%,Sn:12.0-15.0wt.%,Bi:4.0-5.0wt.%,Pb:12.0-18.0wt.%,Te:0.2-0.3wt.%,余量为铜。

2.根据权利要求1所述一种100-200度高压电机散热用铜基自冷材料的冶炼和加工方法，其特征在于包含如下步骤：（a）配料：按照如上的质量百分比进行原料的称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在1150-1200度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却;（c）去应力退火：氩气保护的非真空炉内在200-250度保温2.0-2.5小时。