CN113098163B - 一种高转速电动机用铸铜转子的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高转速电动机用铸铜转子及其制备方法，所述铸铜转子由硅钢片、铜条和两侧铜端环结构组成，铸铜转子两侧分别设有两个导电环、远端强度环和近端强度环，两个导电环分别成型在远端强度环和近端强度环的内侧；所述强度环采用一定含量的碳纳米管增强体与铜粉的复合粉末经放电等离子烧结成型，在压射前放入压铸模具型腔中的相应位置，通过压铸成型，制备出具有高强高导的强度环结构的铸铜转子。本发明所述方法制备的铸铜转子兼具了铜转子的高导电性，同时利用强度环使其具有高强度，保证了铜的高导热性能和高导电性,满足高转速电动机的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种高转速电动机用铸铜转子及其制备方法，属于高转速电动机用铸铜转子制造技术领域。
背景技术
随着铜转子在高转速电动机领域的应用，对铸铜转子提出了高强高导的要求，虽然纯铜具有高的导电率，但其屈服强度不到80MPa，抗拉强度也约在200MPa左右，另一方面，用于电动汽车的电动机运行过程中，转速超过10000转/分钟，电机运行环境温度超过100℃，用于主轴行业的电动机的运行转速超过20000转/分钟,或高至30000转/分钟。在这种高转速运行条件下，运行温度也随之升高，对材料性能的影响较大。考虑到转子的使用环境，一般会在铜端环周围加装强度高的加强环，以增加电动机端环在使用过程中的强度，但这种方式会增加电机的重量，由于钢的加强环的导热性能差使得端环的散热性能也较差。因此，需要一种具有高强高导的铜端环转子来解决上述问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供了一种不增加外置结构的具有高强高导铜端环的铜转子，所述铸铜转子包括导电环1、远端强度环2、硅钢片3、铜条4、近端强度环5组成，铸铜转子由设置有一定形状的转子槽的硅钢片3迭装形成，相邻两个硅钢片3一致对齐，转子槽内通过铜条4填充，铸铜转子两侧分别设有两个导电环1、远端强度环2和近端强度环5，两个导电环1分别成型在远端强度环2和近端强度环5的内侧，导电环1外径与远端强度环2和近端强度环5内径相同，其中导电环1与硅钢片3中的铜条4为一体，在压铸过程中一次成形，与远端强度环2和近端强度环5共同组成铸铜转子端环，导电环1与铜条4截面形成类似“工”字型连接，将远端强度环2、近端强度环5和硅钢片紧密固定在一起，成为具有强度环结构的铸铜转子，在远端强度环2和近端强度环5的内侧台阶上设置有与硅钢片槽数和分布一致的孔10；如图1所示，该铸铜转子具有纯铜的高导电和高导热性能的同时，拥有高的屈服强度，具备了高强高导的特点。
本发明的另一目的在于提供所述高转速电动机用铸铜转子的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）制备铜基复合粉末：
①将碳纳米管进行酸化处理并冷冻干燥后，在加热和超声搅拌的辅助下，按固液比为1:5的比例将液浓度≥0.1mol/L的硝酸铜溶液倒入酸化过的碳纳米管中，进行冷冻干燥后在管式炉中进行煅烧及热分解，得到填充有铜的碳纳米管；
②然后进行敏化、活化处理，处理好后倒入配制好的铜盐溶液中搅拌混合均匀，抽滤及干燥后得到包覆有铜的碳纳米管；
③包覆有铜的碳纳米管与铜粉混合并在球磨机中进行球磨、抽滤，然后在管式炉中还原，还原结束后得到铜基复合粉末，其中包覆有铜的碳纳米管的体积分数为0.5%-3%；
（2）强度环的制备：将制备好的铜基复合粉末放入烧结模具中，通过放电等离子烧结炉中进行烧结得到强度环；该强度环导电率≥90%IACS，屈服强度达到220MPa，具有高强度高导电性。
本发明所述方法中碳纳米管的酸化、敏化、活化过程均为常规方法，可参考现有文献。
（3）转子压铸成型：
①先将烧结成型的强度环放入压铸成型模具的动模镶块和静模模具镶块组成的型腔中，并将强度环上设置的定位销放入动模镶块和静模镶块模具上设置的凹槽中，用于固定强度环的位置；
②将预热好的硅钢片放入模具型腔中，用定位销插入硅钢片转子槽孔使转子槽孔与强度环上的孔保持同心，将模具合模，将铜含量达到99.95%以上的铜熔化至工艺温度，浇入压铸模的压室中，按设定压铸工艺压铸成型；
③压铸成型后取出转子入水冷却，去除浇道系统，获得了含有高强度强度环的铸铜转子。
优选的，本发明步骤（1）中超声搅拌时加热温度为20-100℃；煅烧气氛为N2或Ar2，煅烧温度为200-600℃，煅烧时间为1-5小时。
优选的，本发明步骤（1）中铜盐溶液为质量分数0.6%-2.4%的五水硫酸铜溶液，加氢氧化钠调节pH为8-13。
优选的，本发明步骤（1）中球磨机转速为300rpm，球磨时间为5-10小时；管式炉还原气氛为氮氢混合气，还原温度为200-300℃，还原时间为3-8小时。
优选的，本发明骤（2）中烧结温度为500-800℃，烧结压力为10-50Mpa，烧结工艺处理10-60分钟。
优选的，本发明步骤（2）所述烧结模具材料为石墨，上模6凸台上设置有转子结构相同的拔模角度，为3~6°，外模7设置为两半的哈弗模具或多半哈弗模具，与上模6凸台相配合设计拔模角度,为3~6°,销子8长度设计为铺粉所需高度，在下模9与硅钢片槽孔位置相同的尺寸上设置相应数量的孔，孔的深度大于销子高度,压力下进行烧结时，定位销可以随着铜基复合粉末压实的速度让位到下模9的孔中，保证强度环的致密度。
优选的，本发明步骤（2）中烧结模具下模9上的孔设计为圆孔或其它具有一定形状的孔。
优选的，本发明步骤（2）中下模9按压铸模设计所需内浇口位置的孔设计为方孔,并在相应位置上设计方销,烧结后在远端强度环上烧结出相应数量的内浇口预留方孔，一般为1个片状方孔或多个方孔。
本发明的有益效果：
和现有通过在铸铜转子端环外圆加装钢质强度环的技术相比，本发明通过端环强度环的结构设计，使铸铜转子具有高强度的特点，同时铜端环的强度环具有高导电性和高的导热性能，不仅减少了加装钢质强度环零件，而且转子电机的散热效果提升，降低了电动机运行温度，大幅提高了电动机的高转速运行的寿命。此外，本发明所述强度环导电率≥90%IACS，屈服强度达到220MPa，具有高强度高导电性。
附图说明
图1为本发明的高强高导铸铜转子剖面图；
图2为高强高导铸铜转子远端强度环烧结用模具图；
图3为高强高导铸铜转子近端强度环结构示意图；
图4为高强高导铸铜转子远端端强度环结构示意图。
1-导电环；2-远端强度环；3-硅钢片；4-铜条；5-近端强度环；6-上模；7-外模；8-销子；9-下模；10-孔；11-定位销；12-浇口预留孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种不增加外置结构的具有高强高导铜端环的铜转子，所述铸铜转子包括导电环1、远端强度环2、硅钢片3、铜条4、近端强度环5组成，铸铜转子由设置有一定形状的转子槽的硅钢片3迭装形成，相邻两个硅钢片3一致对齐，转子槽内通过铜条4填充，铸铜转子两侧分别设有两个导电环1、远端强度环2和近端强度环5，两个导电环1分别成型在远端强度环2和近端强度环5的内侧，导电环1外径与远端强度环2和近端强度环5内径相同，其中导电环1与硅钢片3中的铜条4为一体，在压铸过程中一次成形，与远端强度环2和近端强度环5共同组成铸铜转子端环，导电环1与铜条4截面形成类似“工”字型连接，将远端强度环2、近端强度环5和硅钢片紧密固定在一起，成为具有强度环结构的铸铜转子，在远端强度环2和近端强度环5的内侧台阶上设置有与硅钢片槽数和分布一致的孔10；如图1所示，该铸铜转子具有纯铜的高导电和高导热性能的同时，拥有高的屈服强度，具备了高强高导的特点。
实施例2
一种高转速电动机用铸铜转子的制备方法，所述铸铜转子的结构与实施例1相同，具体包括以下步骤：
（1）制备铜基复合粉末：
①将碳纳米管进行酸化处理并冷冻干燥后，在60℃和超声搅拌的辅助下，按固液比为1:5的比例将液浓度0.1mol/L的硝酸铜溶液倒入酸化过的碳纳米管中，进行冷冻干燥后在管式炉中进行煅烧及热分解，得到填充有铜的碳纳米管；其中，煅烧气氛为N2或Ar2，煅烧温度为600℃，煅烧时间为1小时。
②然后进行敏化、活化处理，处理好后倒入配制好的质量分数0.605%的五水硫酸铜溶液（加氢氧化钠调节pH为8）中搅拌混合均匀，抽滤及干燥后得到包覆有铜的碳纳米管。
③包覆有铜的碳纳米管与铜粉混合并在球磨机中进行球磨、抽滤，球磨机转速为300rpm，球磨时间为5小时；然后在管式炉中还原，还原温度为200℃，还原时间为8小时，还原气氛为氮氢混合气；还原结束后得到铜基复合粉末，其中包覆有铜的碳纳米管的体积分数为0.5%。
（2）强度环的制备：将制备好的铜基复合粉末放入烧结模具中，通过放电等离子烧结炉中进行烧结得到强度环，烧结温度为500℃，烧结压力为10Mpa，烧结工艺处理60分钟；该强度环导电率92.5%IACS，屈服强度达到272MPa，具有高强度高导电性。
所述烧结模具材料为石墨模具，如图2所示，上模6凸台上设置有转子结构相同的拔模角度，为3~6°，外模7设置为两半的哈弗模具或多半哈弗模具，与上模6凸台相配合设计拔模角度,为3~6°,销子8长度设计为铺粉所需高度，在下模9与硅钢片槽孔位置相同的尺寸上设置相应数量的孔，孔的深度大于销子高度,压力下进行烧结时，定位销可以随着铜基复合粉末压实的速度让位到下模9的孔中，保证强度环的致密度；烧结模具下模9上的孔设计为圆孔或其它具有一定形状的孔；下模9按压铸模设计所需内浇口位置的孔设计为方孔,并在相应位置上设计方销,烧结后在远端强度环上烧结出相应数量的内浇口预留方孔，一般为1个片状方孔或多个方孔。
（3）转子压铸成型：
①先将烧结成型的强度环放入压铸成型模具的动模镶块和静模模具镶块组成的型腔中，并将强度环上设置的定位销放入动模镶块和静模镶块模具上设置的凹槽中，用于固定强度环的位置。
②将预热好的硅钢片放入模具型腔中，用定位销插入硅钢片转子槽孔使转子槽孔与强度环上的孔保持同心，将模具合模，将铜含量达到99.95%以上的铜熔化至工艺温度，浇入压铸模的压室中，按设定压铸工艺压铸成型。
③压铸成型后取出转子入水冷却，去除浇道系统，获得了含有高强度强度环的铸铜转子。本实施例获得的铸铜转子具备强度环所具有的高强度和纯铜的高导电率。
实施例3
一种高转速电动机用铸铜转子的制备方法，所述铸铜转子的结构与实施例1相同，具体包括以下步骤：
（1）制备铜基复合粉末：
①将碳纳米管进行酸化处理并冷冻干燥后，在80℃和超声搅拌的辅助下，按固液比为1:5的比例将液浓度0.8mol/L的硝酸铜溶液倒入酸化过的碳纳米管中，进行冷冻干燥后在管式炉中进行煅烧及热分解，得到填充有铜的碳纳米管；其中，煅烧气氛为N2或Ar2，煅烧温度为400℃，煅烧时间为3小时。
②然后进行敏化、活化处理，处理好后倒入配制好的质量分数2%的五水硫酸铜溶液（加氢氧化钠调节pH为10）中搅拌混合均匀，抽滤及干燥后得到包覆有铜的碳纳米管。
③包覆有铜的碳纳米管与铜粉混合并在球磨机中进行球磨、抽滤，球磨机转速为300rpm，球磨时间为10小时；然后在管式炉中还原，还原温度为300℃，还原时间为3小时，还原气氛为氮氢混合气；还原结束后得到铜基复合粉末，其中包覆有铜的碳纳米管的体积分数为3%。
（2）强度环的制备：将制备好的铜基复合粉末放入烧结模具中，通过放电等离子烧结炉中进行烧结得到强度环，烧结温度为800℃，烧结压力为50Mpa，烧结工艺处理10分钟；该强度环导电率91.9%IACS，屈服强度达到253MPa，具有高强度高导电性。
所述烧结模具材料为石墨模具，结构与实施例2相同。
（3）转子压铸成型：采用发明专利ZL 2007 1 0066135.8《一种感应式电机铜鼠笼转子的压铸方法及压铸装置》中的压铸装置和压铸方法进行转子压铸成型；本实施例获得的铸铜转子具备强度环所具有的高强度和纯铜的高导电率。
实施例4
一种高转速电动机用铸铜转子的制备方法，所述铸铜转子的结构与实施例1相同，具体包括以下步骤：
（1）制备铜基复合粉末：
①将碳纳米管进行酸化处理并冷冻干燥后，在100℃和超声搅拌的辅助下，按固液比为1:5的比例将液浓度1.6mol/L的硝酸铜溶液倒入酸化过的碳纳米管中，进行冷冻干燥后在管式炉中进行煅烧及热分解，得到填充有铜的碳纳米管；其中，煅烧气氛为N2或Ar2，煅烧温度为200℃，煅烧时间为5小时。
②然后进行敏化、活化处理，处理好后倒入配制好的质量分数2.4%的五水硫酸铜溶液（加氢氧化钠调节pH为13）中搅拌混合均匀，抽滤及干燥后得到包覆有铜的碳纳米管。
③包覆有铜的碳纳米管与铜粉混合并在球磨机中进行球磨、抽滤，球磨机转速为300rpm，球磨时间为8小时；然后在管式炉中还原，还原温度为250℃，还原时间为6小时，还原气氛为氮氢混合气；还原结束后得到铜基复合粉末，其中包覆有铜的碳纳米管的体积分数为2%。
（2）强度环的制备：将制备好的铜基复合粉末放入烧结模具中，通过放电等离子烧结炉中进行烧结得到强度环，烧结温度为600℃，烧结压力为30Mpa，烧结工艺处理40分钟；该强度环导电率92.5%IACS，屈服强度达到260MPa，具有高强度高导电性。
所述烧结模具材料为石墨模具，结构与实施例2相同。
（3）转子压铸成型：采用发明专利ZL 2007 1 0066135.8《一种感应式电机铜鼠笼转子的压铸方法及压铸装置》中的压铸装置和压铸方法进行转子压铸成型，本实施例获得的铸铜转子具备强度环所具有的高强度和纯铜的高导电率。
Claims (8)
1.一种高转速电动机用铸铜转子的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）制备铜基复合粉末：
①将碳纳米管进行酸化处理并冷冻干燥后，在加热和超声搅拌的辅助下，按固液比为1:5的比例将液浓度≥0.1mol/L的硝酸铜溶液倒入酸化过的碳纳米管中，进行冷冻干燥后在管式炉中进行煅烧及热分解，得到填充有铜的碳纳米管；
②然后进行敏化、活化处理，处理好后倒入配制好的铜盐溶液中搅拌混合均匀，抽滤及干燥后得到包覆有铜的碳纳米管；
③包覆有铜的碳纳米管与铜粉混合并在球磨机中进行球磨、抽滤，然后在管式炉中还原，还原结束后得到铜基复合粉末，其中包覆有铜的碳纳米管的体积分数为0.5%-3%；
（2）强度环的制备：将制备好的铜基复合粉末放入烧结模具中，通过放电等离子烧结炉中进行烧结得到强度环；
（3）转子压铸成型：
①先将烧结成型的强度环放入压铸成型模具的动模镶块和静模模具镶块组成的型腔中，并将强度环上设置的定位销放入动模镶块和静模镶块模具上设置的凹槽中，用于固定强度环的位置；
②将预热好的硅钢片放入模具型腔中，用定位销（11）插入硅钢片转子槽孔使转子槽孔与强度环上的孔保持同心，将模具合模，将铜含量达到99.95%以上的铜熔化至工艺温度，浇入压铸模的压室中，按设定压铸工艺压铸成型；
③压铸成型后取出转子入水冷却，去除浇道系统，获得了含有高强度强度环的铸铜转子；
所述铸铜转子包括导电环（1）、远端强度环（2）、硅钢片（3）、铜条（4）、近端强度环（5）组成，铸铜转子由设置有一定形状的转子槽的硅钢片（3）迭装形成，相邻两个硅钢片（3）一致对齐，转子槽内通过铜条（4）填充，铸铜转子两侧分别设有两个导电环（1）、远端强度环（2）和近端强度环（5），两个导电环（1）分别成型在远端强度环（2）和近端强度环（5）的内侧，导电环（1）外径与远端强度环（2）和近端强度环（5）内径相同，其中导电环（1）与硅钢片（3）中的铜条（4）为一体，在压铸过程中一次成形，与远端强度环（2）和近端强度环（5）共同组成铸铜转子端环，导电环（1）与铜条（4）截面形成类似“工”字型连接，将远端强度环（2）、近端强度环（5）和硅钢片紧密固定在一起，成为具有强度环结构的铸铜转子，在远端强度环（2）和近端强度环（5）的内侧台阶上设置有与硅钢片槽数和分布一致的孔（10）。
2.根据权利要求1所述高转速电动机用铸铜转子的制备方法，其特征在于：步骤（1）中超声搅拌时加热温度为20-100℃；煅烧气氛为N2或Ar2，煅烧温度为200-600℃，煅烧时间为1-5小时。
3.根据权利要求1所述高转速电动机用铸铜转子的制备方法，其特征在于：步骤（1）中铜盐溶液为质量分数0.6%-2.4%的五水硫酸铜溶液，加氢氧化钠调节pH为8-13。
4.根据权利要求1所述高转速电动机用铸铜转子的制备方法，其特征在于：球磨机转速为300rpm，球磨时间为5-10小时；管式炉还原气氛为氮氢混合气，还原温度为200-300℃，还原时间为3-8小时。
5.根据权利要求1所述高转速电动机用铸铜转子的制备方法，其特征在于：步骤（2）中：烧结温度为500-800℃，烧结压力为10-50Mpa，烧结工艺处理10-60分钟。
6.根据权利要求1所述高转速电动机用铸铜转子的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述烧结模具材料为石墨，上模（6）凸台上设置有转子结构相同的拔模角度，为3~6°，外模（7）设置为两半的哈弗模具或多半哈弗模具，与上模（6）凸台相配合设计拔模角度,为3~6°,销子（8）长度设计为铺粉所需高度，大于设计的强度环台阶高度；在下模（9）与硅钢片槽孔位置相同的尺寸上设置相应数量的孔，孔的深度等于销子高度减去导电环上相应位置的高度尺寸,压力下进行烧结时，定位销可以随着铜基复合粉末压实的速度让位到下模（9）的孔中，保证强度环的致密度。
7.根据权利要求6所述高转速电动机用铸铜转子的制备方法，其特征在于：步骤（2）中烧结模具下模（9）上的孔设计为圆孔或其它具有一定形状的孔。
8.根据权利要求7所述高转速电动机用铸铜转子的制备方法，其特征在于：步骤（2）中下模（9）按压铸模设计所需内浇口位置的孔设计为方孔,并在相应位置上设计方销,烧结后在远端强度环上烧结出相应数量的内浇口预留孔（12）。
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