浅谈提高高功率密度电机制造质量的方法

引言

很多国内外客户已将功率密度作为衡量电机厂技术水平高低和电机产品先进性的重要指标。高功率密度电机因具有体积小、重量轻、输出功率大等诸多优点,在矿山、冶金、石化、建材、造纸等工业领域运用越来越广泛。

为了提高电机的功率密度,就要控制电机损耗、温升等性能参数,并研究优化这些参数以提升性能的方法,保证电机的可靠和高效运行。为了满足电机性能方面的需要,高功率密度电机的定子机座、定子铁芯、转子等部件结构与常规电机相比变化较大,制造能力要求大大提高。

1高功率密度电机设计特点

我司有两种高功率密度电机设计方案,主要区别在于定子铁芯的固定方式,一种是沿用传统的套入式定子铁芯,另一种是使用吊入式定子铁芯,两种设计各有其优点。本文以吊入式定子铁芯结构鼠笼电机为例,阐述此类电机的制造难点。

我司为某压缩机厂制造的一台高功率密度异步电机,型号YKS450-22000kW/11kV/60Hz,电机转速3585r/min,转子线速度很高。定子铁芯采用拉紧螺杆固定结构,冲片外圆不与筋焊接,片间绝缘不会因焊接受到损伤,减小了铁芯的涡流损耗,从而降低了电机的铁耗,提高了电机效率。铁芯和机座侧板不接触,定子铁芯的电磁力引起的振动通过定子铁芯底脚板向机座下部底脚板传递,能够很好地减小电机振动。机座采用双层薄板并增加加强筋加固的结构,这样的设计保证了机座必要的刚度,降低了电机噪声,也大大减轻了机座的重量。

2高功率密度电机制造难点

2.1定子铁芯刚度

定子铁芯是通过螺杆紧固的,片间压力和剩余压力给定子提供了一定的刚性,但这种刚性是有限的。定子铁芯压圈的平面加工精度要高,要保证铁芯的压装力均匀。定子铁芯4个底脚板打孔后再焊接,焊接时使用图1所示的工装固定,焊好以后以铁芯内孔为基准车削底脚板平面。铁芯的压装力、剩余片间压力的保证及底脚板的安装细节等尤为重要,施工前一定要做好相关工艺准备。

图1底脚板焊接固定工装

2.2定子机座焊接、加工

我司机座采用双层薄板并增加加强筋加固的结构,大量薄板件的使用在降低机座重量的同时也提高了机座的焊接难度,薄板件的焊接热变形较大,合理的焊接工艺和防变形措施显得尤为重要。焊接前需要使用固定工装支撑机座内部,保证焊接后的机座内部尺寸。机座内部与定子铁芯接触的平板焊接前需要单面铣平加工并加工焊接工艺孔,保证平板与底脚板接触面紧实、焊接牢固。

高功率密度电机机座两端止口不能像普通箱式电机机座一样通过立车加工,我司是在瞠铣床上通过回转工作台调头加工,为使调头加工时有基准,在机座表面要增加辅助加工基准(见图2序号①处）。高功率密度电机机座高度降低、铁芯增大会造成端盖止口到机座顶部距离小,顶部刚性差,加工时需要增加辅助筋(见图2序号②处）,加工后再取掉,防止加工时机座两端止口内孔变形和止口平面振刀。

2.3定子线圈及嵌线

吊入式定子结构,定子铁芯只有下面固定,铁芯固定强度有所下降,尤其要注意主绝缘和绕组线圈端部鼻部固定应采用更有效的技术措施。为保证良好的外观、改善端部线圈受力情况,定子线圈使用进口Vincent数控涨型机成型,保证线圈形状的一致性。为提高电磁线匝间可靠性,调整电磁线匝间绝缘厚度,定子线圈直线部分主绝缘采用进口Bartech机器人包带机,可有效解决国产包带机绝缘包扎时云母带不服帖、褶皱现象,定子线圈直线及端部采用防电晕材料,绕组端部刷高阻防晕漆,可有效解决起晕问题。改进线圈胶化工艺,优化线圈成型情况,线圈端部采用热膨胀材料塞紧并使用硬端箍加软端箍双重保障的固定方法。

2.4轴加工

这种电机转子轴一般采用光轴,功率很大时会采用筋板轴,轴与铁芯配合的档位不要加工,等冲片加工后测量内孔尺寸再配加工热套位置的尺寸。为保证铁芯与轴更大的接触面积,轴热套位置使用磨床加工。高密度功率电机轴比较细长,一定要根据工件实际尺寸制订加工工艺,严格控制进刀量,预防加工应力变形。轴承档磨加工时预留0.01mm左右的加工余量,轴加工后采用豪克能设备再次加工轴承档,以降低轴承档表面粗糙度,提高轴承档表面硬度,增加电机运行稳定性:此外,整轴豪克能加工还可以降低轴表面应力,提高轴的疲劳强度。

2.5转子笼条及端环的保护

电机在启动和运行时离心力、电磁力、热应力较大,笼条和端环等旋转部件很容易因上述作用力的存在而产生变形损坏,尤其是高速、高功率密度电机故障更多,所以对笼条、端环的保护尤为重要。端环采用中频焊接,以减小焊接热影响区,避免产生裂缝和气孔,焊接时也不会损坏铁芯绝缘,以免转子铁耗增加。端环上加工焊接槽,使笼条与端环焊缝饱满,保证焊接处接头面积,保证启动运行情况下流过接头处的电流不会使该处过热。采用落轴式护环,将端环通过护环与轴连接到一起,考虑热变形因素,护环与轴之间预留一定的间隙,这样可以将端环的变形量控制在极小的范围内,避免端环变形过大导致转子不平衡量增加而引起电机振动。

2.6定子装配

吊入式定子铁芯进入机座后需要调整位置,保证机座和铁芯的同心度,进而保证电机装配后气隙的均匀度。铁芯安装精度调整不好会引起电机异常噪声和振动,长期运行还会影响到电机寿命。传统的方式是靠加工保证和人工调整后再上机床检测的方式来调整定子铁芯的位置,不但调整效率不高,而且调整精度也会受到安装工人技术、机床操作工的技术及机床精度的影响,而使用激光跟踪仪可以快速方便地调整定子铁芯位置,通过在线检测铁芯内圆、机座两端止口内圆同心度可以快速判断调整位置,保证铁芯内圆与机座两端止口内圆同心度在0.2mm以内(图3）,此种调整方法不但调整效率高,而且安装精度也很高。

图3定子装配图

2.7预防定子铁芯、机座变形

由于定子铁芯固定结构的改变及机座减重的需要,操作中如果不注意相关工艺细节,容易造成机座、定子铁芯变形,导致振动、异响等故障的发生,还会造成电机性能的下降,进而影响电机寿命。

定子铁芯叠压后翻身时用一端的两个螺孔翻身,且必须带定位棒一起翻身,不允许将定位棒拆除后翻身。其他工序吊运过程必须利用定子压圈上对称的4个吊装孔起吊,以免定子铁芯吊运变形。铁芯叠压后焊接底脚板时就要安装定子铁芯固定工装,这样不但能保证焊接时脚孔位置精度,更能预防定子铁芯变形。

定子嵌线需要使用滚动圆盘（见图4序号④处）,将滚动圆盘把合在定子压圈上辅助滚动嵌线。浸漆需要设计浸漆支架对定子底脚面进行水平支撑,采用卧式浸漆、烘焙。

机座加工后到电机装配整个流转过程中必须进行4点起吊。翻身必须在橡胶平台或木制平台上进行,机座加工检验合格后不允许再翻身。

图4带嵌线圆盘的定子铁芯示意图

3结语

采用上述工艺生产电机,样机装机前通过检查确认定子铁芯内圆跳动<0.2mm,机座两端止口圆跳动<0.1mm,定子嵌线和机座组合后检测两端止口与定子铁芯内孔同心度<0.2mm。电机生产后进行试验验证,电机轴承振动、机身振动均小于1.0mm/S,电阻法测定子绕组温升54K,电机效率96.66%,各项性能指标均远远超过国家标准。

日常制造过程中需要加倍关注定子铁芯的保护,防止定子铁芯变形影响定子同心度的调整。机座加工后必须采用4点起吊,防止机座止口内圆因起吊原因而产生变形。线圈加工主要关注匝间及成型质量,嵌线主要关注线圈的安装固定。轴加工、机座加工、转子加工要注意形位公差的控制及表面质量的提升。通过多批次电机制造试验结果分析,上述制造工艺已经成熟。