非磁性引拔槽楔的樹(shù)脂優(yōu)化及試驗(yàn)研究

李仁黑　薛長(zhǎng)志　王粉婷　文敏

摘 要：本文從選用高耐熱等級(jí)和高強(qiáng)度的樹(shù)脂原材料出發(fā)，研究了亞胺改性前、后的乙烯基樹(shù)脂對(duì)非磁性引拔槽楔機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明：利用亞胺改性后的乙烯基樹(shù)脂制造的非磁性引拔槽楔常、熱態(tài)機(jī)械性能均優(yōu)于乙烯基樹(shù)脂制造的非磁性引拔槽楔。

關(guān)鍵詞：非磁性引拔槽楔；改性樹(shù)脂；機(jī)械性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.032

1 引言

近年來(lái)風(fēng)電產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，風(fēng)電整機(jī)訂貨價(jià)格下降，倒逼發(fā)電機(jī)企業(yè)降本增效。為了節(jié)材降成本，提高槽楔機(jī)械性能可減少槽楔報(bào)廢數(shù)量從而達(dá)到降低成本目的，并且保證電機(jī)全壽命周期內(nèi)槽楔使用狀態(tài)的可靠性。

在電機(jī)中定子槽楔的主要作用是固定繞組線圈，防止定子槽內(nèi)繞組線圈松動(dòng)。槽楔最重要的機(jī)械性能為常、熱態(tài)下的抗劈性能和抗彎性能。定子槽楔通常有兩種：磁性槽楔和非磁性槽楔。電機(jī)使用磁性槽楔雖然存在鐵耗小、電機(jī)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于運(yùn)行期間容易掉磁粉、脫落而引發(fā)電機(jī)故障，故一般電機(jī)制造廠都很謹(jǐn)慎的選用。非磁性槽楔與空氣或絕緣的磁導(dǎo)率相當(dāng)，不產(chǎn)生磁拉力，只承受定子槽內(nèi)載流導(dǎo)體在槽內(nèi)漏磁場(chǎng)中所受安培電磁力傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的分力。由于非磁性槽楔的高可靠性，我司現(xiàn)制造的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)全部采用非磁性槽楔。但是在電機(jī)制造和運(yùn)行過(guò)程中，也偶爾出現(xiàn)槽楔開(kāi)裂和鼓包的現(xiàn)象，使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。

本文從工程實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，提出了一種使用高強(qiáng)度樹(shù)脂做原材料來(lái)提高非磁性引拔槽楔機(jī)械性能（主要指抗劈強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)）的方法，有效的提高了槽楔的機(jī)械性能和制造裕度，進(jìn)一步提升了電機(jī)非磁性引拔槽楔的使用溫度性和可靠性 。

2 槽楔用樹(shù)脂的選擇

2.1 樹(shù)脂的性能對(duì)比分析

一般通用性樹(shù)脂體系工藝性好，物理性能優(yōu)越，能滿足使用要求且成本較低。本文提到的用作非磁性槽楔膠粘劑的兩種樹(shù)脂均屬于固化收縮率低、高耐熱性能好、粘接性能優(yōu)越的環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂，其理化性能和機(jī)械性能見(jiàn)表1和表2。

從表2中可以看出：

（1）常態(tài)乙烯基樹(shù)脂的粘接力為98.6N，熱態(tài)下為12.2N，熱態(tài)保持率為12.4%；常態(tài)下亞胺改性乙烯基樹(shù)脂的粘接力為153.8N，熱態(tài)下為34.2N，熱態(tài)保持率為22.2%；

（2）常態(tài)下乙烯基樹(shù)脂塊的抗劈力為2939N，熱態(tài)下為230N，熱態(tài)保持率很低；常態(tài)下亞胺改性乙烯基樹(shù)脂塊的抗劈力為3903N，熱態(tài)下為1961N，熱態(tài)抗劈力保持率接近了50%。

（3）常熱態(tài)下亞胺改性后乙烯基樹(shù)脂的粘接力高于改性前，樹(shù)脂塊抗劈性能也有所提高，且機(jī)械性能熱態(tài)保持率得到明顯改善。

2.2 合成樹(shù)脂中亞胺樹(shù)脂占比對(duì)槽楔抗劈性能的影響

通常情況下，為了提高槽楔中乙烯基樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性，可以適當(dāng)增加樹(shù)脂中的剛性耐熱結(jié)構(gòu)如亞胺基團(tuán)、芳族基團(tuán)等[1-3]。合成樹(shù)脂中亞胺樹(shù)脂含量的比例不同，合成樹(shù)脂的耐熱溫度也有所不同，從而導(dǎo)致用合成樹(shù)脂制造的槽楔機(jī)械性能（尤其熱態(tài)下）差別很大。試驗(yàn)表明，亞胺樹(shù)脂含量在合成樹(shù)脂中占比達(dá)10%時(shí)，槽楔的機(jī)械性能也接近峰值，圖1為亞胺改性乙烯基樹(shù)脂中不同亞胺樹(shù)脂占比制得的槽楔的抗劈強(qiáng)度對(duì)比。

3 試驗(yàn)部分

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

電機(jī)的槽楔大多采用兩種方式安裝，一是手動(dòng)用榔頭敲進(jìn)鐵心槽，二是使用器械將槽楔推進(jìn)鐵心槽，兩種安裝方法槽楔受力均較大，槽楔端部受損和開(kāi)裂、定子烘焙后槽楔鼓包的情況時(shí)有發(fā)生，產(chǎn)品質(zhì)量受到影響，槽楔報(bào)廢率也較高。前期某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子非磁性引拔槽楔A（以下簡(jiǎn)稱(chēng)槽楔A）采用樹(shù)脂基體是熱穩(wěn)定性較好的乙烯基樹(shù)脂，優(yōu)化后的非磁性引拔槽楔B（以下簡(jiǎn)稱(chēng)槽楔B）考慮采用熱穩(wěn)定性更好的亞胺改性乙烯基樹(shù)脂[4]，改性后采用該樹(shù)脂成型的槽楔制品機(jī)械性能尤其是熱穩(wěn)定性得到很大的改善，這無(wú)疑為提高電機(jī)槽楔機(jī)械性能和運(yùn)行穩(wěn)定性提供了機(jī)遇。

3.2 引拔槽楔的制作工藝

非磁性引拔槽楔的制備工藝采用引拔成型[5]。引拔成型最重要的工藝參數(shù)包括溫度、壓力、引拔速度、牽引力和樹(shù)脂固化反應(yīng)。引拔成型的工作流程：

（1）合成樹(shù)脂、固化劑、脫模劑按照一定的比率混合，高速攪拌均勻，靜置約15～30min；

（2）在牽引力的拉力下，連續(xù)的碳纖維在樹(shù)脂基體中浸漬并進(jìn)入預(yù)成型模（模具溫度為150～160℃），預(yù)成型排除多余的樹(shù)脂后并壓實(shí)排除氣泡，熱量傳遞至液態(tài)的樹(shù)脂/碳纖維復(fù)合體系，交聯(lián)反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生，樹(shù)脂從復(fù)合材料的周邊向中心固化，控制牽引速度在1～1.1m/min；

（3）樹(shù)脂固化后體積收縮，使得復(fù)合材料與模具分開(kāi)，經(jīng)過(guò)脫模、在加熱爐中后固化（溫度為170～180℃）、冷卻等流程，最終下料切割成需要的長(zhǎng)度。

3.3 制樣及試驗(yàn)方法

3.3.1 試驗(yàn)制樣

采用3.2中工藝流程，分別采用上述乙烯基樹(shù)脂和亞胺改性乙烯基樹(shù)脂制備出槽楔A和槽楔B。

抗劈試樣的制作：取全寬試樣，試樣長(zhǎng)20mm±0.2mm，數(shù)量5個(gè)。

抗彎試樣的制作：取全寬試樣，長(zhǎng)80±2mm，厚度4mm，支座跨距間的長(zhǎng)度取64mm，數(shù)量5個(gè)。

3.3.2 試驗(yàn)方法

（1）非磁性引拔槽楔抗劈強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照《GB/T 10508-2005 中小電機(jī)用槽楔技術(shù)條件》第6.7項(xiàng)進(jìn)行抗劈性能試驗(yàn)； 抗劈試驗(yàn)時(shí)將試樣水平放置在試驗(yàn)裝置中，壓頭刃口方向與試樣纖維方向相同，以2mm/min速度施加負(fù)荷，直至試樣劈裂。

（2）非磁性引拔槽楔抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照《GB/T 9341-2008 塑料 彎曲性能的測(cè)定》進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)?？箯澰囼?yàn)時(shí)將試樣水平放置在支座上，支座跨距間的長(zhǎng)度取64mm，中心夾頭以5mm/min垂直壓向槽楔中部，直至試樣破壞。

（3）若要求在熱態(tài)下試驗(yàn)，則將試樣置于烘箱中加熱至穩(wěn)定的溫度20min后進(jìn)行抗劈和抗彎試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中烘箱門(mén)不得打開(kāi)。

3.4 試驗(yàn)儀器

50kN萬(wàn)能電子式萬(wàn)能拉力機(jī) ，深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司；

高低溫箱，深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司；

DGF315P可程式試驗(yàn)烘箱，重慶灝源環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

4 結(jié)果與討論

4.1 槽楔A和槽楔B的常、熱態(tài)機(jī)械性能對(duì)比分析

槽楔A和槽楔B的機(jī)械性能對(duì)比見(jiàn)表3和表4。

從表3和表4中可以看出：

（1）常態(tài)下槽楔A抗劈力為11923N，熱態(tài)下抗劈力為3698N，熱態(tài)保持率為31%；常態(tài)下槽楔B抗劈力為15540N，熱態(tài)下抗劈力為7661N，熱態(tài)保持率為49.3%；

（2）常態(tài)下槽楔A抗彎力為1123N，熱態(tài)下抗彎力為352N，熱態(tài)保持率為31.3%；常態(tài)下槽楔B抗彎力為1343N，熱態(tài)下抗彎力為980N，熱態(tài)保持率為72.8%；

（3）無(wú)論是常態(tài)還是熱態(tài)下，槽楔B的抗彎性能和抗劈性能均優(yōu)于槽楔A，且熱態(tài)保持率也相對(duì)較好。

4.2 槽楔機(jī)械強(qiáng)度的溫度特性

圖2和圖3分別是不同溫度下槽楔A和B的抗劈、抗彎性能對(duì)比。

5 結(jié)論

（1）采用亞胺改性乙烯基樹(shù)脂成型的槽楔在常態(tài)和熱態(tài)下的抗彎性能較改性前均有所提高；

（2）采用亞胺改性乙烯基樹(shù)脂成型的槽楔在常態(tài)和熱態(tài)下的抗劈性能較改性前均有所提高；

（3）相較于常態(tài)，亞胺改性后乙烯基樹(shù)脂成型的槽楔抗彎性能和抗劈性能熱態(tài)保持率大大提高；

（4）改性亞胺樹(shù)脂在合成樹(shù)脂中所占比例接近10%時(shí)，非磁性引拔槽楔的機(jī)械性能較好。

參考文獻(xiàn)：

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