帶斜鍵的斜槽轉(zhuǎn)子鐵心套軸難點(diǎn)分析及工藝控制

周杏軍，劉小龍，任 科，段 虎

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

帶斜鍵的斜槽轉(zhuǎn)子鐵心套軸難點(diǎn)分析及工藝控制

周杏軍，劉小龍，任 科，段 虎

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

文章分析了帶斜鍵的斜槽轉(zhuǎn)子鐵心套軸存在的困難，并從工程應(yīng)用出發(fā)，提出了一系列通用而有效的工藝解決措施，已有了成功的批量應(yīng)用業(yè)績(jī)。

轉(zhuǎn)子鐵心；斜槽；斜鍵；套軸工藝

在交流電機(jī)設(shè)計(jì)中，為了抑制因高次諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩以及為了削弱齒諧波、降低電磁噪聲、減少振動(dòng)、提高電機(jī)啟動(dòng)過程中的最小轉(zhuǎn)矩，普遍將定子或轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成斜槽形式，斜槽角度通常為斜過一個(gè)定子槽。不同斜槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)在制造難度上存在著較大差異，在設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)制造工藝的可行性及難度來確定選取定子斜槽還是轉(zhuǎn)子斜槽結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)子斜槽結(jié)構(gòu)又根據(jù)與轉(zhuǎn)軸的配合方式分為帶鍵和不帶鍵兩種。

從以往的工程應(yīng)用來看，定子斜槽結(jié)構(gòu)工藝實(shí)現(xiàn)難度不大，應(yīng)用最為廣泛；不帶鍵的轉(zhuǎn)子斜槽結(jié)構(gòu)通常用于中小型鑄鋁轉(zhuǎn)子中；而帶鍵的轉(zhuǎn)子斜槽結(jié)構(gòu)由于套軸難度大、成功率低而導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用很少，在有些必要的場(chǎng)合也采取疊壓后加銑直鍵槽的工藝來間接實(shí)現(xiàn)，但制造成本較高、周期較長(zhǎng)，不適合批量生產(chǎn)。

中車株洲電機(jī)有限公司量產(chǎn)的某MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子即為帶斜鍵的斜槽結(jié)構(gòu)，文章將以該電機(jī)為例將帶鍵斜槽轉(zhuǎn)子鐵心套軸的難點(diǎn)及主要工藝控制要素進(jìn)行分析和介紹。

1 套軸難點(diǎn)分析

在常規(guī)的直槽、直鍵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子套軸過程中，鐵心與轉(zhuǎn)軸之間通常只會(huì)存在簡(jiǎn)單的軸向運(yùn)動(dòng)關(guān)系。而在斜槽、斜鍵結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子套軸過程中，鐵心與轉(zhuǎn)軸之間除了基本的軸向運(yùn)行之外，還會(huì)存在鐵心周向旋轉(zhuǎn)以及沖片自適應(yīng)調(diào)整，這些更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系本身就增大了套軸過程的不確定性，再加上兩者之間存在一定的過盈量，而考慮到?jīng)_片漆膜的耐溫上限、能耗、安全等因素又不能一味地升高鐵心加熱溫度，從而使套軸難度變得很大，一旦套軸不成功而又未能及時(shí)采取有效措施，將直接造成產(chǎn)品報(bào)廢等經(jīng)濟(jì)損失。

（1）鐵心軸向運(yùn)動(dòng)。與常規(guī)直槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子套軸過程相同，斜槽轉(zhuǎn)子鐵心同樣需要從軸身上端套入直達(dá)下端軸肩，兩者至少需要經(jīng)歷一個(gè)鐵心長(zhǎng)的軸向位移過程。該運(yùn)動(dòng)過程通常是在鐵心自身重力作用下實(shí)現(xiàn)，能順利通過該位移到達(dá)軸肩也是套軸的最終目的。

（2）鐵心周向旋轉(zhuǎn)。針對(duì)這個(gè)過程，可以只以鐵心最下面一片或一小段沖片作為分析對(duì)象。在套軸過程中假定轉(zhuǎn)軸完全垂直豎立，此時(shí)軸鍵理論上是傾斜α角度的。對(duì)象沖片鍵槽部分從軸鍵上端部套入后（起始點(diǎn)位于α/2°位置）順著軸鍵下滑，最終套入后，對(duì)象沖片鍵槽部分位于軸鍵下端部位置（終止點(diǎn)位于-α/2°位置）（如圖1所示），僅從周向運(yùn)動(dòng)來分析，沖片鍵槽部分順著軸鍵逆時(shí)針轉(zhuǎn)過了角度α。因而整個(gè)套軸過程中，鐵心整體需要經(jīng)歷一個(gè)旋轉(zhuǎn)過程，該旋轉(zhuǎn)過程完全依靠軸鍵的導(dǎo)向來實(shí)現(xiàn)。

圖1

圖2

（3）沖片間自適應(yīng)調(diào)整。在現(xiàn)有的制造工藝以及檢測(cè)水平下，要使軸鍵傾斜角度和鐵心鍵槽傾斜角度達(dá)到完全一致是幾乎很難保證的。盡管通過現(xiàn)有的加工設(shè)備來確保軸鍵傾斜角度偏差控制在允許范圍內(nèi)并不是難事，但鐵心疊壓過程中、特別是鐵心退模后可能產(chǎn)生的扭曲卻難以控制，因此制造過程中出現(xiàn)軸鍵與鐵心鍵槽傾斜角度不一致的情況應(yīng)屬正常現(xiàn)象（如圖2所示，套軸前兩者間存在β初始夾角）。

毫無疑問，套軸完成后鐵心鍵槽與軸鍵絕對(duì)是完全配合的，就是說兩者之間的β初始夾角要隨著鐵心的套入逐漸減小，直至為零。在整個(gè)過程中，轉(zhuǎn)軸、軸鍵是固定不動(dòng)的，因而β夾角的彌補(bǔ)只能依靠鐵心沖片自身的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，即鐵心在整個(gè)套入過程中鍵槽傾斜角度逐漸由α±β自動(dòng)調(diào)整為α。該自適應(yīng)調(diào)整過程同樣是在軸鍵的導(dǎo)向下完成，但要完成該過程，有兩個(gè)關(guān)鍵的前提條件：一是沖片之間不能承受除自身重力之外過大的額外壓力，二是熱態(tài)下沖片與沖片之間不能有粘性，以此確保沖片之間能實(shí)現(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，否則，一旦沖片轉(zhuǎn)動(dòng)不到位或完全無法轉(zhuǎn)動(dòng)，鐵心就會(huì)在鍵槽位置憋死，此時(shí)如果采取強(qiáng)行壓入措施，將會(huì)造成軸鍵損傷，甚至移位、斷裂。

（4）垂直度要求。電機(jī)轉(zhuǎn)軸鐵心檔與沖片內(nèi)圓之間都會(huì)存在一定的過盈量，而在對(duì)鐵心進(jìn)行加熱的時(shí)候，考慮到?jīng)_片表面漆膜耐溫能力，加熱溫度一般不超過300℃，再加上鐵心疊壓時(shí)不可避免的不齊度，熱套時(shí)兩者間實(shí)際間隙仍然很小，因此對(duì)它們自身垂直度的要求自然就高了。從前面分析來看，為了確保鐵心沖片之間的自適應(yīng)調(diào)整能力，沖片不能承受除自身重力之外過大的額外壓力，因而需采取轉(zhuǎn)軸垂直豎立并固定，吊鐵心套軸的工藝，該工藝的操作穩(wěn)定性較差，更加增大了其控制難度。套軸過程中垂直度未充分保證也是導(dǎo)致鐵心憋死的重要原因。

2 套軸工藝控制

（1）鐵心斜槽角度控制。疊片時(shí)鐵心的鍵槽角度α是通過模具來保證的，因此需定期對(duì)模具進(jìn)行校檢，避免因模具原因?qū)е炉B壓后的鐵心鍵槽傾斜角度與要求值偏離過大，盡量減小套軸時(shí)沖片間自適應(yīng)調(diào)整幅度，提高成功率。在疊壓完成，還可以采用線墜直接測(cè)量鐵心外圓槽部?jī)A斜度的方法作進(jìn)一步檢測(cè)。

（2）鐵心鍵槽質(zhì)量控制。鐵心鍵槽質(zhì)量的好壞直接影響套軸的成敗，從上述分析來看，套軸過程中鍵槽是關(guān)鍵的導(dǎo)向路徑和傳力部分，需要鍵槽表面平整、光滑，無凸起、毛刺、臺(tái)階等，因此在鐵心套軸前需對(duì)鍵槽進(jìn)行仔細(xì)修挫和檢查。如果在鍵槽內(nèi)存在如圖3所示的階梯臺(tái)階，套軸時(shí)軸鍵在階梯處卡滯、卡死的幾率會(huì)升高到50%以上。

圖3 階梯臺(tái)階

（3）烘焙溫度控制。為使鐵心整體溫度均能達(dá)到設(shè)定的工藝溫度，需要嚴(yán)格控制保溫時(shí)間。到溫后根據(jù)鐵心大小保溫3~4個(gè)h，如遇特殊情況必須中途開爐，需要相應(yīng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。

（4）轉(zhuǎn)軸質(zhì)量要求。在鐵心套入過程中，如遇垂直度未充分保證的情形下，轉(zhuǎn)軸與鐵心、軸鍵與鐵心鍵槽的接觸情況將分別如圖4、圖5所示，此時(shí)接觸面積小、運(yùn)動(dòng)阻力大，將大大提高卡滯幾率，因此為了增大接觸面積、減小阻力，需確保轉(zhuǎn)軸及軸鍵上端面進(jìn)行倒圓處理（如圖6所示）。

圖4 轉(zhuǎn)軸與鐵心接觸情況

圖5 軸鍵與鐵心鍵槽接觸情況

圖6 轉(zhuǎn)軸及軸鍵的倒圓情況

（5）垂直度控制。①轉(zhuǎn)軸垂直度控制。鐵心套軸過程中轉(zhuǎn)軸是垂直豎立在固定的平臺(tái)之上，在套軸之前采用精度為1mm/m以上的磁性水平尺檢測(cè)軸身各個(gè)方向的垂直度并校正。另外，需要借用轉(zhuǎn)軸上其他的部位或工藝孔將轉(zhuǎn)軸固定在套軸平臺(tái)上，其作用是一旦出現(xiàn)鐵心套入中途卡死，可以將鐵心迅速抽出。②鐵心垂直度控制。鐵心在退模后、套軸前是通過上、下壓板及3根拉桿鎖緊的，上壓板上有3個(gè)均布的螺孔用來吊運(yùn)，在套軸之前也需要采用精度為1mm/m以上的磁性水平尺檢測(cè)鐵心外圓各個(gè)方向的垂直度，并通過調(diào)節(jié)可調(diào)吊鏈三條支腿的長(zhǎng)度來進(jìn)行垂直度調(diào)節(jié)。該操作一般在鐵心冷態(tài)下完成。

（6）沖片質(zhì)量要求。對(duì)于常規(guī)的直鍵或是無鍵結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子來說，對(duì)沖片的要求通常只針對(duì)其加工質(zhì)量方面，如毛刺大小、高度差、不齊度、關(guān)鍵尺寸。而對(duì)于斜槽轉(zhuǎn)子沖片來說則不完全這樣，當(dāng)加熱至工藝溫度時(shí)沖片之間有無粘性對(duì)套軸的影響才是至關(guān)重要的，這是因?yàn)橐坏_片互相粘在一起就很難產(chǎn)生自適應(yīng)調(diào)整，從前面分析來看，這會(huì)直接造成鐵心鍵槽不能配合軸鍵的路徑而直接在鍵槽位置憋死。

除了市場(chǎng)上專用的自粘性沖片不能使用外，非自粘性沖片中不同漆膜材質(zhì)在高溫下也會(huì)存在一定的粘性差別，有一次在將轉(zhuǎn)子沖片材質(zhì)由B50XX470-J改為B50XX470-H后，頻繁出現(xiàn)套軸卡滯、套軸不進(jìn)的現(xiàn)象，原因就是B50XX470-H在高溫下粘性相對(duì)較大。

除此之外，沖片所承受的壓力也是越小越好，否則摩擦力的增加也會(huì)增大沖片間自適應(yīng)調(diào)整的難度。沖片自身的重量無法去克服，只是在鐵心套軸前需將固定鐵心用的3根拉桿稍微松開，其效果也是顯而易見的。

（7）潤(rùn)滑要求。轉(zhuǎn)子套軸過程中在軸身涂少量潤(rùn)滑劑能起到很好的輔助作用，它能增加套軸的順利度。但在選擇潤(rùn)滑劑種類時(shí)，主要應(yīng)該考慮兩點(diǎn)，一是潤(rùn)滑脂的耐溫范圍，在鐵心的高溫環(huán)境下會(huì)不會(huì)變質(zhì)失效；二是潤(rùn)滑脂會(huì)不會(huì)對(duì)套軸起到阻礙作用，這是由其自身成分決定的。0#鋰基脂在常溫下是很好的潤(rùn)滑劑，使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、油狀無阻礙，但它耐溫范圍有限，滴點(diǎn)一般不超過200℃，而二硫化鉬則是一種很好的耐高溫型潤(rùn)滑劑，它是由納米級(jí)的二硫化鉬粉末制成，但也正由于這種粉末結(jié)構(gòu)，有可能在套軸過程中起到卡滯、堵塞等阻礙作用，因此選用時(shí)要注意二硫化鉬潤(rùn)滑劑中成分顆粒的大小、濃度等因素，盡量采用顆粒小、濃度稍低的。

3 結(jié)語

中車株洲電機(jī)有限公司目前已生產(chǎn)了千臺(tái)以上帶斜鍵的斜槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，量產(chǎn)過程中的套軸成功率達(dá)到了97.5%以上，沖片損失率降到了0.3%以下。由于帶鍵的斜槽轉(zhuǎn)子鐵心套軸難度大、成功率低而導(dǎo)致在工程上應(yīng)用很少，文章從斜槽、斜鍵結(jié)構(gòu)鐵心與直槽、直鍵結(jié)構(gòu)鐵心套軸的關(guān)鍵區(qū)別出發(fā)進(jìn)行難點(diǎn)分析，并根據(jù)以往成功在工程上的批量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出來了一系列通用而有效的工藝控制措施，為后續(xù)該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的制造、應(yīng)用及推廣提供經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

［1］胡志強(qiáng).電機(jī)制造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］機(jī)械電子工業(yè)部教育司統(tǒng)編.電機(jī)鐵心裝配工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

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Difficulty Analysis and Process Control of Casing Shaft of Rotary Core with Slanting Key

ZHOU Xing-jun，LIU Xiao-long，REN Ke，DUAN Hu
（CRRC Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

This paper analyzes the difficulties in the cable set of the inclined rotor with inclined key，and puts forward a series of general and effective process solving measures from the engineering application，and has successfully applied the batch application performance.

rotor core；chute；skew key；sleeve axis process

TM305

A

2095-980X（2017）04-0065-03

2017-03-19

周杏軍（1987-），湖南長(zhǎng)沙人，大學(xué)本科，主要從事于電機(jī)設(shè)計(jì)工作。