注塑材料在電機轉子磁鋼固定中的分析與應用

田雁飛，伍惠玲

(湖南有色金屬職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412000)

0 引 言

電動汽車電機由于安裝空間狹小、工作環(huán)境惡劣，并且振動大、沖擊大、腐蝕嚴重、高溫高濕等，具有高密度、體積小、高功率、高扭矩、可靠性、耐久性和成本低等特點，完美符合國家對于環(huán)保、節(jié)能、高效率的要求[1]。

目前對于新能源電動汽車轉子制作采用手工磁鋼裝配后在磁鋼槽內安裝楔緊塊再浸漆、烘培等工序對轉子磁鋼進行固定，這種制作流程嚴重影響了轉子制作的效率并增加了電機的制作成本[2]。因此現(xiàn)采用轉子鐵心段注塑工藝進行轉子的制作，該工藝相比于浸漆、烘培工藝，能大大降低生產成本、降低勞動強度，提高生產效率。為使該工藝得到有效的應用，需要對轉子注塑材料進行分析并對其應用進行研究。

1 注塑材料性能分析及驗證

1.1 材料簡介

14G33材料是玻纖增強改性PA66的典型產品牌號，PA66樹脂的牌號是LEONA通過添加玻纖共混擠出成顆粒料。

該產品在汽車引擎室內零件(引擎支架等)，機械零件、電氣零件等領域有廣泛使用；該材料可作為轉子磁鋼楔緊區(qū)域的注塑填充也可以將該材料用作新能源汽車電機的轉子葉片[3]。

1.2 性能參數(shù)

14G33的主要性能如表1所示。

表1 14G33材料物性表

結合表1內容和在電機上的應用需求，對14G33材料的其他關鍵性能指標分析如下：

(1)PA66工程塑料屬于熱塑性材料，具有受熱后變軟，降溫后變硬的熱塑性材料的特性。加入玻纖后，無法改變其熱塑性的特性，但可提高材料的強度、剛性、耐熱抗老化性能及抗疲勞性能。14G33材料的熱變形溫度大于240℃，遠高于永磁工作的極限溫度150℃，在使用過程中不存在變形風險。

(2)14G33成型后，作為轉子磁鋼楔緊塊工作時，在垂直方向承受壓縮強度的考核，據表可見，其垂直方向壓縮強度實測值110 MPa，遠大于1.27 MPa的設計輸入要求。

(3)14G33材料成型后其流動方向(對應楔緊塊長度方向)的成型收縮率為0.4%，垂直方向的成型收縮率為0.8%；以某型電機用磁鋼楔緊塊尺寸計算，長度方向收縮尺寸為0.22 mm，垂直方向收縮尺寸不超過0.0264 mm(由于楔緊塊形狀不規(guī)則，取最大尺寸計算)。

(4)在極限工作環(huán)境下(150℃)，以某型電機用磁鋼楔緊塊計算，其長度方向膨脹尺寸為0.165 mm；在垂直方向的膨脹因受到沖片約束，膨脹變形難以實現(xiàn)。

(5)經過180℃/1000 h的高溫老化后，其機械強度變化率小于30%。

(6)在180℃下浸泡松脂油1000 h，或120℃下浸泡冷卻液1000 h后，其機械強度變化率小于30%。

(7)在經過-40℃/30 min和高溫150℃/30 min的50周期冷熱沖擊后，其機械強度變化率小于30%。

14G33材料通過注塑形成磁鋼楔緊塊后，在實際工作環(huán)境中承受壓縮強度的考核，對壓縮強度和三種典型機械強度指標進行確認，并與二苯醚玻璃布板加工成的楔緊塊進行對比，測試結果如表2所示。

表2 14G33與二苯醚玻璃布層壓板的機械性能對比

據表2數(shù)據可知，從材料成型方式來看，二苯醚玻璃布層壓板是用玻璃纖維布浸以二苯醚樹脂經烘培熱壓而成的板狀層壓制品，屬于熱固性材料，其在彎曲、拉伸和沖擊強度較14G33有優(yōu)勢；14G33材料垂直方向常態(tài)壓縮強度110 MPa，熱態(tài)壓縮強度超試驗設備量程，其強度>31.25 MPa，均遠超1.27 MPa的壓縮強度設計要求。

1.3 熱壽命分析

(1)UL認證

對于工程類塑料而言RTI(長期熱老化溫度)不同于熱變型溫度(HDT)，熱變型溫度乃是一種短期間于一定壓力下的待測體變形的溫度。定義塑料的長期使用溫度，通常情況下都是看UL黃卡中的RTI值。

根據14G33的UL黃卡(認證編號E48285)信息：

RTI Str為140 ℃，即材料在140 ℃下使用10萬小時無沖擊的力學性能將下降50%；

RTI Imp為125 ℃：即材料在125 ℃下使用10萬小時有沖擊的力學性能將下降50%。

(2)3000 h老化試驗

為響應產品最高使用溫度為150 ℃的輸入條件，對14G33材料開展3000 h的不同溫度點下的老化試驗，做如下分析：

老化試驗測試結果如圖1所示，據圖可見，14G33材料在200 ℃下開展1500 h試驗后，其拉伸強度下降至約50%，結合“GB/T 11026 電氣絕緣材料-耐熱性評定”的規(guī)定[4]，判定該材料在200 ℃下的可靠使用時間為1500 h，按絕緣材料“工作溫度增加10度，使用壽命減半”的原則，推算其在150 ℃下的使用壽命約為4.8萬小時。

圖1 14G33材料3000h老化試驗

2 注塑材料的應用

14G33原材料為顆粒料，采用注塑機擠出成型，實現(xiàn)對轉子磁鋼楔緊塊區(qū)域的填充。

2.1 注塑參數(shù)

在注塑材料的應用過程中決定轉子磁鋼注塑效果的工藝參數(shù)主要為擠出溫度，射膠壓力及射膠速度。

擠出溫度的設定需根據材料特性確定，通常加料段溫度比材料熔點低5～20 ℃，過渡段高出熔點5～10 ℃，壓縮段和均化段溫度比熔點高15～30 ℃，射嘴段溫度在保證不溢料前提下，比均化段高。

射出參數(shù)需結合模具及膠道的實際走向設定，射出壓力及速度的設置不當，無法實現(xiàn)14G33材料對模腔的有效填充。經反復調試，在表3工藝參數(shù)下，獲得了填充飽滿的產品。

表3 主要工藝參數(shù)

2.2 注塑效果

在表3工藝參數(shù)下，單模注塑時間47 s，加上轉子上下注塑臺時間，單個轉子注塑用時約3分鐘。注塑產品效果詳見圖1。

PA66塑料在熔融狀態(tài)下，流動性很好，可以用來加工很薄的元件，從注塑產品外觀及解剖情況來看，14G33在填充原磁鋼楔緊塊區(qū)域的同時，還對磁鋼與沖片之間的間隙形成了一定填充(注塑業(yè)稱飛邊)。轉子解剖后，以14G33成型的楔緊塊外觀來看，其縱向方向兩端與沖片平齊，橫向方向圍繞楔緊塊留下了與沖片擠壓產生的細微條紋。飛邊和條紋的存在，證明了注塑料的填充緊密度，同時，也佐證注塑工藝參數(shù)在合理范圍內。

圖2 注塑試模及填充效果

2.3 材料成本分析

工程塑料在注塑過程中通常會產生一些不可避免的廢料：一是水口料，主要包括產品以外的澆口和流道的成型物，這些材料通常可以經過粉碎回收再利用；二是在生產過程中料筒內材料因在高溫下停留時間過長，塑料發(fā)生碳化、降解后，不得不射出的廢料。

經稱重統(tǒng)計，單段轉子的注塑過程中，實際使用14G33材料轉子約140 g；流道料90 g。由于目前注塑工藝尚未規(guī)范化，批量生產中的廢料尚無法預計，以初次試模具材料使用情況來看，單個轉子(共6段)實際用料不超過2 kg。

14G33材料小批量采購報價約26.5元/kg，以本次試模情況估算，算上正常損耗，單個轉子的材料成本約53元。

圖3 注塑過程形成的膠道料

3 結 語

(1)注塑材料各項性能的分析驗證(熱塑性、強度、收縮率、耐久性等)，證明了注塑用尼龍料代替?zhèn)鹘y(tǒng)二苯醚玻璃布板楔緊塊的可行性；

(2)14G33材料性能機械強度滿足設計需求；該材料在125 ℃下有沖擊力工況下可使用10萬小時；在140 ℃下無沖擊力工況下可使用10萬小時；在150 ℃極限工況下可使用4.8萬小時。

(3)轉子鐵心段經注塑后可實現(xiàn)對楔緊塊區(qū)域的有效填充。

(4)單個轉子的生產時間約3分鐘，可大幅提升生產效率。

(5)注塑材料的材料成本較二苯醚玻璃布層壓制品加工的磁鋼楔緊塊，單臺轉子的材料成本可下降90%以上。