淺談提高高功率密度電機(jī)制造質(zhì)量的方法

柳傳友　崔曄　武天宜　虞輝

摘要：高功率密度電機(jī)具有體積小、重量輕、輸出功率大等諸多優(yōu)點，因而廣受國內(nèi)外客戶青睞，但其制造難度較大，國內(nèi)許多電機(jī)廠還不具備生產(chǎn)能力。鑒于此，分析了吊入式定子結(jié)構(gòu)高功率密度電機(jī)定子鐵芯、機(jī)座、軸加工、定子裝配、轉(zhuǎn)子端環(huán)等部件的特點，強(qiáng)調(diào)了制造過程中需特別關(guān)注的定子鐵芯、機(jī)座防變形措施，介紹了使用豪克能和激光跟蹤儀分別進(jìn)行軸表面加工和定子裝配的新方法，詳細(xì)總結(jié)了該類電機(jī)的制造難點及解決方法，對生產(chǎn)實踐具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高功率密度;吊入式定子;制造難點;變形

中圖分類號：TM30 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0060-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.017

0 ? ?引言

很多國內(nèi)外客戶已將功率密度作為衡量電機(jī)廠技術(shù)水平高低和電機(jī)產(chǎn)品先進(jìn)性的重要指標(biāo)。高功率密度電機(jī)因具有體積小、重量輕、輸出功率大等諸多優(yōu)點，在礦山、冶金、石化、建材、造紙等工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用越來越廣泛。

為了提高電機(jī)的功率密度，就要控制電機(jī)損耗、溫升等性能參數(shù)，并研究優(yōu)化這些參數(shù)以提升性能的方法，保證電機(jī)的可靠和高效運(yùn)行[1]。為了滿足電機(jī)性能方面的需要，高功率密度電機(jī)的定子機(jī)座、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子等部件結(jié)構(gòu)與常規(guī)電機(jī)相比變化較大，制造能力要求大大提高。

1 ? ?高功率密度電機(jī)設(shè)計特點

我司有兩種高功率密度電機(jī)設(shè)計方案，主要區(qū)別在于定子鐵芯的固定方式，一種是沿用傳統(tǒng)的套入式定子鐵芯，另一種是使用吊入式定子鐵芯，兩種設(shè)計各有其優(yōu)點。本文以吊入式定子鐵芯結(jié)構(gòu)鼠籠電機(jī)為例，闡述此類電機(jī)的制造難點。

我司為某壓縮機(jī)廠制造的一臺高功率密度異步電機(jī)，型號YKS450-22 000 kW/11 kV/60 Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速3 585 r/min，轉(zhuǎn)子線速度很高。定子鐵芯采用拉緊螺桿固定結(jié)構(gòu)，沖片外圓不與筋焊接，片間絕緣不會因焊接受到損傷，減小了鐵芯的渦流損耗，從而降低了電機(jī)的鐵耗，提高了電機(jī)效率。鐵芯和機(jī)座側(cè)板不接觸，定子鐵芯的電磁力引起的振動通過定子鐵芯底腳板向機(jī)座下部底腳板傳遞，能夠很好地減小電機(jī)振動。機(jī)座采用雙層薄板并增加加強(qiáng)筋加固的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計保證了機(jī)座必要的剛度，降低了電機(jī)噪聲，也大大減輕了機(jī)座的重量。

2 ? ?高功率密度電機(jī)制造難點

2.1 ? ?定子鐵芯剛度

定子鐵芯是通過螺桿緊固的，片間壓力和剩余壓力給定子提供了一定的剛性，但這種剛性是有限的。定子鐵芯壓圈的平面加工精度要高，要保證鐵芯的壓裝力均勻。定子鐵芯4個底腳板打孔后再焊接，焊接時使用圖1所示的工裝固定，焊好以后以鐵芯內(nèi)孔為基準(zhǔn)車削底腳板平面。鐵芯的壓裝力、剩余片間壓力的保證及底腳板的安裝細(xì)節(jié)等尤為重要，施工前一定要做好相關(guān)工藝準(zhǔn)備。

2.2 ? ?定子機(jī)座焊接、加工

我司機(jī)座采用雙層薄板并增加加強(qiáng)筋加固的結(jié)構(gòu)，大量薄板件的使用在降低機(jī)座重量的同時也提高了機(jī)座的焊接難度，薄板件的焊接熱變形較大，合理的焊接工藝和防變形措施顯得尤為重要。焊接前需要使用固定工裝支撐機(jī)座內(nèi)部，保證焊接后的機(jī)座內(nèi)部尺寸。機(jī)座內(nèi)部與定子鐵芯接觸的平板焊接前需要單面銑平加工并加工焊接工藝孔，保證平板與底腳板接觸面緊實、焊接牢固。

高功率密度電機(jī)機(jī)座兩端止口不能像普通箱式電機(jī)機(jī)座一樣通過立車加工，我司是在鏜銑床上通過回轉(zhuǎn)工作臺調(diào)頭加工，為使調(diào)頭加工時有基準(zhǔn)，在機(jī)座表面要增加輔助加工基準(zhǔn)（見圖2序號①處）。高功率密度電機(jī)機(jī)座高度降低、鐵芯增大會造成端蓋止口到機(jī)座頂部距離小，頂部剛性差，加工時需要增加輔助筋（見圖2序號②處），加工后再取掉，防止加工時機(jī)座兩端止口內(nèi)孔變形和止口平面振刀。

2.3 ? ?定子線圈及嵌線

吊入式定子結(jié)構(gòu)，定子鐵芯只有下面固定，鐵芯固定強(qiáng)度有所下降，尤其要注意主絕緣和繞組線圈端部鼻部固定應(yīng)采用更有效的技術(shù)措施。為保證良好的外觀、改善端部線圈受力情況，定子線圈使用進(jìn)口Vincent數(shù)控漲型機(jī)成型，保證線圈形狀的一致性。為提高電磁線匝間可靠性，調(diào)整電磁線匝間絕緣厚度，定子線圈直線部分主絕緣采用進(jìn)口Bartech機(jī)器人包帶機(jī)，可有效解決國產(chǎn)包帶機(jī)絕緣包扎時云母帶不服帖、褶皺現(xiàn)象，定子線圈直線及端部采用防電暈材料，繞組端部刷高阻防暈漆，可有效解決起暈問題。改進(jìn)線圈膠化工藝，優(yōu)化線圈成型情況，線圈端部采用熱膨脹材料塞緊并使用硬端箍加軟端箍雙重保障的固定方法。

2.4 ? ?軸加工

這種電機(jī)轉(zhuǎn)子軸一般采用光軸，功率很大時會采用筋板軸，軸與鐵芯配合的檔位不要加工，等沖片加工后測量內(nèi)孔尺寸再配加工熱套位置的尺寸。為保證鐵芯與軸更大的接觸面積，軸熱套位置使用磨床加工。高密度功率電機(jī)軸比較細(xì)長，一定要根據(jù)工件實際尺寸制訂加工工藝，嚴(yán)格控制進(jìn)刀量，預(yù)防加工應(yīng)力變形。軸承檔磨加工時預(yù)留0.01 mm左右的加工余量，軸加工后采用豪克能設(shè)備再次加工軸承檔，以降低軸承檔表面粗糙度，提高軸承檔表面硬度，增加電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性;此外，整軸豪克能加工還可以降低軸表面應(yīng)力，提高軸的疲勞強(qiáng)度。

2.5 ? ?轉(zhuǎn)子籠條及端環(huán)的保護(hù)

電機(jī)在啟動和運(yùn)行時離心力、電磁力、熱應(yīng)力較大，籠條和端環(huán)等旋轉(zhuǎn)部件很容易因上述作用力的存在而產(chǎn)生變形損壞，尤其是高速、高功率密度電機(jī)故障更多，所以對籠條、端環(huán)的保護(hù)尤為重要。端環(huán)采用中頻焊接，以減小焊接熱影響區(qū)，避免產(chǎn)生裂縫和氣孔[2]，焊接時也不會損壞鐵芯絕緣，以免轉(zhuǎn)子鐵耗增加。端環(huán)上加工焊接槽，使籠條與端環(huán)焊縫飽滿，保證焊接處接頭面積，保證啟動運(yùn)行情況下流過接頭處的電流不會使該處過熱。采用落軸式護(hù)環(huán)，將端環(huán)通過護(hù)環(huán)與軸連接到一起，考慮熱變形因素，護(hù)環(huán)與軸之間預(yù)留一定的間隙，這樣可以將端環(huán)的變形量控制在極小的范圍內(nèi)，避免端環(huán)變形過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡量增加而引起電機(jī)振動。

2.6 ? ?定子裝配

吊入式定子鐵芯進(jìn)入機(jī)座后需要調(diào)整位置，保證機(jī)座和鐵芯的同心度，進(jìn)而保證電機(jī)裝配后氣隙的均勻度。鐵芯安裝精度調(diào)整不好會引起電機(jī)異常噪聲和振動，長期運(yùn)行還會影響到電機(jī)壽命。傳統(tǒng)的方式是靠加工保證和人工調(diào)整后再上機(jī)床檢測的方式來調(diào)整定子鐵芯的位置，不但調(diào)整效率不高，而且調(diào)整精度也會受到安裝工人技術(shù)、機(jī)床操作工的技術(shù)及機(jī)床精度的影響，而使用激光跟蹤儀可以快速方便地調(diào)整定子鐵芯位置，通過在線檢測鐵芯內(nèi)圓、機(jī)座兩端止口內(nèi)圓同心度可以快速判斷調(diào)整位置，保證鐵芯內(nèi)圓與機(jī)座兩端止口內(nèi)圓同心度在0.2 mm以內(nèi)（圖3），此種調(diào)整方法不但調(diào)整效率高，而且安裝精度也很高。

2.7 ? ?預(yù)防定子鐵芯、機(jī)座變形

由于定子鐵芯固定結(jié)構(gòu)的改變及機(jī)座減重的需要，操作中如果不注意相關(guān)工藝細(xì)節(jié)，容易造成機(jī)座、定子鐵芯變形，導(dǎo)致振動、異響等故障的發(fā)生，還會造成電機(jī)性能的下降，進(jìn)而影響電機(jī)壽命。

定子鐵芯疊壓后翻身時用一端的兩個螺孔翻身，且必須帶定位棒一起翻身，不允許將定位棒拆除后翻身。其他工序吊運(yùn)過程必須利用定子壓圈上對稱的4個吊裝孔起吊，以免定子鐵芯吊運(yùn)變形。鐵芯疊壓后焊接底腳板時就要安裝定子鐵芯固定工裝，這樣不但能保證焊接時腳孔位置精度，更能預(yù)防定子鐵芯變形。

定子嵌線需要使用滾動圓盤（見圖4序號④處），將滾動圓盤把合在定子壓圈上輔助滾動嵌線。浸漆需要設(shè)計浸漆支架對定子底腳面進(jìn)行水平支撐，采用臥式浸漆、烘焙。

機(jī)座加工后到電機(jī)裝配整個流轉(zhuǎn)過程中必須進(jìn)行4點起吊。翻身必須在橡膠平臺或木制平臺上進(jìn)行，機(jī)座加工檢驗合格后不允許再翻身。

3 ? ?結(jié)語

采用上述工藝生產(chǎn)電機(jī)，樣機(jī)裝機(jī)前通過檢查確認(rèn)定子鐵芯內(nèi)圓跳動<0.2 mm，機(jī)座兩端止口圓跳動<0.1 mm，定子嵌線和機(jī)座組合后檢測兩端止口與定子鐵芯內(nèi)孔同心度<0.2 mm。電機(jī)生產(chǎn)后進(jìn)行試驗驗證，電機(jī)軸承振動、機(jī)身振動均小于1.0 mm/s，電阻法測定子繞組溫升54 K，電機(jī)效率96.66%，各項性能指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)。

日常制造過程中需要加倍關(guān)注定子鐵芯的保護(hù)，防止定子鐵芯變形影響定子同心度的調(diào)整。機(jī)座加工后必須采用4點起吊，防止機(jī)座止口內(nèi)圓因起吊原因而產(chǎn)生變形。線圈加工主要關(guān)注匝間及成型質(zhì)量，嵌線主要關(guān)注線圈的安裝固定。軸加工、機(jī)座加工、轉(zhuǎn)子加工要注意形位公差的控制及表面質(zhì)量的提升。通過多批次電機(jī)制造試驗結(jié)果分析，上述制造工藝已經(jīng)成熟。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張禎海.高功率密度鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].上海：上海電機(jī)學(xué)院，2015.

[2] 方日杰.電機(jī)制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

收稿日期：2022-01-04

作者簡介：柳傳友（1986—），男，江蘇連云港人，工程師，長期從事大中型電機(jī)生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量管理工作。