電磁感應(yīng)技術(shù)在電機(jī)制造中的應(yīng)用

謝常春

(山東齊魯電機(jī)制造有限公司，濟(jì)南 250100)

0 引言

隨著國內(nèi)外制造業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品也向大型化發(fā)展，YKK、YR、TK等系列電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量越來越大，包括導(dǎo)體截面的結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)增加。電機(jī)生產(chǎn)中，鼠籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條與端環(huán)、繞線型轉(zhuǎn)子的上下層線圈、凸極式轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與磁軛，均須進(jìn)行加熱焊接或熱套裝配，YR系列轉(zhuǎn)子支架及TK、TDMK系列同步電動(dòng)機(jī)磁軛，也需要電阻爐加熱后進(jìn)行熱套。但原有的加熱工藝不僅生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低、耗能高、而且對員工操作經(jīng)驗(yàn)要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

1 設(shè)計(jì)方案及理論計(jì)算

試驗(yàn)研究表明，新的電磁感應(yīng)技術(shù)溫度易控制，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效、成本減少、焊縫強(qiáng)度大、裝配方便等顯著效果。感應(yīng)釬焊利用電磁感應(yīng)、集膚效應(yīng)和熱傳導(dǎo)原理，加熱時(shí)間、頻率、功率互相關(guān)聯(lián)，對于不同的用途，應(yīng)選擇最恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。應(yīng)用先進(jìn)的感應(yīng)加熱工藝，對電機(jī)生產(chǎn)制造中的線圈釬焊、端環(huán)焊接、磁軛熱套等工藝進(jìn)行革新，可有效提高產(chǎn)品的工藝技術(shù)水平。

感應(yīng)加熱原理為交變電流產(chǎn)生交變磁場，利用交變磁場產(chǎn)生渦流來達(dá)到加熱的效果。電磁感應(yīng)加熱設(shè)備主要包括整流單元、逆變單元、諧振電容單元及控制單元，如圖1所示。其工作流程是三相整流后通過電容電抗濾波，再通過IGBT逆變成單相中頻交流，通過隔離變壓器和諧振電容接負(fù)載或工作感應(yīng)器。

圖1 電磁感應(yīng)加熱設(shè)備工作原理圖

1．1 繞線轉(zhuǎn)子并頭套焊接

繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)并頭套原為紫銅板彎型結(jié)構(gòu)，在上下層線圈間用銅條楔緊，制造工藝復(fù)雜，配合間隙大，裝配效率低。采用傳統(tǒng)火焰釬焊，焊接時(shí)間長，受熱面積小，接頭強(qiáng)度低，并且容易燒傷絕緣。

確定采用中高頻感應(yīng)硬釬焊工藝及專用工藝裝備。設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)子線圈并頭套為H型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行并頭新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、感應(yīng)電源功率選擇、感應(yīng)頻率的分析感應(yīng)釬焊過程的精確控制等工作，解決轉(zhuǎn)子線圈端部質(zhì)量穩(wěn)定性等問題。

選用T2紫銅材料作為繞線轉(zhuǎn)子上下層線圈并頭套，與線圈配合間隙不大于1 mm，槽形對稱度小于0.2 mm。考慮工作效率，并頭套選用拉制成型為條狀料，使用時(shí)用鋸床加工或沖床沖制，長度為線規(guī)寬度的40%～50%。裝配結(jié)構(gòu)及加熱方式如圖2所示。

1．2 銅條轉(zhuǎn)子端環(huán)焊接

利用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)，采用整體式感應(yīng)圈結(jié)構(gòu)。通過對大型電動(dòng)機(jī)端環(huán)中頻焊接工藝的研究，實(shí)現(xiàn)大型電機(jī)端環(huán)一次性整體焊接，可靠地保證電機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)的焊接質(zhì)量。

式中：P為功率(kW)；m為被加熱金屬質(zhì)量(kg)；Δθ為溫升(℃)；t為加熱時(shí)間(s)；c為比熱容(J·kg-1·K-1)。

例如YKS630-4，1 600 kW電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)內(nèi)徑r1為34.5 cm，外徑r2為44.7 cm，端環(huán)厚度5 cm，導(dǎo)條尺寸8.1 mm×63 mm，共47只。

被加熱金屬質(zhì)量m：應(yīng)是感應(yīng)線圈包含的區(qū)域與加熱時(shí)熱擴(kuò)展范圍內(nèi)被焊件質(zhì)量的總和。如果加熱時(shí)間為600 s。銅的比熱容約為390 J/(kg·K)，銅的密度約為8.960 g/cm3，焊接溫升約為760 ℃。

端環(huán)和導(dǎo)條質(zhì)量m約為：

輸入功率P=cmΔθ/(1 000t)=113.6×390×760/(600×1 000)=56.1 kW

目前，公司生產(chǎn)異步電動(dòng)機(jī)最大機(jī)座號(hào)為1000，共計(jì)57種端環(huán)?，F(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品的端環(huán)尺寸最大外徑為894 mm。為防止因鐵心過熱破壞絕緣層，將端環(huán)加熱時(shí)間控制在20 min以內(nèi)，而YKS630-4等相對較小的產(chǎn)品，端環(huán)在10 min左右即能達(dá)到焊接溫度?？紤]到加熱效率及功率因數(shù)，并為今后制造大容量電機(jī)留出功率裕度，實(shí)際選用感應(yīng)加熱電源功率為160 kW(功率可調(diào))。

1．3 磁軛及轉(zhuǎn)子支架熱裝

確定磁軛及轉(zhuǎn)子支架的加熱方式，計(jì)算熱套溫度，制造通用性較高的感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中頻感應(yīng)加熱套裝，解決升溫慢、占地大、操作難度大等問題。

按以下公式計(jì)算熱套溫度：

T=[(δΔ)/(K×10-6×d)]+T0

式中：T為加熱溫度或冷卻溫度(℃)；δ為實(shí)際配合過盈量(mm)；Δ為最小配合間隙，一般取(0.001～0.002d(mm)；d為配合直徑(mm)；T0為環(huán)境溫度(℃)；K為溫度系數(shù)，K×10-6為材料線膨脹系數(shù)(1/℃)

磁軛及轉(zhuǎn)子支架根據(jù)以上計(jì)算公式計(jì)算，熱套溫度在180 ℃～300 ℃。磁軛及轉(zhuǎn)子支架感應(yīng)器為耐溫框架式結(jié)構(gòu)，采用耐高溫環(huán)氧板材制作框架，線圈由高頻低損耗空冷高頻電纜繞制。采用一定的隔熱措施后，最高加熱溫度可達(dá)400 ℃。感應(yīng)器外徑與工件內(nèi)徑的間隙要小于10 mm。

2 工藝及性能分析

繞線轉(zhuǎn)子上下層線圈新型并頭套感應(yīng)釬焊工藝路線為：轉(zhuǎn)子線圈整形-石棉紙?zhí)畛?T2并頭件成型-并頭件安裝-添加銀焊片-感應(yīng)加熱施焊(輔助冷卻)。從工藝試驗(yàn)結(jié)果和產(chǎn)品試制的情況來看，該項(xiàng)目采用的H型并頭件中頻焊接工藝流程設(shè)計(jì)合理，便于操作，感應(yīng)釬焊工藝參數(shù)選擇正確，匹配合理。通過破壞性試驗(yàn)顯示接頭的綜合機(jī)械性能優(yōu)良，焊透率可達(dá)90%以上。采用低銀焊料，通過試驗(yàn)，完成焊接工藝參數(shù)的確定。焊接時(shí)，在線圈與并頭套之間放置銀焊片，同時(shí)補(bǔ)充焊料。確定工藝參數(shù)：感應(yīng)頻率：15～20 kHz，焊接時(shí)間：5～10 s，加熱速度：70～80 ℃/s。

轉(zhuǎn)子端環(huán)整體焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了一次加熱焊接完成。通過工藝試驗(yàn)，確定不同規(guī)格電機(jī)的焊料選擇及用量，焊接工藝參數(shù)的確定。焊接時(shí)間<20 min，焊接溫升速度為75 ℃/min，焊接溫度750 ℃～830 ℃，感應(yīng)頻率6～8 kHz。感應(yīng)器與端環(huán)間的間隙對設(shè)備的效率影響很大，一般不大于5 mm。根據(jù)生產(chǎn)要求，共設(shè)計(jì)制造了8種規(guī)格尺寸的感應(yīng)器，鐵心進(jìn)出方便，同時(shí)保證感應(yīng)器與端環(huán)的緊密耦合。感應(yīng)器設(shè)計(jì)為圓形，感應(yīng)器采用水電合一的連接方式，選用矩形空心銅管加高導(dǎo)磁率的50W470硅鋼片做導(dǎo)磁體組成焊接感應(yīng)器。采用專用靠模胎具定位熱彎成型。因焊縫容易產(chǎn)生裂紋，故焊接采用銀焊并要求1 MPa水壓無漏水現(xiàn)象。墊板采用20 mm厚3240絕緣板，耐高溫膠采用克賽新TS747。該整體感應(yīng)釬焊工藝，得益于感應(yīng)加熱圈設(shè)計(jì)合理，工藝方法得當(dāng)，已在我廠鼠籠型高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)與導(dǎo)條焊接中廣泛運(yùn)用，示意圖如圖3、圖4所示。實(shí)踐證明：它從根本上解決了原氣焊工藝方法中存在的諸多問題。

圖3 感應(yīng)圈結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 端環(huán)整體感應(yīng)焊接示意圖

繞線型轉(zhuǎn)子支架熱套工序，采用20 m空冷加熱用軟電纜，通過人工纏繞的方式完成加熱，通用性較強(qiáng)。同步電機(jī)磁軛熱套工序，共采用了兩種規(guī)格的磁軛外加熱感應(yīng)器。工藝過程為：加熱工件清理-安裝感應(yīng)器-覆蓋保溫隔熱毯-感應(yīng)加熱至溫度-拆除加熱設(shè)備-熱套工件。以TDMK500-32/2150 500 kW 10 kV為例，占地和耗能等對比如表1。

表1 二種加熱方式對比情況

從以上信息中即可看出，中頻加熱時(shí)間可大大提速，同時(shí)總耗能僅為電阻爐加熱工藝的5%，節(jié)能效果明顯。采用中頻感應(yīng)加熱工藝后，隨著產(chǎn)品發(fā)展，需加熱部件越來越大，電阻爐重新擴(kuò)建大后，占地面積會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，而中頻加熱原則上只需更換感應(yīng)圈即可，可滿足長期規(guī)劃的需要。

3 結(jié)論

電磁感應(yīng)加熱新工藝方法的應(yīng)用，大大減少了電機(jī)制造成本，提高了質(zhì)量，改善了工作環(huán)境，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度。新型并頭套結(jié)構(gòu)簡單，減少銅材的利用，電機(jī)轉(zhuǎn)子并頭套中頻感應(yīng)釬焊工藝方法采用HLAgCu80-5低銀焊料，不需要添加劑，操作性好，淘汰了BAg45CuZn焊料，縮短了焊接時(shí)間。選用矩形空心銅管加高導(dǎo)磁率的硅鋼片做導(dǎo)磁體組成焊接感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了整體釬焊，新設(shè)計(jì)中頻焊機(jī)專用工裝，適用范圍廣，可用于現(xiàn)有各型號(hào)電機(jī)端環(huán)的焊接。感應(yīng)加熱套裝工藝裝備，取代了電爐加熱工藝，同時(shí)兼顧加熱設(shè)備的通用性，感應(yīng)加熱套裝過程中，空冷感應(yīng)軟電纜可以繞在工件上進(jìn)行感應(yīng)加熱，方便靈活。新工藝的成功應(yīng)用，有力地促進(jìn)了電磁感應(yīng)技術(shù)在電機(jī)制造中的推廣，對于我國整個(gè)電機(jī)行業(yè)、特別是大型高壓電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域制造技術(shù)的發(fā)展有很好的推動(dòng)作用。