高速表贴式转子碳纤维护套冷套工艺研究_段虎.pdf

2023年第3期 55 摘 要：对高速表贴式永磁电机转子制作的工艺特点进行分析，解决了表贴式转子碳纤维护套冷套的技术难点。通过验证，确认液氮冷冻不会对转轴材料性能、磁钢性能和磁钢粘接胶强度等产生影响，证明了转子冷套工艺的可行性。关键词：高速永磁表贴式转子碳纤维护套液氮冷冻 中图分类号：TM305 文献标志码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2023.03.014 Abstract:Theprocesscharacteristicsofhigh-speedsurface-mountedpermanentmagnetmotorrotormanufac-turingareanalyzed,whilethetechnicaldifficultiesofcar-bonfibersheathcoldsleeveofsurface-mountedrotorsaresolved.Itisconfirmedthatliquidnitrogenfreezingdoesnotaffecttherotorshaftmaterialperformanceandmagnetper-formanceaswellasthemagnetbondingadhesivestrengththroughverification,toprovefeasibilityoftherotorcoldsleeveprocess.Keywords:high-speedpermanentmagnetsurface-mountedrotorcarbonfibersheathliquidnitrogenfreezing高速表贴式转子碳纤维护套冷套工艺研究段 虎罗 雄李 信黄 军钟 文 湖南中车尚驱电气有限公司（412000）Research on the Process of Carbon Fiber Sheath Cold Sleeve for High-speed Surface-mounted RotorDUAN Hu LUO Xiong LI Xin HUANG Jun ZHONG WenHunanCRRCShangquElectricCo.,Ltd.（412000）1 表贴式转子保护套装配工艺的选择 高速永磁电机具有转速高、功率密度大、体积小、材料消耗少、成本低及可与负载直接相连，省去增速齿轮箱装置，提高了传动系统的效率等优点，在航空航天、高性能伺服、分布式发电以及飞轮储能等领域应用得越来越广泛1。传统的永磁电机一般采用磁钢内嵌式结构，但随着电机转速的不断提高，转子表面的离心力也不断加大，当转子表面的线速度很大时，正常的叠片转子很难承受转子在高速运行下产生的离心应力。因此，为了满足转子的机械强度，必须改变转子的结构；同时，随着永磁电机转速的上升，永磁转子表面线速度也不断增大，永磁体承受的离心力也不断增大。由于永磁材料的抗压强度较低（一般不超过80 MPa），过大的离心力容易造成永磁体的损坏，影响高速永磁电机的安全运行，故必须对永磁体采取保护措施2。高速电机表贴式转子如图1所示，目前最常用的保护措施有两种：一种是在转子永磁体表面安装高强度非导磁合金保护套；另一种是在转子永磁体表面安装碳纤维的保护套3。合金护套的永磁转子通常采用传统的热套工艺，即根据过盈量的大小，将合金护套加热到所要求的温度后热套在转子表面。碳纤维护套的永磁转子的护套成型工艺有两种：一种是将碳纤维直接在转子磁钢表面进行绑扎，即根据碳纤维绑扎工艺设计相应的绑扎参数，直接在转子磁钢表面固化成型碳纤维护图1 高速表贴式转子转子护套磁钢转轴 56 2023年第3期套，但该工艺需碳纤维绑扎设备，且需要对碳纤维绑扎工艺进行研究。本文介绍另一种碳纤维护套成型工艺，先通过模具按设计的尺寸制作碳纤维护套，再将碳纤维护套装配到转子表面。由于碳纤维护套与转子之间的过盈量较大，碳纤维的热膨胀系数又很小，无法像制作合金护套转子的工艺来热套碳纤维护套，因此如何将碳纤维护套装配在转子表面是表贴式转子制作中的一大难点。转子与碳纤维护套之间的过盈量较大，在常温下，若直接将碳纤维护套压入转子，易对碳纤维护套造成损伤，存在很大的质量隐患，因此参考大型零件大过盈液氮冷装工艺的方法4，将转子冷冻后再将碳纤维护套套装在转子表面。2 转子液氮冷冻验证 通过热胀冷缩的原理来装配碳纤维护套：装配前，先将转子浸泡在液氮容器中冷冻，放置合适的时间后使转子收缩，再将碳纤维护套安装到转子表面，等转子恢复到室温后，转子就恢复到原设计尺寸，此时转子与碳纤维护套之间就形成了过盈配合。本文模拟产品外径尺寸和过盈量制作一件碳纤维护套和假轴，进行转子冷套工艺研究。用三坐标测量碳纤维套的内径尺寸为135.01 mm，加工一根材料为45钢的假轴，根据产品的过盈量要求，假轴的外径尺寸为135+0.169+0.129mm，实测假轴外径为135.15 mm。将假轴浸泡在液氮中进行冷却，30 min后，用外径千分尺测量转子外径为134.96 mm，碳纤维套能顺利套入转子表面 通过转子碳纤维冷套验证，确定将假轴在液氮中浸泡30 min后尺寸会缩小，碳纤维护套能顺利地套在转子表面，确定了该工艺的可行性。在假轴上正常装配碳纤维护套后，将假轴放置在现场一段时间，然后将带碳纤维护套的假轴再次放置在液氮冷冻装置中进行冷冻试验，冷冻30 min后将假轴取出，发现碳纤维护套直接掉在液氮冷冻装置内。待碳纤维护套和假轴恢复到常温后，用三坐标再次测量碳纤维护套内径和假轴外径，碳纤维套的内径尺寸为135.01 mm，假轴的外径尺寸135.15 mm，尺寸均与冷冻前一致。观察碳纤维护套表面及内圆，碳纤维表面的胶未出现开裂和分层的情况，从外观来看液氮冷冻对碳纤维固化时的胶并无影响。3 分析液氮对转子的影响 通过对转子液氮冷冻，能够将碳纤维护套顺利地安装在转子表面，但液氮冷冻过程中是否会对转轴及磁钢造成影响，需进行更进一步的分析。3.1 液氮处理对转子尺寸的变化规律 将接触式温度计固定在模芯表面上，再将模芯浸泡在液氮中，记录假轴在液氮浸泡时转轴表面温度的变化情况，转轴表面温度变化曲线如图2所示。将假轴完全浸泡在液氮中进行冷却，分别测量模芯在液氮中冷冻30 min、40 min和50 min后，同一个位置的外径尺寸，每次取四点进行测量，对比不同冷冻时间下假轴尺寸的变化情况，结果如表1所示。通过液氮冷冻试验可以得出，假轴浸泡在液氮中会立刻与液氮发生热交换，液氮会立刻出现沸腾挥发。从图2温度曲线可以得出，假轴表面温度在90 s内可降至-174，假轴会迅速降温。由表1可知：假轴在冷冻30 min后外圆尺寸已稳定，假轴冷冻40 min和50 min后外圆尺寸不再发生变化；假轴冷冻后再恢复到常温，假轴的外圆图2 假轴表面温度变化曲线200-20-40-60-80-100-120-140-160-180温度/()时间/s02050708090104030601002023年第3期 57 尺寸与冷冻前的外圆尺寸一致，说明了尺寸变化是可恢复的。综上，将转子液氮冷冻时间设置为30 min。钢的热胀冷缩量可用下式计算得到：VL=VTL（1）其中：VL尺寸的变化量；材料的膨胀系数；VT材料温差；L材料配合面尺寸。根据实测模芯外径尺寸为98 mm，材料45钢低温下的膨胀系数=9.110-69.4410-6/，转子实测最低温度为-174，室温为19，温差VT=193，由式（1）可以计算出模芯冷冻后外径尺寸变化的理论值：VL=0.1720.178 mm。通过表1实测模芯在液氮冷冻前后的尺寸对比，可以算出实际模芯在液氮冷冻后的尺寸平均值的变化量为0.17 mm。假轴冷冻30 min后，将假轴从液氮中取出放置在空气中让其自然升温，用传感器测量假轴表面的温度变化情况。假轴从液氮中取出3 min后，假轴的表面温度从-174 升高到-135。由式（1）计算得到此时的VL=0.1370.142 mm，相比-174 状态下假轴增大了0.04 mm，此状态下护套仍可以套入假轴。为保证碳纤维护套的安装性，规定转子从液氮缸取出3 min内将碳纤维护套安装到转轴外圆。3.2 液氮处理前后转轴材料的性能对比 为对比金属材料在液氮处理前后的机械性能，选用45钢和42CrMo两种常用的转轴材料，分别制作6件拉伸试件和6件冲击试件（其中3件为未经冷冻的试件，3件为通过30 min液氮冷冻并恢复常温后的试件），分别对液氮冷却前后的试件进行拉伸试验和冲击试验，结果如表2和表3所示。转轴材料为45钢的图纸机械性能要求：伸长率A16%，抗拉强度Rm600 MPa，屈服强度Rp0.2355 MPa，断面收缩率40%。转轴材料为42CrMo的图纸机械性能要求：伸长率A12%，相对收缩率55%，抗拉强度Rm900 MPa，屈服强度Rp0.2700 MPa，冲击值k58.8 J/cm2。由表2和表3可知，两种材料试件冷冻前后的机械性能均符合母材的机械性能要求。表2 42CrMo材料冷冻前后机械性能试验数据对比试件状态拉伸试件编号强度/MPa伸长率A/%冲击试件编号冲击韧性/(J/cm2)吸收功/J试验温度Rp0.2Rm未经冷冻LS-09-01 10501 11024.0CJ-09-0165.062.0常温LS-09-02 1 060115024.5CJ-09-0269.564.0常温LS-09-03 1 060115021.0CJ-09-0363.561.0常温冷冻恢复后LS-09-04 1 070115024.0CJ-09-0469.065.0常温LS-09-05 1 0601 14024.0CJ-09-0565.062.0常温LS-09-06 1 0601 14024.0CJ-09-0668.565.0常温表3 45钢材料冷冻前后机械性能试验数据对比试件状态拉伸试件编号强度/MPa伸长率A/%冲击试件编号冲击韧性/(J/cm2)吸收功/J试验温度Rp0.2Rm未经冷冻45LS-09-01 750 95025.045CJ-09-0148.062.0常温45LS-09-02 740 95024.045CJ-09-0242.064.0常温45LS-09-03 740 95022.045CJ-09-0345.061.0常温冷冻恢复后45LS-09-04 730 94021.045CJ-09-0450.065.0常温45LS-09-05 850 97024.045CJ-09-0545.062.0常温45LS-09-06 820 96026.045CJ-09-0651.065.0常温 为了解金属材料在液氮冷却处理后金相组织的变化，选用45钢和42CrMo两种常用的转轴材料，分别制作4件试件（其中2件为未经冷冻的试件，2件为通过30 min液氮冷冻并恢复常温后的试件），对其进行液氮冷冻前后的金相组织测试。采用100倍和500倍显微镜对试件进行微观组织观察，结果如图3图6所示。通过对比分析两种材料在液氮冷冻前后的金相组织，发现两种材料的金相组织并未发生变化，主要还是铁素体和珠光体，因此短时的液氮表1 假轴尺寸测量记录单位：mm材料状态假轴尺寸测量点1测量点2测量点3测量点4平均值常温1997.97897.97397.97697.97997.976冷冻30min97.80897.80397.80597.80897.806冷冻40min97.80697.80197.80397.80797.804冷冻50min97.80597.80397.80597.80397.805恢复常温后97.97697.97197.97697.97897.975 58 2023年第3期表4 冷冻前后磁钢性能对比单位：mWb状态磁通量序1序2序3序4序5序6常温19 4.824.854.884.194.124.17冷冻30min4.884.834.824.174.184.15恢复常温4.864.884.844.184.164.12 由表4可以得出，磁钢的磁通量偏差满足磁通量检测偏差不大于3%的要求。3.4 粘接胶的选取及强度验证 依据GB/T 7124-2008 胶粘剂 拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）的规定制备搭接片试样，并按表5粘接胶的固化工艺进行固化。表5 粘接胶固化工艺（厂家提供）编号型号固化条件（厂家提供）1胶11分钟（初固）/24小时（全固）2胶21分钟（初固）/24小时（全固）3胶3室温（2325），24小时（全固）用三款胶各制作5个胶粘试件，将试件粘接好并完全固化后，将试件放置在液氮中冷冻恒温30min，待试件恢复常温后再对试件进行拉伸剪切强度试验，试验结果如表6所示。表6 粘接胶的拉伸强度编号型号拉伸剪切强度/MPa常温冷冻后恢复常温1胶19.88.92胶27.65.33胶311.66.7注：测试五个样品的平均值 在产品结构设计时并未考虑粘接胶的强度，完全是在磁钢粘接胶失效的情况下，用磁钢外圆的防护套来保证产品的可靠性。因此初步认定粘接胶在常温和冷冻之后的拉伸强度不得低于3 MPa。通过粘接胶的拉伸试验可以看出，三种胶在常温下的拉伸试验强度均能满足产品的要求。将拉伸试件冷冻后的剪切强度低于常温下拉伸图3 42CrMo未经液氮冷冻的金相组织（a）100（b）500图4 42CrMo液氮冷冻后的金相组织（a）100（b）500图5 45钢未经液氮冷冻的金相组织（a）100（b）500图6 45钢液氮冷冻后的金相组织（a）100（b）500冷却不会改变原材料已稳定的金相组织5。3.3 液氮处理前后磁钢及充磁性能对比 选取两种不同牌号的磁钢，测量磁钢冷冻前后的磁通量，确定液氮冷冻对磁钢的性能有无影响，磁钢低温处理前后磁通量的对比如表4所示，其中序1序3的磁钢为NdFeB38UH，镀层为镍铜加环氧；序4序6的磁钢为SMCO30H，镀层为镍铜加环氧。（下转第61页）2023年第3期 61 （4）绝缘筒（带工装假轴）上车床，以工装假轴外圆和端面找正（要求端面和外圆跳动在0.03 mm以内），加工绝缘筒配合档外圆至D2（D2为绝缘筒套轴后要求的外圆尺寸）。（5）用装拆绝缘筒工具将绝缘筒从工装假轴上脱开，方法同上序绝缘筒套轴。（6）绝缘筒完成加工且检查合格后，同样利用装拆绝缘筒工具将绝缘筒套至产品转轴上。（7）绝缘筒装配完成后，其外圆尺寸与其套在工装假轴上时的外圆尺寸基本相同。如此便实现了对绝缘筒装配尺寸的精确控制。2.4 本方案的技术优点（1）由于汽轮发电机绝缘筒是大批量、模块化通用部件，以我公司为例，年产150台中小汽发（有绝缘筒机型），需要制造300件绝缘筒，而这300件绝缘筒只有4种型号，因此只需制造4件工装假轴即可满足使用要求，工装利用率高。（2）采用本方案加工的绝缘筒，内、外圆的圆度和同心度不再受薄壁件变形的影响，产品尺寸精度能得到很好的控制。测量更方便，结果更精确。（3）本方案加工和测量方法简单、方便、通用性强，对操作人员和检查人员技能的依赖度低（4）采用本方案加工的绝缘筒，套轴后外圆尺寸公差可控制在0.05 mm以内，可直接套集电环（集电环尺寸提前加工到位）。因此，虽然绝缘筒本身加工周期及成本并没有过多减少，但取消了后期转子装配过程中配加工集电环内圆的工序，降低了项目后续制造的周期和成本。与原方案相比，每台电机（含2件绝缘筒）可降低成本约2 000元（包括集电环配加工费用、人工费和运输费等），缩短生产周期约24 h（包括等待集电环配加工时间）。3 结语 本文所介绍的控制汽轮发电机转子集电环绝缘筒装配尺寸的方法，以工装假轴代替转轴，模拟绝缘筒装配状态，将原有“单件加工装配配加工”方案调整为“模拟装配加工装配”方案，同时通过关键工序前移，有效地解决了绝缘筒加工时薄壁件易变形、内、外圆不同心和壁厚不均匀导致的绝缘筒套轴后外圆尺寸不统一的问题。该方法不仅可以保证产品最终装配尺寸的统一，也有效缩短了产品生产周期，降低了生产成本，具有一定的参考价值。参 考 文 献1 潘成林 电机薄壁零件的加工工艺J 电机技术，1991（2）：39-40（收稿日期：2023-03-28）作者简介：付显栋，男，1987年6月生，本科，机械设计制造及其自动化专业，工程师，现从事汽轮发电机工艺开发工作。试件的剪切强度，但粘接胶的强度仍满足产品要求，故冷冻工艺不会影响转子磁钢粘接的性能。4 结语 本文对高速表贴式转子碳纤维护套冷套工艺进行了研究，确定了转子冷套工艺的可操作性。通过对液氮冷冻前后转轴材料的机械性能、微观镜像等方面进行对比，确定了转轴浸泡到液氮中后，液氮对转轴材料的性能无影响；通过液氮冷冻前后磁钢性能的对比测试，确定液氮冷冻不会对磁钢性能造成影响；通过分析液氮对粘接胶的影响，确定了磁钢粘接胶的选型。参 考 文 献1 王凤翔 高速电机的设计特点及相关技术研究J 沈阳工业大学学报，2006，28（3）：258-2632 ZWYSSIGC，KOLARJW，THALERW，etal Designofa100W，500000rpmpermanent-magnetgeneratorformeso-scalegasturbinesC/40thIASAnnualMeeting Dctober02-06，2005，Hongkong，China NewYork：IEEE，2005：253-2603 谭波 高速表贴式永磁电机转子护套过盈装配工艺研究J 机械制造与智能化，2021（10）：54-564 王尚银，孙睿霞 大型零件大过盈液氮冷装工艺的研究与实践J 机械工程师，2016（1）：35-375 李红英 浅论低温对金属材料性能的影响J 现代矿业，2011，504（4）：113-115（收稿日期：2023-03-13）作者简介：段虎，男，1986年7月生，硕士，工程师，现从事电机工艺技术研究工作。（上接第58页）