大型永磁电机制造关键工艺研究.pdf

大型永磁电机制造关键工艺研究李晓民熊伟平(上海电气风电集团股份有限公司浙江杭州)摘 要 对大型永磁电机制造关键工艺进行了分析和研究指出影响大型永磁电机制造质量的关键工序、技术难点及对应的解决方法对大型永磁电机的生产制造具有参考借鉴作用 关键词 大型永磁电机制造关键工艺:./.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.).引言电机中心高度大于 的大型永磁电机按定子冷却方式一般分为水冷电机和空冷电机两大类 水冷电机定子铁心与机座一般采用过盈配合使定子铁心外壁与机座内壁紧密贴合以传递电机力矩及利于电机运行过程中产生热量的传导、提高电机散热效率空冷电机内部设计有空气循环通风道采用冷却风机将电机外部的冷空气引入电机内部通过通风道循环带走电机运行过程中产生的热量完成电机的散热大型永磁电机不论是水冷电机还是空冷电机由于其结构特点定子径向尺寸过大定子铁心和机座均为类似于薄壁圆筒件的结构在定子制造过程中定子铁心极易变形从而影响产品质量严重的甚至会引起整个定子的报废 大型永磁电机转子上磁钢的布置方式以内嵌式居多一般将磁钢直接插入转子铁心的磁钢槽内或将磁钢封装在磁极铁心内形成磁钢模组然后再将磁钢模组安装在转子支架上 安装磁钢后的转子磁吸力极强转子动平衡需要在专用动平衡机上进行定、转子合装时也要设计合理的工装防止装配过程中定转子相吸 本文对大型水冷却电机定子制造关键工艺进行梳理 大型永磁电机定子制造关键工艺.产品设计阶段需要考虑的关键制造工艺因素 大型电机定子径向和轴向尺寸都非常大设计过程中要充分考虑制造、转运过程中定子的变形问题合理设计吊装位置.设计阶段尽量增强机座的强度可选用强度等级较高的钢板或适当布置加强筋板.在满足产品结构强度的基础上尽量减少定子筋与定子铁心的焊接量焊接量过大将导致定子铁心焊接定子筋后整体收缩量过大需要注意的是大型电机定子铁心焊接后径向和轴向均会产生收缩.合理设计定子铁心外径与机座内径配合面的过盈量此过盈量不宜过大满足结构强度和散热要求即可 如果过盈量过大将导致热套机座后机座及定子铁心变形进而导致电机振动、异响等情况.合理设计机座、定子铁心吊装位置机座要设计出合理的翻身吊点定子铁心吊点尽量设计成 个及以上.定子铁心制造关键工艺.定子铁心装压胎的设计:大型电机定子铁心的结构特点是直径大、长度长在制造过程中极易变形因此定子铁心装压工装设计时要考虑结构强度高同时考虑退胎的便利性提高工作效率基于以上考虑定子铁心装压工装可设计成两半圆分瓣或三瓣分瓣合拼结构工装底板、本体、顶板采用梯形止口连接在分瓣合缝面间配装垫板以增大工装整体强度工装示意图如图 所示图 定子铁心装压胎示意图.定子铁心制造过程()叠片:叠片过程中所有冲片的毛刺方向一致如有记号槽记号槽的位置方向也要一致随时用橡胶锤轻轻敲冲片使其平整并用整形棒修整槽型 每叠完 长铁心将铁心段夹紧在铁心圆周方向选取均匀分布的 点检查铁心长度如果铁心圆周方向长度尺寸不一致需通过加减冲片等方式进行调整()定子铁心预压:为保证定子铁心装压质量定子铁心长度大于 时预压一次定子铁心长度 以上时则需预压两次或以上预压前仔细检查保证定子冲片平面与油压机压力方向垂直、定子铁心中心线与油压机中心线一致 铁心及工装位置调整好后应先给一个较小的压力()进行初步压紧然后检查铁心是否出现歪斜等问题如有则需进行调整直到不出现问题才给到所需压力进行压紧预压压力可按照片间压强.进行计算计算公式如下 ()式中所需压力单位为吨()整圆时冲片的数量(整圆冲片 值为)冲片净面积()压强()重力加速度取值.(/)()装压:叠片至图纸要求冲片高时安装定子齿压板及拉紧螺杆并最终压紧铁心压力可按照片间压强.进行计算测量铁心长度圆周方向均分 个点进行测量根据测量结果差适当增减冲片调整铁心长度保证定子铁心长度为设计长度 (预留焊接收缩率根据实际产品参数进行适当调整)()在油压机保压状态下点焊定子筋、把紧拉紧螺杆、焊接定子筋定子铁心吊下油压机后焊接定子筋时注意控制焊接变形采用对称交叉焊的方法焊接定子筋()车定子铁心外径:车削时注意对铁心端面进行防护防止铁屑进入铁心槽内影响定子铁心退胎质量()定子铁心退胎:将定子铁心连同装压工装吊放于专用吊具上专用吊具与定子铁心底面圆周接触受力均匀吊具吊点为圆周分布的 点安装专用吊具取下分瓣装压胎合缝面上的垫板然后拆下装压胎顶板进行退胎.有绕组定子铁心的制造为防止铁心变形定子铁心下线、浸漆、烘干时不可放倒采用立式下线、浸漆、烘干的工艺方法:定子铁心退胎后用专用吊具将其吊放在圆周布置的 个垫铁平台上平台高度 左右方便下线作业在定子铁心内部利用升降工作台下线 在工序间转运过程中必须使用专用吊具.机座的加工:首次制造时需要根据退胎后实测的定子铁心外径配加工机座内径以保证定子铁心与机座的过盈量 测量外径时在定子铁心上、中、下 个位置测量每个位置测量 点取平均值 机座上定子铁心安装定位止口及机座两端安装端盖的止口要一次装夹加工完成以保证上述止口的同心度 同时大型电机的机座等加工应在恒温车间进行如无恒温车间在加工时必须考虑各大型零部件配合尺寸加工时的温差补偿.定子制造工艺要点:机座与定子铁心一般采用热套工艺即加热机座利用机座内径热膨胀的原理套入铁心 机座热套定子铁心有两种工艺方案:加热后的机座放置于工作台上起吊定子铁心进行热套或定子铁心放置于工作台上起吊加热后的机座进行热套 采用方案一时为避免吊装引起定子铁心变形定子铁心吊点最好设置成 个圆周均布采用带 个吊链的平衡吊梁吊装定子铁心采用方案二时可避免吊装定子铁心而产生定子铁心变形但机座加热前要试吊机座调整好机座内径使其与地面垂直并做好标记机座加热完成后迅速按试吊时的调整标记起吊操作难度较大热套机座根据公式()计算机座加热温度根据机座钢板厚度确定保温时间机座加热到预定温度并达到保温时间后将机座吊起确认机座垂直后热套机座 ()式中工件需要加热的温度值()配合面最大过盈量()配合面直径()加大系数一般取 /材料线膨胀系数环境温度()机座完全自然冷却后方可转序进行后序制造 大型永磁电机转子制造.大型永磁电机转子磁钢安装工艺大型永磁电机转子上磁钢的布置方式以内嵌式居多一般将磁钢直接插入转子铁心的磁钢槽内或将磁钢封装在磁极铁心内形成磁钢模组然后再将磁钢模组安装在转子支架上磁钢安装工装采用非铁磁性材料制作如铝合金、不锈钢、尼龙板等磁钢安装工装的设计原则是安全性好、结构简单、导向部位公差选择合理磁钢安装时先安装磁钢安装工装通过电动、气动或手动等方式将磁钢或磁钢模组通过磁钢安装工装推入磁钢安装位置需要注意的是先装入的磁钢会对邻近槽后装入的磁钢有很强的磁吸力使后装入磁钢快速自动吸入转子铁心中间位置严重的会使后装入槽的两块磁钢因冲击而破碎这种情况在转子磁钢切向布置的大型永磁电机较为常见 解决方案为环向逐槽安装磁钢即第一槽安装首块磁钢然后安装第二槽的首块磁钢以此类推所有磁钢槽安装完首块磁钢再环向安装各槽第二块磁钢直至磁钢安装完毕.电机刚性转子动平衡工艺电机转子在围绕其轴线旋转时由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力 这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动产生噪声和加速轴承磨损以致严重影响电机的性能和寿命所以电机转子动平衡是非常重要的永磁电机转子因具有很大的磁吸力动平衡要在专用动平衡机上进行专用动平衡机与转子接触或邻近的摆架等零部件要采用不锈钢等制造转子外圆与床身也要预留足够的安全距离防止磁吸力影响检测精度或产生操作危险电机刚性转子平衡半径处单面允许剩余不平衡质量 可按公式()计算()()()其中 ()()即()式中转子平衡半径处单面许用剩余不平衡质量()转子平衡半径()转子工作转速(/)许用剩余不平衡量()许用剩余不平衡度(/)电机转子转速的角速度数值(/)电机转子重量()转子平衡品质级别(/)考虑到平衡工装和焊平衡块等变化的影响在实际动平衡操作中单面许用不平衡质量应控制为计算值的/但在检查时只要单面许用不平衡质量小于计算值即合格一般情况下初平衡时必须先用低速校正大型电机转子动平衡一般采用加重法动平衡过程中不要一次把欠缺的不平衡量补全要根据两个平衡面上不平衡量的位置及焊平衡块等变化的影响综合考虑适当加减平衡块 大型永磁电机总装配工艺大型永磁电动滚筒电动机定、转子合成装配时因转子上的磁钢会与定子产生极大的磁吸力装配时稍有不慎就会引起定、转子相吸而导致装配失败还会磕碰定子绕组铁心的端部线圈所以不能像普通电机那样直接合装需要设计专用的定、转子合装工装大型永磁电机定、转子合成装配时可采用刚度很强的大型永磁电机合装设备如图 所示合装机由底座、可移动定子定位平台、转子固定导向轴、转子可移动导向轴等组成 定、转子合装前先将电机两端端盖分别置于合装机转子导向轴内侧将电机定子固定于可移动定子定位平台上并先移动到合装机一侧然后将转子通过两导向轴顶紧装置固定控制设备将移动定子待定、转子铁心轴向对正后完成两端轴承及端盖装配图 大型永磁电机合装设备由于大型永磁电机合装设备成本较高对于小批量生产的大型永磁电机也可采用立式合装(电机轴线与地面垂直)的工艺方案利用重力完成装配采用立式装配时制造定、转子合装工装即可装配前需先将电机定、转子翻身即电机定、转子轴线与地面呈垂直的状态 永磁电机定、转子合装工装一般由定子定位台架、转子导向装置构成工装设计、制造时定子定位台架和转子导向装置的同心度要严格控制同时要注意工装的整体强度要强以克服定、转子合装时各部件装配偏差引起的偏心磁拉力 定、转子合装时先将定子一端用螺栓固定在定子定位台架上在定子圆周贴近内壁均布隔磁防护条防止垂直插转子过程中定、转子相吸隔磁防护条的厚度要小于电机气隙然后在转子上安装导向轴(或导向套)用转子吊具起吊转子并缓缓降落转子通过转子导向装置与导向轴(或导向套)径向定位完成插转子然后安装上部端盖及轴承装配 结语大型永磁电机因结构特殊其制造工艺有一定的独特性本文对大型永磁电机关键零部件的加工制造和整机合成装配进行了详细的分析并在实际生产中进行了验证对类似结构大型永磁电机的生产制造有很好的参考作用参考文献/.机械振动 恒态(刚性)转子平衡品质要求 第一部分:规范与平衡允差的检验(:).李威扬黄鹏程孟曙光.永磁同步电机转子磁钢拓扑结构与运行工况匹配性分析.防爆电机.李宏宇.高压永磁电机生产工艺优化.防爆电机.作者简介:李晓民 男 年生毕业于东北林业大学工业工程专业现从事永磁电机的研发和制造工作.收稿日期:(上接 页)由于转子导条有铸铝改为铜条转子重量有所增加故需对临界转速和和扰度进行校验 临界转速()/.挠度/.轴采用锻钢 根据用户要求需进行超声波无损探伤检验检验应符合/.核电厂核岛机械设备无损检测第 部分:超声检测 结语电磁设计时要充分考虑结构变化对性能影响不能只关注计算得出的电磁性能 对于方箱空空冷、空水冷电机内风扇设计时要充分考虑风量的分配使进风量在绕组端部风路和定转子铁心风路分配更合理通过对该电机温升高问题的处理收集了大量的数据、积累了解决问题的经验为后续同类型电机温升高问题解决提供了借鉴也为后续新产品设计开发提供了支撑参考文献 旋转电机.定额和性能.上海电器科学研究所.中小型电机设计手册.北京:机械工业出版社.赵喜龙.基于 分析高压电机铁心分段对电机温升的影响.防爆电机.作者简介:向恒男 年生毕业于华北电力大学(北京)电气工程及其自动化专业现从事电气设备鉴定相关工作.收稿日期: