節(jié)能電機生產工藝
曾群
Key Technology in Manufacturing of Ultra High Efficiency Motor
Zeng Qun
Abstract: The ordinary methods of improving the motor efficiency and the key manufacturing technologies of reducing the motor loss were introduced.Bearing chamber rolling process improved the manufacturing precision of bearing housing parts.Automatic online processing of bearing lubricating grease controlled the lubricating grease steadily，reducing the mechanical loss.Rotor processing and cylindrical special processing could reduce the additional stray loss about 0.5% of motor.The annealing and oxidation processing of stator laminations reduced the iron loss，decreasing the processing fluctuation.
Key words: Energy conservation / motor / manufacturing / mechanical loss /iron loss.
摘 要: 介紹了提高電機效率的一般措施與降低電機損耗的關鍵制造技術。端蓋軸承室滾壓工藝可有效提高軸承室配合部位的加工精度。軸承潤滑脂在線定量注脂技術穩(wěn)定控制潤滑脂的注入量，降低了機械耗。轉子加工及外圓特殊處理工藝可平均降低電機附加雜散損耗約0.5%。定轉子沖片的退火及氧化工藝降低了鐵耗，有效減少工藝波動。
關鍵詞: 節(jié)能、電機、生產、機械耗、鐵耗
0 引 言
美國等國家及歐洲都制訂了有關電機的能效標準，新的 IEC 60034- 30 標準將電機的效率分為IE1，IE2，IE3，IE4 共 4 級[ 1] 。目前，美國市場上已有 20% 以上電機達到 IE3 水平，并于 2010 年強制執(zhí)行 IE3 效率等級標準。歐盟 能效新法規(guī)2015 年 1 月起實施，要求輸出功率在7. 5 kW 以上的電機必須達到 IE3 能效等級。我國為鼓勵高效電機推廣使用， 開展了“節(jié)能產品惠民工程高效電機推廣” 工作，財政補貼電機終端用戶， 激發(fā)終端用戶使用高效電機的積極性， 加速我國高效電機市場的發(fā)展。在高效電機的設計制造過程中， 不同的生產廠家有各自不同的方法。電機的結構及電磁方案一旦確定，影響電機效率的主要因素就確定， 若要在此基礎上進一步提高電機效率， 將是一件很困難的事。能夠進一步改善的有效方法就是制造過程的控制。因各制造廠設備狀況、 工藝條件、 工藝裝備等各異，電機各零部件的加工裝配各有特色，
所采取的方法各不相同。簡要介紹一般技術措施，并重點介紹超高效電機制造過程中的關鍵技術。
1 提高電機效率的一般措施
電機損耗包括定轉子銅損耗、 鐵損耗、 機械損耗、 雜散損耗等。降低電機損耗、 提高效率的方法很多，簡要列舉了設計措施，包括:
(1) 降低定子銅耗的措施， 主要包括減小定子電阻、 縮短繞組端部長度; 減薄絕緣， 提高槽滿率、 增加導線截面積、 采用新材料降低電磁線的電阻率等;
(2) 降低轉子鋁耗的措施， 主要包括采用大截面積的轉子槽形和加大端環(huán)截面、 提高鋁的純度、 降低轉子電阻等;
(3) 降低鐵耗的措施， 主要包括采用低損耗的優(yōu)質冷軋硅鋼片，減少電機的渦流損耗; 調整槽形，選用合理的磁通量密度， 減少基波鐵損耗; 增加鐵心長度，減少磁通量密度來降低損耗; 提高鐵心制造質量，保證硅鋼片表面的絕緣等措施;
(4) 降低機械耗的措施， 主要包括高效風扇結構及合理風路、 提高葉片表面粗糙度， 使風流暢通， 提高風扇的效率， 降低風摩耗; 選用優(yōu)質低摩擦軸承、 潤滑脂、 降低摩擦損耗; 提高形位公差精度， 保證電機整機裝配質量， 降低摩擦損耗等;
(5) 降低雜散損耗措施， 主要包括定子槽采用多槽數(shù)，減少定、 轉子槽口寬度， 鐵心兩端采用非導磁材料; 采用“正弦” 繞組以削弱磁場中的高次諧波，削弱附加損耗， 適當增加氣隙， 轉子采用少槽，采用磁性槽楔， 控制斜槽度， 采用特殊斜槽等措施[ 2] 。
2 降低電機損耗的關鍵制造技術
2. 1 降低機械耗的技術措施零部件尺寸采用中間公差及提高形位公差精度，保證零部件在運輸、 裝配時不變形， 同時保證電機整機裝配質量， 從而降低摩擦損耗。生產經驗表明，采用軸承室滾壓工藝可有效提高軸承室配合部位的加工精度， 減少軸承運轉精度帶來的一系列問題; 采用軸承潤滑脂的在線定量注油技術，可穩(wěn)定地控制潤滑脂的注入量，保證批量生產的高效電機機械耗穩(wěn)定。
2. 1. 1 端蓋軸承室滾壓工藝
在高效電機零部件的制造過程中， 端蓋軸承室是影響電機軸承正常運行狀態(tài)的關鍵部位，其基本尺寸、 圓柱度、 粗糙度， 與電機的性能有直接 關 系 ( 包 括 機 械 耗、 噪 聲、 軸 承 運 行 溫 度等) 。常 規(guī) 的 車 削 加 工 方 法， 粗 糙 度 僅 能 達3. 2 μm， 保證圓柱度公差相當吃力; 另操作者加工習慣， 軸承室總往下差加工; 鑄件內應力及裝夾應力的影響， 端蓋軸承室加工后應力釋放變形， 造成軸承室尺寸超差。隨機抽取的端蓋測試情況如圖 1 所示。
圖 1 抽取的端蓋測試情況
從圖 1 可看出:
( 1) 軸承室加工后尺寸公差離散性較大， 不合格比例約 15% ;
( 2) 軸承室圓柱度基本在公差范圍內， 但離散性較大;
( 3 ) 軸 承 室 粗 糙 度 不 合 格 比 例 較 大( 約 60% ) 。
為有效改善以上狀況， 穩(wěn)定端蓋軸承室加工質量，購買了具有專利技術的高精內徑滾壓工具，并制定了相應的工藝技術措施， 在端蓋軸承室精車后增加滾壓工序。軸承室滾壓在搖臂鉆床進行，采用浮動裝夾、 滾壓余量 0. 02 ～ 0. 05 mm、 手動進給、 煤油潤滑等[ 3] 。該工藝應用后， 尺寸精度、 形位公差及表面粗糙度均有大幅提高， 且質量穩(wěn)定、 效率較高。圖 2 是滾壓工藝的應用效果。
圖二 滾壓后測量數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)對比結果:
( 1) 尺寸公差帶壓縮，尺寸穩(wěn)定性提高;
( 2) 消除了不良習慣對工件精度的影響;
( 3) 軸承室圓柱度明顯提高， 公差值進一步減小;
( 4) 粗糙度全部降低，高于圖紙要求。
經過對高效電機的批量生產驗證， 推廣軸承室滾壓工藝前生產的電機由于機械耗的影響，一次交試合格率低， 采取刮軸承室、 車內風扇、換潤滑脂、 車甩油環(huán)等多種方法修理后才能合格。應用新工藝后， 電機一次交試合格率大幅
提高， 因機械耗偏大影響電機效率的情況減少，效果明顯。
2. 1. 2 軸承潤滑脂的在線定量注油技術
中小型電機的軸承普遍采用滾動軸承， 采用合適的優(yōu)質潤滑劑。傳統(tǒng)的工藝方法是， 在軸承裝配前在軸承內手工抹入潤滑油脂， 然后裝配軸承，最后利用油槍再次對電機加注潤滑脂。這種手工加注油脂的方法存在的問題如下:
( 1) 涂抹量不易控制，對軸承部位潤滑、 機械損耗都有影響;
( 2) 潤滑油脂易受污染， 且手工抹入后電機零部件周圍有油污;
( 3) 工序多，操作不便。
目前沒有能夠定量為電機注油的裝置。為有效控制潤滑脂的加入量，經過大量的技術驗證， 確定應用自動注脂機、 油管、 快換接頭等實現(xiàn)電機在線裝配自動定量注油。該技術將注油機設置在電機裝配線的下線處， 電機在裝配過程中無須加注油脂，電機下線時將裝配線自動定量注油裝置的快換接頭與電機注油管相連接， 起動注油機即可自動定量為電機加注油脂。自動定量注油裝置如圖 3 所示。此裝置具有使用方便、 定量準確、 高效快捷的優(yōu)點，目前在高效電機及其他電機中廣泛應用，并獲得國家實用新型專利。
圖 3 在線裝配自動定量注油裝置
2. 2 降低雜散損耗的技術措施
轉子外圓在電機生產廠家普遍采用車加工工藝。由于槽口鋁條的影響， 車削交替從硬的硅鋼片到軟的鋁，因機床精度較差，轉子外圓加工后尺寸不穩(wěn)定。如采用一刀車成加上部分轉子外徑加工余量較小，會使轉子外徑表面質量差、 毛刺大，或者轉子表面片間粘連嚴重，導致電機雜耗大、 溫升高、 效率低， 因此對轉子外圓車加工工藝過程、參數(shù)、 質量檢驗標準等進行規(guī)范， 顯得尤為重要。轉子的磁場換向頻率很低， 轉子硅鋼片自身產生的磁滯損耗和渦流損耗可以忽略， 雜耗主要來源于槽口部位鋁導條與轉子沖片外圓的導通形成的橫向電流損耗， 需精車、 焙燒、 外圓特殊處理，增大轉子外圓導條與沖片、 沖片與沖片之間的電阻， 減小橫向電流引起的雜散損耗。通過分析，可在轉子精車時推廣應用新型刀具及工藝。大多生產廠家車轉子外圓時使用 45°正偏刀，刃傾角為正值， 同樣的切削參數(shù)情況下，該刀的軸向分力較大， 易使硅鋼片倒片及粘連。
新工藝使用 93°正偏山特維克機夾刀， 因刀具的軸向分力較小，可減少硅鋼片倒片及粘連， 能有效提高轉子的表面加工質量。對轉子外圓按粗、 精分開和一次車成兩種方法進行加工后對比， 發(fā)現(xiàn)一刀車出的轉子表面顏色發(fā)暗， 表面粗糙度也較差; 而粗、 精二次走刀車成的轉子表面明亮， 表面粗糙度較好。只在精車時使用 93° 正偏機夾刀，并選擇合適的切削參數(shù)對不同材料的硅鋼片進行了刀具耐用度、 工件表面質量的驗證，表明此方法能夠獲得較高的刀具耐用度和加工質量。新工藝轉子外圓質量要求確定為: 在開口槽時， 以鋁條與硅鋼片之間是否有毛刺及表面粗糙度作為檢驗標準; 閉口槽，以表面粗糙度作為檢驗標準。應用新工藝后，從加工后表觀質量看， 毛刺減少、 片間粘連得到有效控制， 表面粗糙度提高。在其他工藝條件沒有大變化的情況下， 僅對比轉子加工新工藝對電機雜耗的影響， 如圖 4 所示。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析， 推廣新工藝后雜耗占輸入功率的比例呈下降趨勢， 平均比例約 0. 1% [ 4] 。
圖 4 應用新工藝后實測雜耗
為進一步提高轉子外圓加工質量， 可推廣應用轉子外圓特殊處理工藝作為輔助的工藝措施。大量試驗數(shù)據(jù)證明， 轉子外圓經過特殊處理可降低雜散損耗，降低溫升 5 ～ 20 K， 提高效率 0. 4% ，效果明顯。轉子外圓特殊處理依靠的是過程控制，溶液的配比、 加熱溫度控制、 處理方法等是影響最終產品性能的重要因素。具體操作就是利用氣割槍火焰加熱或加熱爐， 將轉子表面加熱至約70 ℃ ，將配好的酸液均勻的在轉子表面刷洗， 利用化學反應的方法將轉子外圓加工毛刺、 積屑瘤等去除，降低電機運行時的附加損耗。轉子外圓特殊處理的質量檢驗標準確定為 10 × 觀察轉子表面，應片間分明， 清晰可見， 不見毛刺倒入鋁條內; 片間毛刺和積屑瘤明顯消失，沖片的輪廓線清晰，不粘連; 轉子表面應顏色均勻， 呈暗金屬色。但該工藝對環(huán)境有一定的不利影響， 主要是酸液加熱后的酸霧產生劇烈的刺激性， 對人身有一定的危害，因此需采取防護措施。轉子用水沖洗后，需用一定濃度的堿水中和殘留酸液， 符合國家對節(jié)能減排、 環(huán)境保護的要求。圖 5 是對一批電機應用外圓特殊處理工藝前后實測雜耗對比。由圖 5 可知， 大部分情況下轉子外圓特殊處理后雜耗占輸入功率有一定幅度的降低， 平均降低附加損耗 0. 4% 。
圖 5 酸洗前后試驗對比
綜合以上情況， 采用高效電機的轉子加工新工藝及外圓特殊處理技術， 可平均降低電機附加雜散損耗約 0. 5% 。
2. 3 降低鐵耗的工藝措施
電機沖片用冷軋硅鋼片經沖剪加工后， 沿沖剪分離線的邊緣由于塑性變形引起了內部應力的積聚和物理性能的變化， 會導致冷軋硅鋼片的導磁性能降低、 鐵耗增加，這對充分利用冷軋硅鋼片的優(yōu)良導磁性能帶來了不利因素。降低鐵耗、 提高磁感應強度是高效電機設計制造的重要因素�；謴屠滠埞桎撈跊_剪后的高導磁、 低損耗性能，消除冷軋硅鋼片沖剪時因塑性變形引起的沖剪應力，可選擇合適的退火處理工藝。試驗結果表明，冷軋硅鋼板退火后，鐵損比退火前有明顯降低， 降低幅度超過 15% ， 導磁性能也有提高， 是高效電機生產中降低鐵耗的重要工藝措施。氧化工藝也能經濟、 方便地應用于高效電機的定轉子沖片制造中。將沖片置于氧化爐中， 加熱至 550 ～ 580 ℃ 時， 通入氧化劑、 經過規(guī)定條件的氧化處理后， 在沖片表面生成一層均勻牢固的具有良好絕緣性能的薄膜。其特點: 氧化膜導磁傳熱，有利于降低電機溫升; 氧化處理后沖片退火
及氧化膜能減少渦流損耗，有利于降低電機鐵耗;氧化的沖片有利于提高鐵心裝壓系數(shù)和槽形整齊度; 與涂漆工藝比較， 氧化膜耐高溫性能優(yōu)于涂漆; 氧化工藝能減少工人勞動量， 無絕緣漆消耗，有利于降低制造成本。實踐證明， 氧化工藝對降低電機鐵耗有比較明顯的效果。
3 結 語
介紹了提高電機效率的一般措施。高精內徑滾壓工具在端蓋軸承室精車后增加滾壓工序， 軸承室滾壓在搖臂鉆床進行， 該工藝應用后尺寸精度、 形位公差及表面粗糙度均有大幅提高，且質量穩(wěn)定、 效率較高。自動注脂機、 油管、 快換接頭等實現(xiàn)電機在線裝配自動定量注油， 此技術具有使用方便、 定量準確、 高效快捷的優(yōu)點。采用高效電機的轉子加工新工藝及外圓特殊處理技術， 可以
平均降低電機附加雜散損耗約 0. 5% 。氧化工藝能減少工人勞動量，無絕緣漆消耗，有利于降低制造成本。這些措施能夠降低損耗，穩(wěn)定工序質量，有效減少工藝波動， 為高效電機的批量生產提供有力技術支持。
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