如何增加铸铝转子的接触电阻
铸铝转子的接触电阻问题
铸铝转子的铝导体和铁芯之间紧紧地贴在一起, 过低的接触电阻产生相当大的横向电流, 特别是当转子斜槽时, 对电动机的杂散损耗及运行性能有显著影响.
一. 接触电阻的测量:
铸铝转子的笼条和转子槽壁的接触非常紧密. 当转子表面精加工时, 刀具的切削压力使槽口的铝导体和铁芯进一步压紧, 它们之间的接触电阻是很小的.
转子铁芯与鼠笼之间的接触电阻的测定: 在鼠笼端环和转子轴之间引入直流电流, 测量鼠笼和铁芯间的平均电压降. 此时, 接触电阻可按下式计算:
Rc=c l Q2Uav/I………………(1)
式中: RC ── 接触电阻 （Ω.mm2）
I ── 通过转子的直流电流(A)
Uav ── 转子鼠笼与铁芯间电压降的平均值(V)
Q2 ── 转子槽数
l── 转子铁芯长度(mm)
C ── 转子笼条截面的周长, 即转子槽周长(mm)
式(1)没有考虑鼠笼端环与铁芯间的接触电阻, 因为其接触电阻值比笼条和铁芯间的接触电阻值要大得多.
二. 接触电阻对电机的影响
对实际生产中各种铸铝转子电动机的分析结果表明: 杂散损耗平均为2~3%, 最高达6.5%, 最小约0.7%, 这种变化主要是由于接触电阻的大小不同. 过小的接触电阻值还显著地 使电机的最小力矩降低.
图1所示为转子铁芯损耗与笼条、铁芯间接触电阻的关系, 从这些数据可以看出接触电阻由0.04欧姆.毫米2增加到30欧姆.毫米2左右时, 铁损耗降低约30%. 损耗降低是因为流经笼条间转子铁芯的电流(即横向电流)所引起的损耗减少了.
图2为负载时笼条接触电阻与杂散损耗、最小转矩的关系. 由图可见, 接触电阻值增加到30欧姆.毫米2时, 会使负载杂散损耗减少约58%.
图1和图2是对封闭式7千瓦6极电动机的实验结果. 此电动机定子槽数为36, 转子槽数为44, 转子槽扭斜一个定子齿距. 许多其它类型的电动机的试验, 也得到了相似的结果. 由上述曲线可以看出, 为了有效地降低电动机的杂散损耗, 笼条和铁芯间的接触电阻值需要增加到30欧姆.毫米2; 而要提高最小转矩改善转矩曲线, 接触电阻值只要大于0.3~0.6欧姆.毫米2即可.
接触电阻值,Ω.mm2
图1 转子铁损耗与接触电阻的关系
接触电阻值,Ω.mm2
图2 负载时接触与杂散损耗、最小转矩的关系
A－杂散损耗 B－最小转矩
试验研究表明: 增加转子笼条和铁芯间的接触电阻, 降低了转子铁芯损耗和负载杂散损耗, 使得电动机的效率提高, 定子绕组温升降低.
不同的铸铝方法, 它们的接触电阻值也不相同. 当采用重力或离心铸铝时, 转子鼠笼和铁芯间的接触电阻值约为0.15~7.0欧姆.毫米2. 对于压力铸铝转子接触电阻值约为0.01~0.09欧姆.毫米2.
由图1和图2可知, 转子采用重力或离心铸铝时的接触电阻值基本上可保证所需的转矩特性, 与采用压力铸铝所得到的指针比较, 电动机的效率有所提高, 温升也有所降低. 电动机指针的这种变化, 特别明显地被生产厂由离心铸铝改为压力铸铝时所证实.
因为压力铸铝是一逢高效率的铸铝工艺, 为了不降低电机的力能指针, 必须寻求切实可行的方法, 以增大转子笼条和铁芯间的接触电阻值.
一. 增大接触电阻的方法
为了增加压铸转子笼条和铁芯间的接触电阻, 减少电机的杂散损耗, 可采用下列工艺措施:
(一) 转子槽绝缘处理
一般是铸铝前对转子槽进行绝缘处理. 处理方法有加氧化膜、磷化层和耐热涂料等.
1. 铁芯的磷化处理:
所谓磷化处理, 就是使用化学或电化学的方法使金属表面生成一种抗腐蚀的磷酸盐薄膜, 是保护金属的一种方法. 这种表面磷化膜与金属结合牢固, 有较高的绝缘性能, 能耐高温. 电工钢板经磷化处理产生的磷化膜, 双面厚度约0.008~0.012毫米, 比涂绝缘漆的漆膜薄, 可用作电工钢板的片间绝缘. 电工钢板的磷化膜可以在450℃下长期工作, 短时可达700℃. 用作异步电动机的槽内和片间绝缘, 可经受住铁芯预热和铝水高温. 它的缺点是导热性差, 磷化处理的工艺较复杂.
磷化处理的配方很多, 某厂化学磷化处理液的配方和工艺过程如下:
马盐 30~40克/升
氟化钠 2~4克/升
硝酸锌 55~65克/升
磷化液的温度为75~85℃, 铁芯压紧后, 经去油处理, 浸入磷化液中10~15分钟, 取出经皂化(用3%的肥皂水冲洗), 再用大量温水冲洗即可.
磷化处理前的工件去油是保证磷化质量的关键工序. 磷化处理所得磷化膜具有多孔性, 一般要经过补充加工才有较好的抗蚀力, 用作绝缘的磷化膜只进行皂化处理即可. 在皂化处理后, 磷化膜表面上覆盖着一层极薄的由铁皂、锰皂或锌皂构成的不溶于水的薄膜, 提高了磷化效果.
转子经磷化处理后, 接触电阻增加, 降低了杂散损耗. 据某厂试验, JO241-44千瓦异步电动机经磷化处理后能使杂散损耗减少47瓦(相当于原损耗的37%), 温升和效率也有改善. 磷化比氧化膜处理效果好.
2. 涂覆耐热绝缘材料
压铸前在槽内表面涂覆或浸清耐热涂料, 国内外已有不少配方, 下面是国外某公司的耐热绝缘涂料配方. 20千瓦电机转子在涂料中浸10分钟, 自然干燥后压铸, 可显著减少电机的杂散损耗.
聚乙烯丁醇 40克
三聚氰胺树脂 35克
苯乙烯单体 25克
磷锌酸(85%) 50克
改性乙醇(乙醇90%,甲醇10%) 650克
i丙醇 150克
(二) 脱壳处理
脱壳处理是利用铝和硅钢片热膨胀系数不同的特点, 将转子加热到540℃左右, 保温2~3小时, 然后将加热了的转子迅速冷却, 使铁芯和铝笼条之间形成微小的间隙, 即所谓“脱壳”, 脱壳可增加接触电阻值.
(三) 转子表面焙烧
将精车的铸铝转子用喷灯或乙炔焰焙烧铁芯表面, 待加热到出现氧化色和受到火焰焙烧的槽口中铝屑发生轻微局部熔化时, 立即投入肥皂水中急剧冷却. 焙烧的目的是去掉铁芯表面和槽口的毛刺以及粘上的铝屑, 以加大接触电阻, 减少表面损耗.
(四) 碱洗转子表面
铸铝转子精车外圆后, 进行表面碱洗处理, 可腐蚀掉转子表面上由于车外圆而压入铁芯中的铝屑, 以及与转子槽相连接的铝须, 增加笼条和铁芯间的接触电阻.
碱洗方法是把浸入水后的转子放入浓度为5%的70~80℃的苛性钠溶液中, 进行腐蚀, 然后在热水中冲洗转子并加以烘干. 由于苛性钠已渗入铁芯, 很难冲洗凈. 腐蚀时间可根据接触电阻的变化, 通过试验确定.
表1是各种不同处理方法对压铸转子接触电阻值的影响.从表内可以看出,对铸铝转子所采取的几种处理方法,均未达到大量降低杂散损耗所需要的接触电阻数值. 只有序号5经磷化处理的转子铁芯焙烧后, 再碱洗可得到接触电阻的必要值(31欧姆.毫米2).
表1 不同处理方法对压铸转子接触电阻Rc(欧姆.毫米2)的影响
序号 | 压铸转子处理方法 | 转子加工后 | 铁芯表面焙烧 | 铁芯表面碱洗 | |||
Rc平均值 | 台数 | Rc平均值 | 台数 | Rc平均值 | 台数 | ||
1 | 成批生产 | 0.04 | 19 | 0.24 | 7 | - | - |
2 | 浇注前铁芯加热到500℃,2~3小时 | 0.15 | 6 | - | - | 2.4 | 4 |
3 | 铸铝转子加热到 540℃,1~2小时 | 1.1 | 3 | - | - | 21 | 3 |
4 | 转子冲片经79000N/m2; 550℃蒸气氧化处理3小时 | 0.15 | 11 | - | - | 3.6 | 6 |
5 | 转子冲片经磷化处理后焙烧再碱洗 | 0.27 | 10 | 3.8 | 7 | 31 | 7 |
转子铸铝后再加热到540℃, 经车加工再碱洗可达到足够高的接触电阻值. 但转子加热到540℃时, 很可能由于铝鼠笼机械容度的下降导致铁芯变形.
对于浇注前铁芯被加热到500℃的转子以及经氧化处理的冲片叠压的转子, 虽经碱洗使接触电阻略大, 但亦不能显著降低杂散损耗.
上述方法, 除磷化处理及耐热绝缘涂料已被某些工厂在生产中采用外, 其它尚未能推广, 因为这些工艺过程对于成批生产的电机, 不能认为是经济、方便的处理方法.