電磁感應技術在電機制造中的應用

謝常春

(山東齊魯電機制造有限公司，濟南 250100)

隨著國內外制造業技術的進步，電動機產品也向大型化發展，YKK、YR、TK等系列電動機單機容量越來越大，包括導體截面的結構尺寸也相應增加。電機生產中，鼠籠型轉子的導條與端環、繞線型轉子的上下層線圈、凸極式轉子的轉軸與磁軛，均須進行加熱焊接或熱套裝配，YR系列轉子支架及TK、TDMK系列同步電動機磁軛，也需要電阻爐加熱后進行熱套。但原有的加熱工藝不僅生產成本高、生產效率低、耗能高、而且對員工操作經驗要求高、勞動強度大。

試驗研究表明，新的電磁感應技術溫度易控制，可實現節能高效、成本減少、焊縫強度大、裝配方便等顯著效果。感應釬焊利用電磁感應、集膚效應和熱傳導原理，加熱時間、頻率、功率互相關聯，對于不同的用途，應選擇最恰當的工藝參數。應用先進的感應加熱工藝，對電機生產制造中的線圈釬焊、端環焊接、磁軛熱套等工藝進行革新，可有效提高產品的工藝技術水平。

感應加熱原理為交變電流產生交變磁場，利用交變磁場產生渦流來達到加熱的效果。電磁感應加熱設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載或工作感應器。

圖1 電磁感應加熱設備工作原理圖

1．1 繞線轉子并頭套焊接

繞線轉子電機并頭套原為紫銅板彎型結構，在上下層線圈間用銅條楔緊，制造工藝復雜，配合間隙大，裝配效率低。采用傳統火焰釬焊，焊接時間長，受熱面積小，接頭強度低，并且容易燒傷絕緣。

確定采用中高頻感應硬釬焊工藝及專用工藝裝備。設計新的轉子線圈并頭套為H型結構，進行并頭新結構的設計、感應電源功率選擇、感應頻率的分析感應釬焊過程的精確控制等工作，解決轉子線圈端部質量穩定性等問題。

選用T2紫銅材料作為繞線轉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?？紤]工作效率，并頭套選用拉制成型為條狀料，使用時用鋸床加工或沖床沖制，長度為線規寬度的40%～50%。裝配結構及加熱方式如圖2所示。

1．2 銅條轉子端環焊接

利用中頻感應加熱技術，采用整體式感應圈結構。通過對大型電動機端環中頻焊接工藝的研究，實現大型電機端環一次性整體焊接，可靠地保證電機轉子端環的焊接質量。

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

例如YKS630-4，1 600 kW電動機轉子端環內徑r1為34.5 cm，外徑r2為44.7 cm，端環厚度5 cm，導條尺寸8.1 mm×63 mm，共47只。

被加熱金屬質量m：應是感應線圈包含的區域與加熱時熱擴展范圍內被焊件質量的總和。如果加熱時間為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 ℃。

端環和導條質量m約為：

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

目前，公司生產異步電動機最大機座號為1000，共計57種端環?，F有常規產品的端環尺寸最大外徑為894 mm。為防止因鐵心過熱破壞絕緣層，將端環加熱時間控制在20 min以內，而YKS630-4等相對較小的產品，端環在10 min左右即能達到焊接溫度?？紤]到加熱效率及功率因數，并為今后制造大容量電機留出功率裕度，實際選用感應加熱電源功率為160 kW(功率可調)。

1．3 磁軛及轉子支架熱裝

確定磁軛及轉子支架的加熱方式，計算熱套溫度，制造通用性較高的感應器，實現轉子中頻感應加熱套裝，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為環境溫度(℃)；
K為溫度系數，K×10-6為材料線膨脹系數(1/℃)

磁軛及轉子支架根據以上計算公式計算，熱套溫度在180 ℃～300 ℃。磁軛及轉子支架感應器為耐溫框架式結構，采用耐高溫環氧板材制作框架，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400 ℃。感應器外徑與工件內徑的間隙要小于10 mm。

繞線轉子上下層線圈新型并頭套感應釬焊工藝路線為：轉子線圈整形-石棉紙填充-T2并頭件成型-并頭件安裝-添加銀焊片-感應加熱施焊(輔助冷卻)。從工藝試驗結果和產品試制的情況來看，該項目采用的H型并頭件中頻焊接工藝流程設計合理，便于操作，感應釬焊工藝參數選擇正確，匹配合理。通過破壞性試驗顯示接頭的綜合機械性能優良，焊透率可達90%以上。采用低銀焊料，通過試驗，完成焊接工藝參數的確定。焊接時，在線圈與并頭套之間放置銀焊片，同時補充焊料。確定工藝參數：感應頻率：15～20 kHz，焊接時間：5～10 s，加熱速度：70～80 ℃/s。

轉子端環整體焊接工藝，實現了一次加熱焊接完成。通過工藝試驗，確定不同規格電機的焊料選擇及用量，焊接工藝參數的確定。焊接時間<20 min，焊接溫升速度為75 ℃/min，焊接溫度750 ℃～830 ℃，感應頻率6～8 kHz。感應器與端環間的間隙對設備的效率影響很大，一般不大于5 mm。根據生產要求，共設計制造了8種規格尺寸的感應器，鐵心進出方便，同時保證感應器與端環的緊密耦合。感應器設計為圓形，感應器采用水電合一的連接方式，選用矩形空心銅管加高導磁率的50W470硅鋼片做導磁體組成焊接感應器。采用專用靠模胎具定位熱彎成型。因焊縫容易產生裂紋，故焊接采用銀焊并要求1 MPa水壓無漏水現象。墊板采用20 mm厚3240絕緣板，耐高溫膠采用克賽新TS747。該整體感應釬焊工藝，得益于感應加熱圈設計合理，工藝方法得當，已在我廠鼠籠型高壓電動機轉子端環與導條焊接中廣泛運用，示意圖如圖3、圖4所示。實踐證明：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 感應圈結構示意圖

圖4 端環整體感應焊接示意圖

繞線型轉子支架熱套工序，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。同步電機磁軛熱套工序，共采用了兩種規格的磁軛外加熱感應器。工藝過程為：加熱工件清理-安裝感應器-覆蓋保溫隔熱毯-感應加熱至溫度-拆除加熱設備-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，中頻加熱時間可大大提速，同時總耗能僅為電阻爐加熱工藝的5%，節能效果明顯。采用中頻感應加熱工藝后，隨著產品發展，需加熱部件越來越大，電阻爐重新擴建大后，占地面積會進一步擴大，而中頻加熱原則上只需更換感應圈即可，可滿足長期規劃的需要。

電磁感應加熱新工藝方法的應用，大大減少了電機制造成本，提高了質量，改善了工作環境，減小了勞動強度。新型并頭套結構簡單，減少銅材的利用，電機轉子并頭套中頻感應釬焊工藝方法采用HLAgCu80-5低銀焊料，不需要添加劑，操作性好，淘汰了BAg45CuZn焊料，縮短了焊接時間。選用矩形空心銅管加高導磁率的硅鋼片做導磁體組成焊接感應器，實現了整體釬焊，新設計中頻焊機專用工裝，適用范圍廣，可用于現有各型號電機端環的焊接。感應加熱套裝工藝裝備，取代了電爐加熱工藝，同時兼顧加熱設備的通用性，感應加熱套裝過程中，空冷感應軟電纜可以繞在工件上進行感應加熱，方便靈活。新工藝的成功應用，有力地促進了電磁感應技術在電機制造中的推廣，對于我國整個電機行業、特別是大型高壓電動機領域制造技術的發展有很好的推動作用。