一种高速异步鼠笼式电机转子及其制造方法与流程

本发明涉及电机转子，具体涉及一种高速异步鼠笼式电机转子及其制造方法。

背景技术：

1、目前国内大型高速电机主要应用在西气东输、火力发电，航空航天高压的火箭发射技术，在石油化工屏蔽泵也能用到少量的高速电机。近年来，用电单位节能需求旺盛，火力发电用大型电机备受青睐。大型高速电机主要包括永磁同步电机以及异步鼠笼式电机。其中，永磁同步电机转子无励磁绕组，所以无转子铜耗、效率较高，但是永磁同步电机存在高温退磁、成本高、可靠性低、加工工艺复杂、机械强度差等问题，且体积大，在很多场合占用很大的空间。而异步鼠笼式电机虽然没有永磁同步电机中存在的高温退磁问题，可以将峰值功率、额定功率、峰值功率工作时间延长，电机特性受环境影响小，并且具有结构相对简单、制造周期短、体积小等优点。但由于异步鼠笼式电机的转子磁场来自定子励磁，使得电机存在铜耗，电机的能量转化率比同步电机低。虽然异步鼠笼式电机可以通过提高转子的圆周线速度(转子线速度达到300m/s以上)的方式，降低电机铜耗，提高电机能量转化率，增加电机功率。但如此高的圆周线速度对异步鼠笼式电机转子的强度提出了更高的要求。

2、目前，常规的异步鼠笼式电机转子为冲压的硅钢片叠压铁芯制成，或者普通钢做铁芯，圆周边缘均匀分布纵向槽，导体材料以压铸的形式嵌入槽(导体槽)中，导体材料一般为铝/铝合金、铜/铜合金。大型的异步鼠笼式电机转子采用冲压带有槽(导体槽)的硅钢片叠压，铜条(导体条)插入，然后机械固定，短路环和铜条之间采用钎焊连接。上述异步鼠笼式电机转子的结合强度较低，使得转子的转速、使用寿命受到限制，所以无法满足上述要求。具体表现为：异步鼠笼式电机转子在高速运动时，导体条受到巨大的离心力，由于导体条与铁芯之间、导体条与短路环之间的结合强度低，容易造成导体条从导体槽中飞出，或者导体条与短路环断开，造成电机的失效。

3、虽然异步鼠笼式电机转子能够利用不同形状导体槽设计，例如圆形孔，梯形槽，燕尾槽等加强导体条与铁芯的连接，然而在线速度高达300m/s及以上的高速旋转工况下，以及电机反复的启动、停止过程中经受的疲劳和蠕变，依然会造成连接界面失效，从而影响电机使用，甚至还会造成安全事故。

4、专利号cn102906978b公开了用于制造异步电机的笼式转子的方法，提供具有导体棒部段的转子体，转子体的导体棒段设置导体棒槽，导体棒槽的两端制造用于放置短路环的短路环凹部，并与导体棒槽相通。在原位将导体笼式材料压铸到上述的导体棒槽和短路环槽，构成导体棒和短路环，其中导体棒和短路环相连接为笼形。压铸前在导体棒槽中施加增附层，增附层的选择依据导体材料和转子体的材料能够相互扩散，由此实现冶金上的结合，当导体材料选择铜时，增附层是含镍的。通过热等静压挤压过程，在压铸之后加强笼部件导体棒和短路环与转子体材料的表面处的相互扩散。

5、专利号cn210517921u公开了一种高速电机实心转子结构，包括转子转轴及穿设于转子转轴上的转子本体，转子本体和转子转轴一体成型，转子本体由圆柱部及设于圆柱部两端的圆台部构成，圆柱部和圆台部同轴设置且圆柱部直径大于圆台部下底面直径，圆台部上底面的直径大于转子转轴的直径，转子本体的外圆周上周向均匀设有导槽，导槽内设有与之相适配的导条，转子本体的两端设有与圆台部相适配的锥形内端环，锥形内端环的外侧设有外端环。其中，锥形内端环、导条材质均为cucrzr合金(即cucr1zr)；转子转轴、转子本体以及外端环的材质为高强度合金钢锻件25cr2ni4mov。转子本体、导条、锥形内端环、外端环之间采用扩散焊将其连接成一个整体。以上步骤完成后整体进行热等静压扩散焊接，焊接温度800-1000℃，压力100-150mpa。

6、针对专利号cn102906978b公开的技术方案，需要通过压铸和热等静压处理结合方式实现材料相互扩散，工艺步骤较为复杂。

7、并且专利号cn102906978b和cn210517921u公开方案都并未对热等静压处理后的转子体进行热处理，所以电机转子的结合强度也没有很好。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种高速异步鼠笼式电机转子及其制造方法。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种高速异步鼠笼式电机转子的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、将转子零部件进行装配，得到转子体；所述转子零部件包括转子芯、导体条、短路环以及护环，所述转子芯以及护环采用转子钢，所述导条以及短路环采用导体材料，其中，所述转子钢为25cr2ni4mov合金钢，所述导体材料为铜或cucrzr合金；

5、将所述转子体进行热等静压处理，得到扩散焊接的转子体；

6、将所述扩散焊接的转子体进行热处理，得到高速异步鼠笼式电机转子。

7、进一步的，将转子零部件进行装配，得到转子体，具体包括：

8、将所述导体条设置在转子芯的导体槽内；

9、将转子铁芯的导体槽两端装设所述短路环，所述短路环与导体条连接；

10、在短路环的外侧设置护环。

11、进一步的，在所述护环外侧开设凹槽，所述凹槽用于放置金属块；也用于去除重量，保持转子旋转时平衡。

12、进一步的，所述导体材料为cucrzr合金的合金薄片之间添加单原子层石墨烯制备的符合材料。

13、进一步的，将所述导体条设置在转子铁芯的导体槽内后，

14、所述导体条的径向外圆与转子芯的外圆平齐；

15、或者，所述导体条的径向外圆高出转子芯的外圆0.1-0.5mm。

16、进一步的，将转子零部件进行装配之前，还包括：

17、将所述导体条、短路环、护环上分别添加过渡层；

18、或者，

19、将所述导体槽、转子芯放置短路环位置以及护环上分别添加过渡层。

20、进一步的，所述过渡层采用镍/镍合金；

21、所述过渡层的添加方式采用电镀、等离子喷涂或者物理气相沉积；

22、所述过渡层的厚度为5-30μm。

23、进一步的，将所述转子体进行热等静压处理，得到扩散焊接的转子体，具体包括：

24、将所述转子体放入热等静压炉内进行热等静压处理，然后降温出炉，得到扩散焊接的转子体；

25、其中在热等静压处理过程中，传压介质为惰性气体，热等静压压力为100-150mpa，热等静压温度为850-1050℃，保温保压时长控制在2-5小时。

26、进一步的，将所述扩散焊接的转子体进行热处理，用于恢复转子芯的物理性能，得到高速异步鼠笼式电机转子，包括：

27、将所述扩散焊接的转子体先进行淬火处理，得到淬火处理后的转子体；

28、将所述淬火处理后的转子体进行回火处理，得到高速异步鼠笼式电机转子。

29、进一步的，将所述扩散焊接的转子体进行淬火处理，得到淬火处理后的转子体，具体包括：

30、将所述扩散焊接的转子体置于热处理炉中，缓慢加热至900℃-1000℃，保温1-3h，要求透保，得到透保后的转子体；

31、将透保后的转子体出炉，然后迅速放入冷却液中，淬透，得到淬火处理后的转子体。

32、进一步的，将所述淬火处理后的转子体进行回火处理，得到高速异步鼠笼式电机转子，具体包括：

33、将所述淬火处理后的转子体置于加热炉中，缓慢加热到450℃-600℃，保温1-3h，要求透保，将透保后的转子出炉进行空气冷却，得到高速异步鼠笼式电机转子。

34、进一步的，所述将所述转子体进行热等静压处理之前，还包括：

35、对所述转子体进行封焊脱气处理。

36、进一步的，所述对所述转子体进行封焊脱气处理，具体包括：

37、将所述转子体置于包套内，将包套进行焊接密封，通过包套上设置的脱气管将包套内部抽成真空，然后封闭脱气管，得到放置转子体的脱气包套，将放置转子体的脱气包套进行后续热等静压处理；

38、并在热处理操作完成后去除包套。

39、本发明还提供一种高速异步鼠笼式电机转子，高速异步鼠笼式电机转子采用本发明所述的高速异步鼠笼式电机转子制造方法制造而成。

40、和现有技术比，本发明的技术方案具有如下有益技术效果：

41、1.采用热等静压技术，通过以密闭容器中的高压惰性气体等为传压介质，被加工的大型结构的复杂的转子在各向均衡受压，一次性实现各接触面的连接，连接面能实现冶金上的结合，而且致密无缺陷，完全能够满足转子在高速运转时产生的巨大离心力的作用，并能够长时间运转，大大延长了使用寿命，使得转子表面线速度能够不低于300m/s，转子的功率大大提高。

42、2.导体条、短路环采用导电性能优良的cucrzr合金，尤其在制备高速异步电机转子时采用cucrzr合金，在提高导体条、短路环强度的同时，不会降低导电率，不会降低异步电机的效率，且作为优选的，在cucrzr合金的合金薄片之间添加单原子层石墨烯，更好的提高导条以及短路环的导电性能。

43、3.转子芯、护环采用25cr2ni4mov合金钢，25cr2ni4mov合金钢具有较高的强度，良好的可焊接性、可加工性，还具有较好的耐晶间腐蚀性能。

44、4.护环设置在短路环外侧，能够保护cucrzr合金的短路环，分担短路环在转子高速运转时产生的巨大的离心力，以免短路环和导体条运转时受力不均匀，产生裂纹而撕裂，造成巨大破坏，最终造成转子失效，且作为优选的，护环外侧可开设凹槽，凹槽可用于放置平衡块，从而在转子高速运转中，能够调整结构重量，进而起到平衡整个转子的作用。

45、5.所需转子零部件结构简单，尤其是对于转子芯上导体槽的形状、导体条的结构，不需要考虑机械连接时依靠转子芯上导体槽各种形状来保护导体条，大大降低了转子零部件的机加工的难度，可以根据导条的电磁性能设计要求加工成所需形状，大大提高了导体槽的加工效率、缩短了加工时间，也提高了转子的整体电磁性能。

46、6.cucrzr合金、25cr2ni4mov合金钢两类材料熔点和热膨胀系数差别很大，对于大型复杂的转子结构，为保证两种材料更好的连接层，将导体条、短路环、护环上分别添加过渡层，或者将导体槽、转子铁芯放置短路环位置以及护环上分别添加过渡层，促进cu、cr、fe等元素间的扩散，形成新的扩散层，转子接头的连接状态和性能会更好。且作为优选的，过渡层优选为镍/镍合，过渡层的添加方式可采用电镀、等离子喷涂或者物理气相沉积等，过渡层的厚度为5-30μm。

47、7.通过热等静压制备电机转子，由于需要在高温下长时间保温，cucrzr合金、25cr2ni4mov合金钢容易出现粗晶组织，且对于cucrzr合金也会造成cr、zr析出，将热等静压得到的扩散焊接的转子体进行热处理，使25cr2ni4mov材料和cucrzr合金材料晶粒均匀细化，cucrzr合金中的cr、zr均匀分布在基体中，实对长时间处于热等静压的25cr2ni4mov合金钢材料和cucrzr合金材料长大的晶粒充分均匀、固溶，提高材料和焊接接头的疲劳和蠕变，提高鼠笼式电机转子的强度、塑性。

48、8.将导体条设置在转子铁芯的导体槽内后，导体条的径向外圆高出转子芯的外圆0.1-0.5mm，高出部分在热等静压时可以有效补充由于装配间隙形成的空缺。

49、9.将转子体进行热等静压处理之前，对所述转子体进行封焊脱气处理，使得转子体进行热等静压处理的过程中，各零部件接触面能够实现充分接触，相互原子扩散时不会受气压影响。