压铸铜转子改进电机效率

解决能源短缺问题的途径之一是通过提高最终使用效率来降低能源需求，为此对能源性能标准和规则不断改进。当全球能源性能标准强化和协调之时，印度标准局修订了能源有效标准和全球标准协调一致，其他国家也引入了基于这些标准的规则，在国内禁止低效电机的制造和销售。在印度，能源效率局正在开发基于新标准的规则、补充管理措施，通过认识更新和采用高效电机的功率，最终用户参与，技术开发及其商业化也是重要的。

铜作为电机的一种选择

由于铜具有较好的导电性和导热性，铜在电气上的应用颇受肯定。目前鼠笼式电机是使用最多的电机，鼠笼式感应电机占到中小电机75%以上的份额，鼠笼式感应电机广泛用于工业、农业、国防、商业、公用设施和运输工业，是所有领域离不开的核心电机。

电机采用铜的优点包括：

· 通过减少损失，较高的效率和降低温度来改进电机性能。

· 提高功率系数来减少电机尺寸和减少活性材料数量，使材料成本下降。

· 需要重新设计电机以满足其他性能参数的条件并适合现有电机的框架尺寸。

目前，鼠笼式感应电机的转子采用铝。用铝压铸技术生产，具有高效和低成本的优势。众所周知，铜的导电率比铝的导电率高出约40%。如果采用铜取代现在广泛使用的铝压铸转子，电机的总损失会明显下降，因为这样就增加了电机总效率。铜压铸转子用来制造高级和超级优质电机。电机的转子和定子重新设计结合压铸铜转子的特性可以实现效率最大化。

在降低电机损失之时，由于转化为热能的能量减少，降低了转子和定子的线圈温度，可以采用较小的风机或根本不用风机，减少摩擦损失和额外部件的空气阻力，从而改进电机效率。与此同时，降低电机的工作温度将大幅延长电机的期望寿命和减少维护费用。一般来说，温度降低10度，可以使绝缘材料的期望寿命翻一倍，所以，在正常维护状态下，采用铜转子的电机具有较长的工作期间和较高的可靠性。

由于铜电阻低，一样感应功率的转子电流，铜转子要比铝转子多，因此采用较少的材料制造一样功率和效率的电机，重量较轻，体积较小。和传统的电机相比，铜的优异抗腐蚀性能具有较好的环境可接受性和可靠性。所有优点给设计者和制造商提供了更具灵活性的设计空间，使他们追求更高效率，成本更低、重量更轻、体积更小， 所有因素能够实现平衡。

压铸铜转子的上述优异特性使其广泛用于普通工业的电机、电动汽车、燃料/电动汽车、潜水泵、循环泵、吊车、飞机控制器、高速芯轴电机、核电站和小型风力发电场。

纯铜的压铸是铸造铜转子大量应用的障碍，由于纯铜熔点（1083度）比铝熔点（660度）高，在实际生产中，铜水的浇注温度为1200度，要求模具材料具有而高温性能，如果采用现在的铝压铸模具来生产铜转子，模具的期望寿命是铸铝期望寿命的百分之一，如此高的压铸温度将降低模具的期望寿命，增加铜转子的成本，成为使用铜转子的主要障碍。

本文将探讨铸钢转子的最新发展，包括压铸技术的改进。

压铸铜转子的主要障碍

生产压铸铜转子的五个难题：

1.没有工艺诀窍

2.要进口价格昂贵的设备

3.不能生产同一质量的合格产品

4.效率值的提高不大

5.模具寿命短

采用压铸生产大批量经济合算的铜转子的技术难题

A.纯铜熔化技术

因为在高温下铜容易氧化，在实验室里避免铜氧化是容易的，而在工厂、大规模商业化生产中就很困难。铜氧化物含量对铜的导电性有直接影响，不能控制铜水的氧化将极大降低铜的导电性，严重影响电机性能。

B.铜铸造工艺

纯铜的结晶结构和冶金性能使铜铸造困难，同时在实际铸造过程里，需要实现最佳化来减少，如气孔缺陷来改进转子质量。

C.模具系统

在模具方面，模具材料的选择和设计需要考虑到，模具材料高性能和模具结构设计最佳化能补偿高温铜对模具性能的影响，以改进期望寿命和降低生产成本。

铜转子电机技术的最新进展

国际铜协提出了基于立式压铸机生产铸造铜转子的方案，目前按照这方案已经大批量生产铸造铜转子，该方案包括以下内容；

· 熔化系统：纯铜熔化技术、熔化系统和保护纯铜不被氧化的创新技术

· 自动熔体传输系统

· 压铸系统：铜铸造工艺和铸造工艺参数控制，立式压铸机及相关工具自动化人机接口

· 为延长模具寿命而改进的模具技术

· 真空支持设备

由于创新的改进，目前基于立式压铸机的方案大大延长了模具期望寿命，大幅降低了生产成本和改进了产品质量，目前这种基于立式压铸机的方案已成熟，已经进入大批量商业化生产。

国际铜协已经开发和明显强化铜电机转子工艺技术，从而改进了鼠笼式感应电机的性能，所开发的技术采用立式压铸工艺，这一工艺通常用于传统铝压铸转子，加上适宜的技术开发来生产铜压铸转子，进而言之，还有其他的创新来简化和建立这一生产工艺，以改进劳动生产率和产品质量。

熔化系统

开发的熔化系统对现有的感应炉做了许多修改，为保持铜纯度，即今年能通过从99%到100%IACS，采用纯铜不被 氧化的创新方法来熔化铜，铜水在控制气氛下被送到压铸机，使铜水暴露在气氛下最少，这一系统的优点是：

· 自动化，所有工艺参数都是最佳化，确定每一转所需铜准确数量。

· 洁净铜输出

· 无氧化夹杂

· 铜水在控制下放流

压铸系统

用于铜铸造的立式压铸系统和生产铝转子的传统压铸机一样，包括立式压铸机铸造工艺参数控制，相关工具，用于自动化的人机接口和开发出来的独有的模具设计。

为延长模具寿命改进模具技术。

九种类型的创新模具材料为延长模具寿命，还有涂层技术，有助于解决模具最小热微裂问题和铜水注入后喷射压力腔的最小时间延迟和一个用于煤气/热空气通风的模具的模具设计。

转子试验设施

转子缺陷即孔隙或龟裂通过转子试验进行检测。

探测转子缺陷技术分为两个范畴，安装好的电机试验方法和拆卸电机的试验方法。

安装好的电机试验方法，采用通过定子传递的讯号来分析转子状况，利用电流正负符号分析，采用FFT频率检测。

拆卸电机试验方法是把单独的传感器非常接近转子自身，拆卸的AC感应电机的试验具有一些优点，能看到转子的状况，通过观察可以容易确认故障，对于鼠笼式感应电机转子裂纹和孔隙并不是总能容易看见，这一试验方法直接用于转子提高了对转子质量的信心。

转子试验设备采用Labview软件创新的面板，其显出Pass/Fail，表明转子状态，当转子在某一速度旋转，速度通过电机驱动系统控制时来进行试验，置于转子表面附近的传感器将探测到讯号并把讯号传给电子装置。

电子装置取样、过滤、输出一正弦波形，软件把从传感器获取实际波形相比较，提供试验报告。

感应测量是通过在感应传感器附近旋转转子来实现，当铜棒通过磁场，在转子铜棒产生感应电流，形成正弦波，一个完整周期代表一个转子带，根据预先设定的公差来检查评估。

启动技术中心目的是：

控制和进行技术试验来能展示这一工艺技术的效力，采用中间试验生产一定批量铜转子。

劝告电机生产商重新设计电机，利用电机总成本大幅下降优势，电机铜转子技术节省能源。

结合铜压铸树都可结果，进行压铸铜转子技术开发，使生产铜转子更加经济，节省设备投资。

帮助中小电机制造商采用现有铝转子设计，在不损害其他工艺参数条件下，采用铜转子实现现有设计最佳化。

培养、采用和转让技术给电机制造商，整套铜转子压铸技术。

从材料处理、模具材料、工艺、电机设计、批准和试验到性能形成，除了技术转让支持外，技术中心具有一定的系列生产能力，有需要时能提供一定数量转子。

电机铜转子对电机制造商的好处：

压铸铜转子和普通电机转子相比，拥有许多优势，较高的铜导电性，具有广泛范围的设计方案：

在同样电机尺寸下，达到一个更高能将水平，通过重新设计转子实现能效最大化，达到更高和超级优质水平。

采用铜导体，定子设计最佳化，达到要求的性能。

保持特定的能效水平，减少电机尺寸和可能减轻电机重量。

在同样能效下，降低总制造成本。

这一技术将激励印度电机制造商在电机效率上有一个量的飞跃，效率提高几乎达到5%，这一提高会在所有领域节省能耗40TWH/年。

表1 电机铜转子&驱动器

电机铜转子对终端用户的好处

引入高效电机在长期运行过程，用于重载周期设备，对终端用户有好处，例如：

降低电耗在经济上有好处，由于逐年大幅较低损失，拥有吸引人的投资回报和资金投资。

电机寿命在经济上有好处，采取适当维护，由于较少维修和重新绕组，电机寿命会延长几年。

品牌形象强化，使用电机用户可以标明如“绿色”“负责任公司”和“环境友好”，因为他们有意降低能耗或改进能效，为减少温室气体排放做贡献，为国家和社会可持续发展做贡献。