动车风机电机机座感应加热工艺研究

王晓群，郭卫东

(1. 中车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412000；2. 常州市君泰机械科技有限公司，江苏 常州 213000)

动车风机电机(以下简称风机电机)用于我公司轨道牵引变压器的散热器驱动单元，对产品的质量及稳定性要求很高。目前，该类风机电机的机座以铸铝材质为主，定子与机座的装配采用烘炉加热工艺：将机座放入热风循环烘箱，由常温加热至工艺温度并保温一定的时间，使铝机座受热膨胀，再将受热的机座套入定子，待机座冷却至室温后即完成装配。采用传统的烘炉加热工艺，加热效率低，加热时间长，能耗高，对现场作业环境有一定的影响，且存在一定的作业安全隐患。

为提升风机电机定子与机座的装配工艺、产品质量及作业效率，降低能源消耗、作业等待浪费等生产成本，改善作业环境，减少烘炉加热工艺作业劳动强度及安全隐患，针对风机电机机座加热工艺开展了以下研究：①机座加热工艺介绍；②机座理论感应加热温度及膨胀量计算；③感应加热工艺验证；④机座感应加热前后变形量分析；⑤感应加热工艺的优势。

1 机座加热工艺介绍

1.1 烘炉加热工艺

烘炉加热工艺采用热风循环烘箱进行加热，烘箱采用风机循环送风方式，风源由循环送风电机带动风轮经由加热器，经由风道将热风送至烘箱内部，再将使用后的空气吸入风道成为风源再度循环，加热使用，使被加热的工件如机座受热均匀[4]。该工艺过程通过将4～6台风机电机机座同时放入烘箱，将烘箱由常温加热至指定的工艺温度参数(如140 ℃)，到达设定温度后继续保温1.5 h，机座出烘箱后迅速套入定子，待机座冷却后进行后续作业，烘炉加热设备见图1。

1.2 感应加热工艺

感应加热工艺采用感应加热机进行加热，该设备使用工频电源，具有加热效率高，对工件尺寸的通用性强等优点，设备结构主要包括加热机床、加热主机、电气操作控制台、工件通用定位工装、加热杆升降气缸及工件弹性测温等装置。该工艺过程通过将风机电机机座放入加热工装上，待机座达到相应的工艺温度后，迅速将机座套入定子，完成套装作业。感应加热设备见图2。

图1 烘炉加热设备

图2 感应加热设备

2 机座理论感应加热温度及膨胀量计算

选取了某典型风机电机JDX进行感应加热工艺研究，其机座采用铸铝合金制造。

2.1 感应加热验证温度确定

根据感应加热温度计算公式：

(1)

式中：T为机座需要加热的温度值，℃；Δ为机座与定子铁芯配合面的最大过盈量，查阅技术图纸，该产品Δ=|机座内径最小值-定子外径最大值|=|210.012-210.126|=0.111 mm；K为加大系数，当轴颈Φ为150～220 mm时，K为0.2～0.3，该机座轴颈(内径)尺寸为210 mm，取K=0.3；α为线膨胀系数，α(铝)=0.000 023 8 ℃-1；D为机座与定子铁芯配合面的基本直径尺寸，mm；t为室温，考虑厂房夏天极端气温，此处t取40 ℃。

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考虑生产实际情况及公司以往经验(该型号产品烘炉加热温度为140 ℃)，该型号产品感应加热验证温度T初始理论值设为130 ℃，同时为了对加热效果进行对比，增加140、150 ℃下的对比验证。

2.2 机座膨胀量计算

为便于对感应加热的实际膨胀量进行验证，对不同感应加热温度下机座的膨胀量进行了理论计算，其中 130、140、150 ℃时，根据机座内径尺寸膨胀量计算公式(2)：

△LT2=α×(T2-T1)×LT1

(2)

各验证温度下的机座膨胀量分别为

△L130℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(130-25)×210 =0.525mm

△L140℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(140-25)×210 =0.575mm

△L150℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(150-25)×210 =0.625mm

按照产品设计图纸，T1选取25 ℃，该温度下机座的基本内径尺寸为210 mm，铝的线膨胀系数α=0.000 023 8 ℃-1。

3 感应加热工艺验证

选取1台JDX型风机电机机座及定子，采用游标卡尺分别测量机座两个不同位置的内径尺寸，并做好位置标记，将定子预先放置在支撑工装上等待套装。

将机座放置在感应加热机的定位工装上，设置加热温度为130 ℃，启动设备开始加热，采用接触式测温枪对机座的表面温度进行测量，当机座表面温度达到130 ℃后，设备自动停止加热，迅速测量标记位置的内径值及实际膨胀量，并将机座迅速套入定子。经验证，该温度下机座可以套入定子，但套入比较困难，环境温度较低时机座快速冷却，出现异常情况无法及时将机座退出。感应加热过程及机座套定子成品分别见图3、图4。

图3 感应加热过程

图4 机座套定子成品

待机座冷却到室温后，继续完成140 ℃及150 ℃下的感应加热验证，最终结果见表1。

通过对JDX型机座分别在130、140、150 ℃的温度下进行感应加热工艺验证，综合考虑实际操作环境、机座的自然冷却速度及设备能耗等因素，将140 ℃定为该型号风机电机机座的感应加热工艺温度。

4 机座感应加热前后变形量分析

为验证感应加热工艺对风机电机机座尺寸变形量的影响，采用三坐标仪扫描了JDX型风机电机机座在恒温(20 ℃)环境下的机座内径尺寸，同时，将机座进行感应加热后，再次测量了自然冷却至20 ℃后对应机座的内径尺寸，以衡量感应加热前后机座尺寸的稳定性，防止因感应加热效率过快造成机座不可逆的形变。测试结果见表2。

表1 JDX型动车风机电机机座感应加热试验记录表

表2 感应加热对JDX型铝机座变形量的影响 mm

通过对机座感应加热前后内径尺寸进行三坐标检测，感应加热对机座的尺寸及圆度影响很小，且机座尺寸均在设计的尺寸范围内，机座不会产生不可逆的形变，冷却后机座尺寸的稳定性可以保证产品性能。

5 感应加热工艺优势

与传统的烘炉加热工艺相比，感应加热工艺具有以下优点：

(1)感应加热工艺效率高，铝机座从常温加热至140 ℃仅需3～4 min，与烘炉加热(4～6台机座同时加热)约需2 h(含保温时间)相比，综合加热效率提升了5～10倍以上。

(2)生产效率提升的同时，能耗也得到大大降低，感应加热机功率为45 kVA，按照加热3 min计算，单台能耗为2.25 kW·h，而烘炉(功率63 kW)加热2 h，单台能耗约21 kW·h，单台可节约电能18.75 kW·h，能耗降低了89.3%。

(3)采用感应加热，设备占地面积小，适用于流水线批量生产作业，同时，感应加热时间短，只对工件加热，不会造成严重的环境污染，更有利于现场操作人员的身体健康。

6 结 论

本文通过采用感应加热技术对动车风机电机铝机座热套定子工艺进行了研究，验证了不同的感应加热温度下机座套装定子的装配情况及感应加热工艺对机座变形量的影响。感应加热技术极大的提升了加热效率，能有效提高产品质量，降低生产成本及操作者的劳动强度，减少烘炉对环境的影响，更适应电机组装流水线操作及电机的批量化生产，可进一步推广应用于其他产品的过盈装配。