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摘要
结合生产实际，论述了大型电机采用离心铸铝转子制造过程中离心机的改造、离心铸铝各工艺参数的确定、模具结构的设计等。通过此番对大型电机离心铸铝工艺的研究，为大直径铸铝转子制造奠实了基础。
提高生产效率，降低电机制造成本，是公司在激烈的竟争中立于不败之地的关键。众所周知，铜条转子制造成本高，周期长，难度大；而铸铝转子成本低，生产周期短。采用铸铝转子取代铜条转子，即节约大量铜排，又降低了电机的制造成本，同时提高了生产效率，缩短供货周期，提高市场占有率，保证电机运行稳定性。
近来，我公司为了满足市场需求，在满足性能要求的前提下，采用铸铝转子替代铜条转子。为保证大型电机制造质量，必须尽快完善大型电机转子离心铸铝制造工艺。结合1000kW-4P电机铜条转子改为铸铝转子，研讨了转子离心铸铝工艺。
1 结构
转子外径φ1030mm、端环外径φ1022mm、端环内径φ830mm、端环厚120mm、轴孔φ590 mm，铁心长1100mm，转子总重3.6T，其中铝水净重426kg。转子装夹高度尺寸为1700mm。
2 工艺确定
此大型铸铝转子，国内外都属首次生产，既无成熟经验可借鉴，又无资料可查。经反复研究和分析，精心拟定了一整套离心浇铸工艺实施方案。其中包括设备改制、工艺参数确定和工装结构确定等。
2.1 设备改制
离心机是产生离心力的来源，离心力的大小和离心机的转速是否合理是决定铸铝转子质量的重要因素。原有离心机最大承载重量3T，而该电机转子铁心与铸铝轴的重量就已接近5T。底盘外径及装夹高度和离心机承重等各项远远满足不了生产条件。经过反复研究论证，除满足该台转子直径外，同时兼顾我公司现有产品，确定离心机承重8T，底大盘直径为φ1200mm，另作一个辅助工作台，最大外径可扩大到φ1500 mm。这样可兼顾小直径铸铝转子和大直径铸铝转子的要求。扩大了设备的使用范围，提高了利用率。为满足不同规格转子采用不同转速的要求，原设备没有调速装置，此次改造专门配备了无级调速装置和数显转速表，完全可以满足工艺调速的要求。
2.2 参数的确定
在离心铸铝工艺中，温度是最为关键的，它的高低直接影响铸铝转子质量。要想获得合格的转子，必须控制好模具温度、铁心温度和铝水温度，只有达到温度的合理配合，严格遵循顺序凝固原理，才能获得质量好的铸铝转子。
2.2.1 下模预热温度
铸铝转子下端环在整个凝固过程中率先凝固，因此温度应为最低。同时，为保证光滑、饱满无残缺，内致密和无缩孔，下模预热温度一般确定为100℃~150℃。由于转子端环比较厚、热容量大，冷却时间会比较长，下模预热温度可以相对高一些。生产时，模具最终预热温度范围为120℃~150℃，实际温度为140℃。
2.2.2 铁心温度
由于转子冲片单槽面积大，并且为分段转子，为避免温度高造成铁心瓢曲，铁心温度不易过高。考虑到去除装夹、找正过程中的热量损失，铁心温度设定在450℃~500℃，分流帽的预热温度和铁心温度相同。
2.2.3 上模温度的确定
在顺序凝固过程中，铸铝转子的上端环除了浇口外最后凝固，因此上模温度应该高一些。但由于该铸铝转子用铝量大，浇冒口流量大，浇注过程中铝液传递到上模的热量较多，经计算上模的温度确定为350℃~400℃。这样既能保证合理补缩，保证转子质量，又能缩短整个转子的冷却时间。实际生产时测定上模温度为370℃。
2.2.4 铝液温度
该转子浇铝量426kg，再加上浇口铝水补缩量及漏铝问题，铝水总量按600kg准备。为保证铝水熔化质量，铝水熔化温度最高不超过800℃。考虑转子用铝量大，将铝从坩埚取到吊包的时间长，为减少热量损失，采用保温吊包并预热到380℃，最终浇注温度确定为750℃~ 770℃。
2.2.5 离心机转速
根据资料介绍，当转速为：时铸出的转子质量最好。此时，离心机额定转速应为130r/min~140r/min，最低转速85r/min~90r/min，最高140r/min~150r/min。实际生产时，考虑线速度过大，且转子铁心与模具质量较大，加之端环厚度110mm，铁心长1100mm，装夹高度接近1700mm。为防止下端环出现抛空现象，采用比较低的转速比较合适，最终确定离心机的调速过程和范围为90r/min-70r/min-110r/min。
式中：
n—离心机转速 r/min；
r1—转子端环外圆半径 m；
r2—转子端环内圆半径 m。
2.3 工装设计
2.3.1 下模
（a）壁厚尺寸的确定：考虑到下端环先凝
固，下模应降温快。因此，在保证模具强度的前提下，按从下向上，从外向内的原则考虑模具的壁厚，外侧和底部厚度选择30mm~40mm，内侧20mm。为保证自外向内的凝固顺序，下模内部应聚集一定的热量，底部应连成一体，在适当位置钻4个φ40mm的排气孔。
（b）铁心定位止口尺寸的确定：下模止口与铁心外径是在热态下定位的，尺寸小了铁心放不进去，大了又会造成端环偏心，影响平衡。在生产实践中，我们推导出铁心外径与模具止口冷热态参数的关系，计算出下模止口尺寸应为φ1036.5+0.20mm。
（c）排气槽的设计：下模是铝水最后到达的部位，排气槽设计是否合理直接影响下端环质量。该台电机排气槽数量确定为20个，宽度20mm，深2mm，并且排气槽角度沿离心机旋转方向与成中心线成30°角，经实际应用排气效果好。
（d）溢流槽：根据生产实际经验，在下模内端环处除开排气槽外，开适当的溢流槽对解决2P转子厚端环缩孔问题作用很大，一般溢流槽的深度为2.5mm~3mm厚度比较合适。
2.3.2 上模的设计
（a）主浇口尺寸：上模主浇口部分应容纳一定量的铝液，以保证整个转子自下而上凝固过程中有足够的铝液供补缩直至最后凝固，因此，其容量为转子用铝量的2/3。
（b）分浇口尺寸：该部分是铝液进入转子的重要通道，该尺寸不能过小，否则会因为铝液流量过小而影响整个转子的浇注质量。因此，该截面尺寸的选择主要以端环总截面积为依据，取其2/3作为横浇口的总截面积，分成4个浇口均布。浇口宽480mm×100mm×12°，以保证大流量的铝液快速通过，从而保证浇注速度。
（c）铁心止口尺寸：上模止口与铁心外径均在热态下配合，经计算，上模铁心止口尺寸为
d）分流帽是铝液通过上模主浇口、横浇口的必经通道，按顺序凝固原理，水口内的铝液应最后凝固。分流帽是水口的组成部分，为加大上模横浇口流量，分流帽上又开4个分流槽，与横浇道对应，并留有4个凸台，靠上模压紧。
2.3.3 铸铝轴
根据铁心质量大的特点，要求铸铝轴既有足够的强度、热强度和刚度，重量又轻，还要便于散热，便于拆卸。经反复研究和试验，设计了较为合理的铸铝轴。其结构原理：以中心轴作为支撑件，轴帽上放一个两瓣轴套，轴套材质为HT250。为降低轴套重量，将轴套中间采用6根筋定位，轴套底部和上部整个轴套外径相连接。冲片以轴套定位，这样既能保证周轴套的强度，又起到减低重量的作用。整个工装重量仅为248kg，与原结构设计相比，工装重量降低70％。
为保证铁心质量，增加通风槽管热强度，避免铸铝转子瓢曲，通风槽管厚度由1mm改为2mm，结果检测，瓢曲值为1mm。
2.4 浇注速度
采用降速浇注的方法，将离心机调到90r/min时开始浇铝。当浇到铝液的2/3～3/4时，离心机转速由70r/min。升速到110r/min，在转速上升阶段浇注剩余的1/3~1/4铝液，直至浇完全部铝液。然后，开动风机，冷却40min~50min，停车。
2.5 效益分析
以10000kW-4P为例，铜排11.9kg/根，共62根/台，铜排价格47元/kg。铜端环2个/台，锻件价格1.75万元/个×2个=3.5万元。铜排楔紧键124根/台，价格45元/根。银铜焊料15kg/台，价格800元/kg。铸铝转子铝量553.8kg，20元/kg。材料成本节（11.9×62×47+35000+124×45+15×800）-（438.8×20）＝7.848万元。
铸铝转子制造简单，生产准备时间短，缩短了生产制造周期，提高生产效率，也提高了市场占有率。
3 结语
10000kW-4P铸铝转子的首次试制，无论从转子制造质量和电机运行结果显示，都是非常成功的。其离心铸铝工艺参数和模具结构合理，工艺方法可行，完全适合大直径铸铝转子的运用。
经了解，国内同行业的各个电机厂家，该转子无论在体积还是在功率上都是目前国内最大的铸铝转子。用铸铝转子取代铜条转子，不仅降低材料成本，又提高电机运行可靠性，具有广泛的社会效益和经济效益，值得推广应用。
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