小型铸铝转子离心铸造工艺研究

摘 要：现代大中型电机铸铝转子以离心铸造工艺生产居多，而小型铸铝转子主要由压铸方式生产。文章对小型铸铝转子的离心铸造工艺展开研究，验证了离心铸造工艺对小型电机铸铝转子实际生产的可行性，并提高了电机的整机运转性能，取得了良好的成果。

关键词：小型铸铝转子；离心铸造；顺序凝固；致密度；电机效率

如何提高电机的工作效率，同时降低制造成本，一直是广大电机设计制造者追求的目标，只有设计制造出更高效的电机产品，才能让电机制造企业在激烈的市场竞争中生存，同时这也是当今社会节能减排、绿色发展的需要。

以往，我公司生产的小型铸铝转子都采用压铸方式生产，电机效率一直无法得到有效提高，这是由压铸工艺性质本身所决定的，主要是由于压铸速度较快，铁心内的空气无法及时排出，造成铝条及端环处出现细微的气孔，从而影响了电机效率。近来，我公司为提高小型电机的工作效率，从提升转子性能入手，研究了一套离心铸造设备及工艺来生产小型铸铝转子，取得了很好的应用效果，电机实际工作效率提高2%～3%。本文结合NEMA18-4P/2.2kW电机铸铝转子，由压铸方式改为离心铸造工艺后的实际性能进行分析。

1 转子结构

本转子铁心为高冲自扣闭口槽结构，因此浇铸时无需中套。铁心外径∮105mm，铁心高度150mm，端环外径∮103mm，端环内径∮56mm，端环厚度12mm，轴孔∮34mm，转子总重7.95kg，其中铝部净重0.98kg。

2 工艺方案

此小型铸铝转子，国内自动化生产尚属首次，无可借鉴经验，又无资料可查。经过反复分析研究，精心拟定了一整套离心浇铸工艺实施方案。其中包括自动化设备的研究，工艺参数确定和模具结构设计等。

2.1 自动化设备的研究

由于小型铸铝转子一般批量较大，手动浇铸无法满足生产要求，所以为适应生产节奏，特研究了一整套双工位自动化生产设备来提高生产效率，大量使用伺服电机、光电传感器等先进电子元器件，采用先进PLC来进行控制，适用于外径150mm以下，高度200mm以下的闭口槽转子铁心。主要结构包括：（1）铝水保温单元；（2）铁心上料输送单元；（3）转子铁心中频加热单元；（4）铁心进出模抓取单元；（5）模具立式离心旋转单元；，（6）铝水自动浇铸单元；（7）铸铝转子下料输送单元；（8）铸铝转子自动切浇口及退假轴单元；（9）转子码垛单元。其中中频加热单元和模具立式离心旋转单元为核心结构，关系到最终产品的质量。

2.2 模具结构设计

由于NEMA18-4P该型铸铝转子铝环内径只有∮56mm，空间较小，考虑到直浇道拔模斜度等要求，上部铝水入口处尺寸会更小，铝液相对大型转子直浇道更容易凝固，这就提高了工装模具的设计制造的难度，也对浇铸时工艺参数的稳定控制提出了更高的要求。

模具立式旋转单元是整套设备最核心的部分，主要结构包括：（1）漏斗；（2）上模及直浇道；（3）铁心及假轴；（4）下模及冷却翅片；（5）变频旋转电机；（6）下模合模顶升套杆；（7）下模顶升油缸；（8）铸铝转子出模顶升杆；（9）铸铝转子出模顶升油缸；（10）底座。

2.2.1 上下模设计

浇注时严格遵循自下而上的顺序凝固要求，故特意在下模端环位置加了冷却翅片，浇注时随上下模一起旋转，以达到下模端环最先凝固的目的。同时在下模端环内侧均布开出宽度5mm，深度0.1mm的排气槽6个，以利于下端环排气。下模定位止口直径比铁心外径大0.1mm，即105.1mm。

上模与直浇道设计为一体，直浇道高度120mm，斜度为6度，内浇口为对称两瓣式，间隔6mm，浇口高度为4mm，同时在上模平衡柱上方均布开出宽度6mm，深度0.1mm的排气槽8个，以利于上端环排气。上模定位止口直径与下模一致，即105.1mm。

2.2.2 假轴设计

转子中心的假轴主要起到两个作用，1、防止铝液浇入轴孔，2、浇注完成后起到切除直浇口的作用。因此这就要保证假轴既能在高温下连续工作而不变形，同时在切除浇口时要有足够的强度，本设备采用的40Cr材料，加以适当热处理，满足生产要求。

2.3 工艺参数的确定

在离心铸铝工艺中，温度是最为关键的参数之一，它的高低直接影响最终铸铝转子质量。要想获得合格的转子，必须严格控制好模具温度，铁心温度及铝水温度，只有这三者达到合理的温度配合，严格遵循自下而上的顺序凝固原理，同时在合理的离心转速配合下，才能获得合格的铸铝转子。

2.3.1 上下模的预热温度

根据顺序凝固原理，铸铝转子的下端环应为最先凝固的部位，否则无法得到有效补缩而形成缩孔，因此下模预热温度应较低，实际以250～300℃为宜。而上端环及浇口为最后凝固的部位，同时为其它部位起补缩作用，因此上模预热温度应相对较高，以350～400℃为宜。

2.3.2 铁心温度

由于小型转子槽型面积相对较小，为了不使浇铸的铝液过早凝固，因此铁心预热温度相对较高，考虑到转子在转运过程中的热量损失，实际铁心预热温度在520～550℃。

2.3.3 铝液温度

本转子铝重0.98kg，考虑到直浇道补缩量及浇铸过程中损失的铝液，实际铝液浇铸量为1.3kg，由于该铁心槽型较小，因此所需铝液温度相对较高，实际生产时控制在760～780℃。

2.3.4 离心机转速

根据《铸造实用手册》中，以重力倍数（G）为基础计算转速（rpm）的公式：n=299G/R内，其中：G为重力加速度9.8，R内（cm）为转子铝端环内半径，以此为参考，计算出合适的转速为1046r/min，在实际浇铸中发现，按此转速浇出的转子，下端环有抛空现象，后采用升速浇注法，一档转速为800r/min，，当倒入2/3铝液后，进行二挡提速，速度升高至1046r/min，浇铸出的转子合格。

2.4 转子性能分析

利用上述设备，按照上述工艺生产出的NEMA18-4P铸铝转子性能优秀，整机装配测试后，电机效率普遍提高2%～3%，取得了良好效果，达到了预期目的。对铝端环切割后发现，比压铸的铝端环致密度要更好，没有压铸时普遍产生的直径在∮1～∮2mm之间的小气孔，这也直观地印证了转子性能的优秀。

2.5 经济效益分析

以NEMA18-4P/2.2kW此型电机为例，一天按工作16小时，效率提升2.5%计算，一年可节约电能：2.2*16*2.5%*365=321度，电价按照0.8元/度计算，一年可节约电费：321*0.8=256.8元，经济效益显著。

3 结束语

从试制的NEMA18-4P铸铝转子结果看，无论从转子制造质量，还是整机运行性能，都是非常成功的。其离心铸造工艺参数选择及模具结构设计合理，工艺方法可行。经了解，与国内其它电机厂家的同类型电机相比，该转子装配后的电机运行效率都是最高的。用离心浇铸工艺生产的小型铸铝转子电机，大大降低了客户的后续使用费用，具有显著的社会效益和经济效果，值得推广应用。

参考文献

[1]张玉平.金属型离心铸造电机转子工艺的改进[J].铸造技术，1993（5）：43-44.

[2]曾海军.转子离心铸铝工艺探讨[J].电机技术，1987（1）：45-47.

作者简介：汪涛（1989-），男，汉族，浙江绍兴人，助理工程师，本科学历，毕业于长春工业大学，长期从事重力浇铸，压铸，离心浇铸等相关工作，现从事电机制造工艺，研究方向：材料成型，铸造。