新能源汽車異步電機鑄鋁轉子要求

1新能源汽車異步電機鑄鋁轉子通用要求本文件規(guī)定了新能源汽車異步電機鑄鋁轉子通用要求的術語和定義、基本要求、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸和貯存。本文件適用于指導新能源汽車異步電機鑄鋁轉子的生產(chǎn)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。ASTME8轉子端環(huán)機械強度取樣標準GB/T228.1-2015轉子端環(huán)本體機械強度檢測標準GB/T1196重熔用鋁錠GB/T2521.1全工藝冷軋電工鋼第1部分：晶粒無取向鋼帶(片)GB/T9239.1-2006機械振動恒態(tài)(剛性)轉子平衡品質要求GB/T12966-2022鋁及鋁合金電導率渦流測試方法GB/T13306標牌GB/T13384機電產(chǎn)品包裝通用技術條件GB/T18488-2015電動汽車用驅動電機系統(tǒng)GB/T30512汽車禁用物質要求ISO16232Roadvehicles—CleanlinessofcomponentsandsystemsASTME8-03金屬材料拉伸試驗的標準試驗方法StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1鑄鋁轉子Castaluminumrotor鑄鋁轉子通常指的是采用鋁合金鑄造工藝生產(chǎn)的電機轉子，成品一般包含電機軸、鐵芯、鼠籠狀鋁合金骨架。3.2導條Guidebar導條通常指鑄鋁轉子鼠籠狀鋁合金骨架中沿著軸向的多根平行部分的鋁合金結構。每個新能源汽車驅動電機鑄鋁轉子通常包含有幾十根甚至上百根導條。3.3端環(huán)Endring端環(huán)通常指鑄鋁轉子鼠籠狀鋁合金骨架中垂直于軸向的兩個實體鋁圓環(huán)，通常位于鑄鋁轉子的兩端，數(shù)量為兩個。4通用要求異步電機是新能源汽車的重要動力來源，其穩(wěn)定安全地工作，與駕乘人員的生命財產(chǎn)安全直接相關。新能源汽車異步電機鑄鋁轉子滿足以下通用要求，是其穩(wěn)定安全工作的前提。4.1鑄鋁轉子原材料要求24.1.1鑄鋁轉子用鋁錠應符合GB/T1196的規(guī)定4.1.2轉子沖片的冷軋硅鋼片應符合GB/T2521.1中的規(guī)定4.2鑄鋁轉子沖片加工精度要求4.2.1尺寸公差a)轉子外徑有加工余量的，外徑尺寸公差不做要求；b)對直接沖壓到產(chǎn)品尺寸的公差為H7；c)槽型尺寸公差為H10；d)槽口寬度尺寸公差為H12；e)鍵槽寬尺寸公差為JS9。4.2.2沖片毛刺不大于0.05mm。4.3鑄鋁轉子外觀要求鑄鋁轉子的制造質量，應符合下列各項外觀要求:a)轉子鐵芯外圓表面無壓印、缺損、缺孔、卷邊、拉毛、凸起、凹陷、銹蝕等現(xiàn)象；b)轉子表面應清潔，無可見灰塵、金屬顆粒、纖維或其他雜質，應滿足圖紙規(guī)定的清潔度要求；c)無加工不全導致多余材料殘留的現(xiàn)象，如開口槽鑄鋁轉子外圓車削的硅鋼殘留，端環(huán)內表面加工不全面導致在鐵芯表面的鋁材殘留等；d)同一批次轉子鐵芯顏色應保持一致，無明顯的色差；e)轉子鐵芯片間軸向中間硅鋼片間應緊貼無縫隙，鐵芯兩端面出應盡量做到緊貼無縫隙，若出現(xiàn)局部翹片或分層，硅鋼片間的縫隙最大應小于單片硅鋼片的厚度。4.4鑄鋁轉子總成尺寸公差要求a)內徑公差帶建議不大于0.05mm；a)外徑公差帶建議不大于0.05mm；b)鋁端環(huán)高度公差帶建議不大于1.0mm；c)鐵芯長度公差帶不大于兩片硅鋼片厚度之和。4.5禁用物質要求應符合GB/T30512中的規(guī)定4.6鑄鋁轉子用鋁材力學性能要求4.6.1屈服強度確定的方法以及建議值鑄鋁轉子在實際工作工況中，存在高轉速（如20000rpm）、高溫度（如180℃)的環(huán)境，鑄鋁轉子用鋁材強度應滿足該工況下的強度要求，確保鑄鋁轉子可在該工況下可正?？煽康毓ぷ?。不同電機，鑄鋁轉子所受工況不一樣，使得鑄鋁轉子用鋁材的力學性能要求也不一樣。新能源汽車鑄鋁轉子常用最高工作轉速在12000rpm至25000rpm之間，鑄鋁轉子最高工作溫度一般在140°C至220°C之間。確定鑄鋁轉子鋁材強度時，應通過有限元仿真，分別確定在常溫下、以及極限工作高溫下鋁端環(huán)材料的最低屈服強度，使得鑄鋁轉子在1.2倍最高轉速下，轉子鋁材不發(fā)生宏觀區(qū)域的塑性變形（有限元仿真中允許因應力集中導致的局部塑性應變轉子端環(huán)外徑不產(chǎn)生永久變形或小于一定數(shù)值（詳見4.9部分）。實際操作過程中，同時還需要分別獲得供應商現(xiàn)有鑄鋁轉子用鋁材在室溫及轉子極限高溫下的實測應力應變曲線，并將其帶入有限元仿真，驗證轉子端環(huán)的變形量。仿真通過后，再進行實際樣品生產(chǎn)，并分別進行常溫及極限工作高溫下的1.2倍超速實驗，確保轉子端環(huán)外徑不產(chǎn)生永久變形或小于一定數(shù)值（詳見4.9部分），則相應鋁材可滿足轉子應用的強度要求。4.6.2延伸率在結構上，鑄鋁轉子鋁材與鐵芯之間的配合面，尤其是端環(huán)與導條交界處，必然存在應力集中。同時，鋁材的熱膨脹系數(shù)（約23.2*10-6/K@20℃)比鐵芯（約12.2*10-6/K@20℃)的大，在高溫鑄造冷卻，3以及低溫（-40℃)環(huán)境下工作時，鋁材與鐵芯之間存在相互擠壓或拉伸，因此鑄鋁轉子鋁材需要具有一定塑性，避免導條開裂，或者致鑄鋁轉子在高速下工作時鋁端環(huán)發(fā)生斷裂脫落。鑄鋁轉子鋁材至今無明確延伸率要求，推薦常溫下鑄鋁轉子本體取樣的鋁材斷裂延伸率不低于8%。4.7鑄造質量要求鑄件內部產(chǎn)生氣孔是鋁鑄件常見的缺陷現(xiàn)象。氣孔的產(chǎn)生，一方面會降低鋁材力學性能，另一方面還會降低電導率，使得鑄鋁轉子工作時，增加轉子溫度，降低效率，加速油冷電機油品老化，也可加速轉子兩端的軸承壽命衰減。因此，鑄鋁轉子對鋁材內部的孔隙率及氣孔大小一般有明確要求。然而，不同部位的氣孔對鑄鋁轉子性能的影響程度不同，因此不同部位氣孔大小的要求也會有差異。另外，因鑄鋁轉子結構特點，鑄鋁轉子氣孔的檢測難易程度也不一樣。位于端環(huán)的氣孔可通過高精度工業(yè)CT進行無損檢測，但位于導條的氣孔，因其被硅鋼包裹，對其氣孔較難做到無損檢測。4.7.1端環(huán)鑄造質量對于端環(huán)鑄造氣孔，一般采用高精度計量型工業(yè)CT進行檢測，可對端環(huán)內部的氣孔進行三維重構，并進行數(shù)學統(tǒng)計。一般要求CT檢測精度不低于40um。推薦采用以下標準對端環(huán)鑄造質量進行把控，也可以根據(jù)具體情況加嚴或放寬要求：孔隙率不大于1%；因端環(huán)與鐵芯交界處存在應力集中，且轉子高速旋轉時，此處鋁材受力最大，因此要求距離鐵芯端面5mm以內的端環(huán)鋁材中，不允許出現(xiàn)長度超過1mm的氣孔；是否按直徑（或者橢圓長軸）來評價距離鐵芯端面5mm以外的端環(huán)區(qū)域，不允許出現(xiàn)長度超過3mm的氣孔，且長度超過1mm的氣孔數(shù)量總和不超過5個。4.7.2導條鑄造質量鑄鋁轉子工作時，導條內部將感應產(chǎn)生較大電流。若導條內部存在裂紋，則高低溫工作時，裂紋易擴展，導通面積逐漸減小，局部發(fā)熱加劇，此處硅鋼易受熱膨脹，引起動平衡變化，進而引起電機較大振動，嚴重時膨脹量大于定轉子氣隙，引起轉子掃膛，將帶來嚴重安全風險。因此推薦采用以下標準對導條鑄造質量進行把控，也可根據(jù)具體情況加嚴或放寬要求：導條不允許發(fā)生斷條。同一根導條上，不允許出現(xiàn)超過兩處瘦條現(xiàn)象。同一個鑄鋁轉子，出現(xiàn)瘦條的數(shù)量總和不允許超過3根。瘦條區(qū)域的導通面積減小量不允許超過5%。對所有導條進行排查，要求不允許出現(xiàn)肉眼可見的裂紋。為避免導條內部出現(xiàn)肉眼不可見的微裂紋或第二相雜質，引起在高低溫交替環(huán)境下工作后導條產(chǎn)生裂紋或斷裂，一般通過彎曲變形來考察導條的韌性，以驗證導條抵抗裂紋產(chǎn)生的能力。隨機抽取同一轉子上的5根導條，將導條長度方向沿著直徑為100mm圓柱型模具進行彎曲，然后將彎曲后的導條再反向彎曲一次，兩次彎曲完成后，要求導條上無肉眼可見的裂紋產(chǎn)生。其中a)一般通過斷條檢測儀進行下線全檢，該檢測方式為無損檢測。以上b)、c)和d)一般通過CNC或機加工方式，將導條取出進行觀察或測試，該檢驗方式常用于批產(chǎn)前的工藝驗證，或批產(chǎn)后的抽檢。4.8電導率要求鑄鋁轉子鋁材不僅需要具備一定的結構強度，還應滿足一定的電導率要求。異步電機工作時，電機內部溫度最高的便是鑄鋁轉子。電機工作時，鑄鋁轉子的溫度不僅決定了電機持續(xù)功率的大小，還會對電機其他部件的壽命及可靠性產(chǎn)生較大影響，如潤滑油、定子絕緣系統(tǒng)、軸承等。鑄鋁轉子鋁材的電導率越高，鑄鋁轉子工作時在相同感應電流通過時產(chǎn)生的熱量將更小。一般鑄鋁轉子鋁材的電導率是百檢項目，一般通過電渦流傳感器在鋁端環(huán)端面進行電導率測試，該測試方法為無損檢測。推薦在室溫下，端環(huán)端面檢測的電導率不低于31Ms/m。可根據(jù)具體情況加嚴或放寬要求。如對于要求較高的鑄鋁轉子產(chǎn)品，一般要求室溫下鑄鋁轉子鋁材電導率不低于33Ms/m。4.9轉子動平衡要求4新能源汽車異步電機鑄鋁轉子轉速通常在12000rpm~20000rpm，個別電機轉速更高。因此電機轉子一般對不平衡量有一定要求，若不平衡量太大，則電機工作時產(chǎn)生的振動及噪音也更大，嚴重影響新能源汽車的駕乘體驗。轉子不平衡量一般需要進行下線百檢。推薦新能源汽車異步電機鑄鋁轉子成品的單邊不平衡量滿足G2.5（具體標準號寫上）要求，具體建議值表寫出。用去重法進行平衡，為滿足這一要求，單側去重打孔數(shù)量不超過8個,相鄰孔邊距不低于2mm，打孔深度不超過端環(huán)厚度的1/2（具體值待商議打孔直徑建議值（具體值待商議初始不平衡量要求（具體值待商議）4.10清潔度要求清潔度是鑄鋁轉子必須管控的重要指標。清潔度要求取決于多個方面，如電機的冷卻方案（如水冷、油冷、風冷等）、電壓等級（如400V、800V等）、維護保養(yǎng)策略（如終身免維護，或2萬公里更換新油等）。因此建議清潔度要求，根據(jù)電機廠的具體要求來執(zhí)行。根據(jù)不同應用要求分類寫出成品轉子的建議值。4.11轉子超速要求一般要求鑄鋁轉子在實際可達到的極限工作高溫下能承受1.2倍最高工作轉速，持續(xù)時間為2min。推薦要求測試完成后端環(huán)外圓直徑形變不大于0.05mm，鐵芯外圓直徑形變不大于0.05mm。某些情況下，還要求鑄鋁轉子進行常溫1.4倍最高工作轉速下的超速測試，持續(xù)時間為2min。要求測試過程中，鑄鋁轉子不發(fā)生爆裂現(xiàn)象?？筛鶕?jù)具體情況，選擇是否執(zhí)行1.4倍超速測試。一般情況下，最高工作轉速接近或超過20000rpm，鑄鋁轉子不做1.4倍超速測試，僅做1.2倍?；鶖?shù)大1.4倍的速度就更大。5試驗方法5.1外觀5.1.1檢驗光線：檢驗時應在光源為普通室內日光燈的照明環(huán)境下寫出具體照度范圍要求，且光源距離待測物(1-1.5)m距離。5.1.2檢驗視角：目視方向與待檢物成(45-90)度（視線與待測面垂直時為90度）。圖1.正視位置示意圖5.1.3檢驗距離：讓眼睛與待測物距離(30-40)cm。5.1.4檢驗時間：單一外觀面檢驗不超過10秒，以目視檢測進行。5.2材料5.2.1鋁錠應按GB/T1196-2023的規(guī)定執(zhí)行。5.2.2冷軋硅鋼應按GB/T2521.1中的規(guī)定執(zhí)行。5.3尺寸公差5.3.1轉子沖片的檢驗方法按表1執(zhí)行。5表1轉子沖片的檢驗方法1234565.4轉子鐵芯/總成轉子鐵芯/總成的檢驗方法按表2和圖1執(zhí)行。表2轉子鐵芯的檢驗方法1234圖1三坐標裝夾示意圖5.5禁用物質按照GB/T30512中的規(guī)定或圖紙要求執(zhí)行。5.6鑄鋁轉子鋁材力學性能一般采用萬能材料試驗機（如圖4）對鑄鋁轉子鋁材的力學性能進行拉伸測試，測試獲得載荷-位移曲線（如圖5），通過對曲線的分析及處理，獲得鋁材的應力應變曲線、屈服強度及斷裂延伸率。在鑄鋁轉子上下端環(huán)本體進行取樣，優(yōu)先在端環(huán)厚度中間位置取樣，若端環(huán)厚度中間位置的氣孔數(shù)量較多，可適當偏離端環(huán)厚度中間的位置取樣。拉伸測試樣品推薦采用如圖3所示形狀及尺寸，表面粗糙度≤Ra6.3。若端環(huán)外徑較小，無法取到合適尺寸的樣品，可以適當減小B及L尺寸，前提是拉伸測試過程中，可對B區(qū)域進行有效的夾持，無明顯打滑現(xiàn)象。圖2拉伸測試樣品G：25±0.1；W：6±0.1；T：6max；R：6；L：100；A：32；B：32；C：10測試方法按照ASTME8執(zhí)行，不要用這個，用國標；全文盡量都用國標，或者寫出具體要求信息國外標準可以放在引用里面，但不要寫在正文中（寫具體內容）標準中不要放設備照片，尤其是有設備logo的。圖3萬能材料試驗機圖4鋁材載荷-位移曲線示例5.7端環(huán)鑄造質量5.7.1端環(huán)鑄造質量通過孔隙率及氣孔大小來進行評估，測試方法按照VDGP202執(zhí)行。5.7.2采用高精度計量型工業(yè)CT進行分析測試，測量精度不大于40um。75.7.3對孔隙率進行數(shù)學統(tǒng)計。5.7.4對鑄鋁轉子端環(huán)孔隙率及氣孔檢測的原理如圖5所示。圖5CT結構原理示意圖5.7.5在對鑄鋁轉子進行CT檢測時，要求鑄鋁轉子豎直擺放，如圖6所示。鑄鋁轉子在CT工作臺上固定牢靠，旋轉一周，旋轉過程中CT拍照不低于2000張。圖6轉子裝夾狀態(tài)示意圖通過計量型工業(yè)CT測量計算鑄鋁轉子端環(huán)孔隙率和氣孔時，需注意：1)產(chǎn)品摳圖去除車削加工去除的區(qū)域2)找出上端環(huán)TOP3大氣孔位置（如圖9所示）5mm以內和5mm以外分別取TOP33)在TOP3位置進行垂直于Z軸的徑向剖切計算，在剖切面上分析任意1000mm2區(qū)域內的孔隙率及整個平面的氣孔個數(shù)和大?。ㄈ鐖D10所示）或者按端環(huán)截面取最大正方形，或者任意切面10*10等可以參照E505，不同鑄造質量對應不同標準，分檔；8以及還有切片的方式等4)同理分析下端環(huán)5)統(tǒng)計上下端環(huán)氣孔大小、個數(shù)及孔隙率（靠近鐵芯5mm以內區(qū)域和其他區(qū)域的氣孔數(shù)量分開統(tǒng)計）圖9端環(huán)TOP3大氣孔位置圖10某端環(huán)截面的孔隙率5.8導條鑄造質量5.8.1導條斷條檢測使用轉子斷條測試儀（如圖11）進行100%檢測，檢測結果參考圖11。檢測結果以推薦波形比值不小于65%（最大值除以最小值）。若小于65%則表示存在斷條或存在較大的斷條風險。9圖11斷條測試儀圖12斷條檢測結果示意圖5.5.3轉子導條瘦條及裂紋觀察通過轉子斜切（如圖13），可快速觀察導條填充質量：是否存在氣孔、瘦條。圖13轉子斜切為進一步評估導條鑄造質量，需要將導條從鑄鋁轉子中取出，主要目的有：1）觀察是否存在瘦條并對瘦條區(qū)域導通面積進行量化；2）觀察鑄造過程是否在導條區(qū)域產(chǎn)生裂紋；3）進行進一步測試，評估是否存在微裂紋或第二相雜質，分析導條抵抗開裂的能力鑄鋁轉子導條取樣的步驟：1)如圖14，沿紅色線將轉子端環(huán)切下，切割之前需要在上下端環(huán)和鐵芯上分別標記，以便切割后區(qū)分；圖14去除端環(huán)和軸兩端2)在導條底部向內單邊2mm位置穿孔，線切割一圈，去除內孔鐵心，保留距離導條底部2mm的鐵芯材料，如圖15所示。圖15打孔和初次割內孔3)對鑄鋁轉子的外圓進行多次線切割，直到導條裸漏，如圖16所示。圖16割鑄鋁轉子外圓4)用扎帶或其它綁扎繩將外圓綁扎好，固住外圓，對內孔進行多次線切割，直到導條裸漏，如圖17所示。圖17割鑄鋁轉子內孔5)將外圍扎帶或者綁扎繩去掉后，轉子將會散開成鋁導條和殘留的鐵芯，取出導條進行觀察及分析。圖18取導條6）對導條進行目視觀察是否存在裂紋，也可用CT檢測導條內部有無裂紋、計算導條內部孔隙率和氣孔個數(shù)。圖19導條CT掃描孔隙率圖20導條孔隙率7）隨機抽取同一轉子上的5根導條（如圖21）要規(guī)定按多少比例，將導條長度方向沿著直徑為100mm圓柱型模具進行彎曲，然后將彎曲后的導條再反向彎曲一次，兩次彎曲完成后，要求導條上無肉眼可見的裂紋產(chǎn)生（如圖22）。圖21導條圖22導條韌性測試（需更新）5.8端環(huán)電導率電導率測量儀開機后，用標快進行標定，標定后再次測量，兩次讀數(shù)誤差應不大于2%。如圖23所示，清潔端環(huán)軸向表面，將渦流傳感器探頭緊貼端環(huán)表面進行電導率測試。校驗設備及零件檢測，需要在恒溫20℃條件下進行結果判定，溫度異常的環(huán)境下測試結果不作為判定依據(jù)。測試方法執(zhí)行GB/T12966的規(guī)定。圖23端環(huán)電導率測量5.9轉子動平衡動平衡機開機后首先進行標定。標定好后進行動平衡。鑄鋁轉子動平衡測試方法執(zhí)行GB/T9239.1-2006的規(guī)定，推薦采用去重法。圖24.動平衡機圖25.動平衡測試結果示意5.10清潔度清潔度測試方法執(zhí)行ISO1632規(guī)定。國外標準不要在正文中寫，說下什么情況下做這個測試，是用于工藝驗證的用國內標準清潔度房間要求：在清潔度檢驗區(qū)內清洗時必須穿工作服，工作帽和鞋套，無關人員不得進入清潔度檢驗區(qū)。清潔度檢驗區(qū)不能存放與清潔度無關的物品，如：紙質文件等。保持清潔度檢驗區(qū)的清潔。清洗采用高壓噴淋，溶劑為碳氫清洗劑，濾膜類型：10μm。將干燥后的濾膜平鋪在載片架，將載片架放在分析顯微鏡下，調整分析焦距（測量分析產(chǎn)品清潔度顆粒大小和數(shù)量，金屬顆粒如圖27所示，非金屬顆粒如圖28所示，纖維如圖29所示。重量檢測過程也加上圖26清潔度提取機及清潔度分析儀圖27金屬顆粒5.11轉子超速測試圖28非金屬顆粒圖29最長纖維轉子超速測試執(zhí)行GB/T18488-2015標準規(guī)定。測試步驟如下：a