專利名稱：高速列車用大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)銅合金導(dǎo)條和護(hù)環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速列車、地鐵列車、城市輕軌列車異步牽引電動(dòng)機(jī)及大功率調(diào)頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的專用部件。
轉(zhuǎn)子是高速列車異步電動(dòng)機(jī)的心臟，采用鼠籠式結(jié)構(gòu)，銅導(dǎo)條與紫銅端環(huán)焊接在一起，套在鐵芯上，再在兩端熱套上護(hù)環(huán)就形成了轉(zhuǎn)子。高速列車起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載都很大，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條必須有較高的電阻和電阻準(zhǔn)確率。這是由于第一，在額定電壓下直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)瞬間主磁通會減小到額定值的一半，功率因素cos1又很低，造成起動(dòng)電流相當(dāng)大而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大，理論計(jì)算指出，降低起動(dòng)電流和加大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的共同方法只有加大轉(zhuǎn)子電阻；第二，高速列車一般采用四軸或六軸異步電動(dòng)機(jī)牽引，即一套變頻電路系統(tǒng)同時(shí)為四臺或六臺電動(dòng)機(jī)供電，為了變頻電路的平衡，要求四臺或六臺電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電阻率誤差在1％的范圍內(nèi)。導(dǎo)條電阻率增加，滿足了提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的需要，但卻增加了轉(zhuǎn)子的溫升。大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)用于地鐵、城市輕軌車等的牽引時(shí)，經(jīng)常處于頻繁的起動(dòng)狀態(tài)，溫升會更加嚴(yán)重，理論計(jì)算指出，溫升可高達(dá)300℃～350℃。這樣一來，一方面，傳統(tǒng)的T2銅導(dǎo)條由于電阻率低和抗高溫軟化性能差已不能滿足要求，需要研制一種有確定電阻率并有足夠高強(qiáng)度和抗軟化能力的新型導(dǎo)條材料；另一方面，溫升會降低導(dǎo)條與T2銅端環(huán)之間焊接強(qiáng)度而斷條，還導(dǎo)致鋼護(hù)環(huán)的熱應(yīng)力腐蝕失效。傳統(tǒng)的鋼護(hù)環(huán)導(dǎo)熱性差，熱應(yīng)力腐蝕嚴(yán)重，不適合作大功率異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)，因此，急需研制一種導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度和韌性好的新型護(hù)環(huán)，通過這種護(hù)環(huán)，使轉(zhuǎn)子的熱散發(fā)出去，降低轉(zhuǎn)子的溫升并保持轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的安全。
大功率牽引異步電動(dòng)機(jī)是高速列車核心技術(shù)，國外非常保密，未見有具體的合金成份報(bào)道。但是，從國外高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金研究動(dòng)向可以推測出(見①《可靠籠型轉(zhuǎn)子的現(xiàn)代設(shè)計(jì)》——譯自《IEE3rd.Inter.Conf.on Electrical Machines and Drives》1987，140～144；②《Mn18Cr18N新型護(hù)環(huán)鋼應(yīng)用特性研究》——載于《大電機(jī)技術(shù)》№3.1996年)，對于導(dǎo)條材料他們走的是微合金化的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的路子，護(hù)環(huán)則是采用強(qiáng)度和韌性好、導(dǎo)熱性也好的銅合金系列。
本發(fā)明的目的針對傳統(tǒng)導(dǎo)條T2銅電阻率低，強(qiáng)度低和抗高溫軟化能力差的問題，以及傳統(tǒng)鋼護(hù)環(huán)導(dǎo)熱性差，易產(chǎn)生熱應(yīng)力腐蝕失效的問題，研制出電阻率和抗高溫軟化能力強(qiáng)以及導(dǎo)熱性和強(qiáng)度、韌性均能滿足高速列車、地鐵列車、城市輕軌車異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的銅合金導(dǎo)條和護(hù)環(huán)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是①制造導(dǎo)條的銅合金成份的質(zhì)量百分比為0～30％Zn，0～1％Cr，0～1％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)。
②制造護(hù)環(huán)的銅合金成份質(zhì)量百分比為9～11.5％Al，2～7％Fe，2～7％Ni，0～1％Zr(或0～1.0％Ti)，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案制造的導(dǎo)條與護(hù)環(huán)具有如下優(yōu)點(diǎn)對于導(dǎo)條銅合金，其室溫強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度顯著高于現(xiàn)行使用的T2銅導(dǎo)條，且具有足夠的韌性和良好釬焊性能。通過合金成份的調(diào)整，合金的電阻率ρ150℃可在3.6～8.0×10-6Ω·cm內(nèi)任意調(diào)節(jié)，且電阻率誤差可控制在1％內(nèi)。該合金還有著良好的熱加工和冷加工性能。特別適宜于制作高速列車等在同一逆變器供電條件下多臺異步電動(dòng)機(jī)聯(lián)機(jī)工作的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。
對于護(hù)環(huán)銅合金，其與傳統(tǒng)的Mn18Cr18N護(hù)環(huán)鋼相比，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，因而對在較高溫度條件下工作的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子散熱非常有利，可有效的避免轉(zhuǎn)子端部因過熱而發(fā)生導(dǎo)條斷裂和導(dǎo)條與端環(huán)的釬焊部位因溫度過高而發(fā)生脫焊。同時(shí)，該合金有足夠滿意的強(qiáng)度和韌性，無明顯的中溫回火脆性，能滿足轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對護(hù)環(huán)強(qiáng)度和韌性的要求。本發(fā)明導(dǎo)條和護(hù)環(huán)均能滿足高速列車、地鐵列車、輕軌列車異步牽引電動(dòng)機(jī)的需要。
下面作進(jìn)一步的說明①導(dǎo)條按質(zhì)量百分比配備好的銅合金依如下工藝流程制成中頻或工頻感應(yīng)熔煉—鐵模澆鑄或半連續(xù)鑄錠—均勻化—熱軋或熱擠—酸洗—退火—冷軋或冷拉—剪切—退火—成品。
導(dǎo)條銅合金中，鋅主要起調(diào)整合金電阻率的作用，在與銅能形成固溶體的所有元素中，鋅對電阻率影響最小，可以利用鋅來調(diào)整銅合金電阻。此外，因制備過程而帶來的微量鋅含量誤差對合金要求的電阻率不會造成過大的偏差，非常有利于該合金的工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)，鋅在銅合金中還有明顯的固溶強(qiáng)化效果，有利于提高導(dǎo)條銅合金的室溫和高溫強(qiáng)度。
導(dǎo)條銅合金中，鉻與鋯主要起沉淀強(qiáng)化和阻礙再結(jié)晶的作用。在沉淀過程中，鉻常以極細(xì)的鉻粒子均勻沉淀分布于合金中，鋯則以微細(xì)銅鋯化合物的形式沉淀。在鉻與鋯復(fù)合添加時(shí)，除上述兩種沉淀方式外，還以微細(xì)鉻鋯化合物的形式均勻沉淀。上述微粒子均勻沉淀分布不顯著影響合金的電阻率，但大大提高了合金室溫強(qiáng)度，而且上述沉淀析出物具有阻礙熱加工過程中再結(jié)晶和冷加工后退火過程再結(jié)晶的作用，顯著提高了合金抗軟化溫度和高溫強(qiáng)度。
②護(hù)環(huán)按質(zhì)量百分比配備好的銅合金依如下工藝流程制成中頻或工頻感應(yīng)爐熔煉—鐵模澆鑄或半連續(xù)鑄錠—熱鍛—退火—機(jī)加工—成品。
護(hù)環(huán)銅合金中，合金的顯微組織結(jié)構(gòu)為α+γ2+κ和銅鋯化合物或銅鈦化合物。鋁主要起固溶強(qiáng)化作用，由于合金中含Al量較高(9～11.5％)，在較高溫度下會出現(xiàn)(α+β)兩相，且溫度越高，β相比例越大。β相強(qiáng)度較高，塑性較低，借助鋁含量的調(diào)整，配以熱處理控制(α+β)的比例可改善合金熱加工工藝性能以及調(diào)整該合金的強(qiáng)度、塑性等。
鐵和鎳配比一般為1∶1，它們同時(shí)加入可擴(kuò)大α相區(qū)，使鋁在合金中的溶解度提高，在提合金強(qiáng)度的同時(shí)，仍能維持合金較好塑性。鐵、鎳還有細(xì)化合金鑄造組織，阻礙再結(jié)晶的作用，從而提高該合金高溫性能。鐵、鎳的加入還使合金中出現(xiàn)κ相，當(dāng)鐵、鎳含量對等時(shí)，κ相呈均勻分布的細(xì)粒狀，有利于提高合金強(qiáng)度而不顯著降低其塑性。
鋯、鈦的加入能進(jìn)一步降低合金中的氧含量，且會產(chǎn)生Cu3Zr、Cu3Ti及Ni3Ti等微粒子沉淀，產(chǎn)生明顯的沉淀強(qiáng)化效果，并能顯著降低合金鍛后在350℃～550℃退火所產(chǎn)生的中溫脆性。
實(shí)施例實(shí)施例1 銅合金成份(質(zhì)量百分比)鋅12.5％，鉻0.5％，鋯0.3％，余為銅，以其制造的導(dǎo)條的主要性能見表1，表1列出了對比用T2銅及Cu-0.7wt％Cr合金的性能。
表1 本發(fā)明合金與T2銅及Cu-0.7wt％Cr合金性能比較
本發(fā)明銅合金已用于高速實(shí)驗(yàn)列車JD105S異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。
實(shí)施例2 銅合金成份(質(zhì)量百分比)鋅2.0％，鉻0.5％，余為銅，以其制造的導(dǎo)條主要性能見表2，表2還列出了對比用Cu-2wt％Zn合金的性能。
表2 本發(fā)明合金與Cu-2wt％Zn合金主要性能比較
本發(fā)明銅合金已用于內(nèi)燃調(diào)度車異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。
實(shí)施例3 銅合金成份(質(zhì)量百分比)鋅15.0％，鉻0.3％，余量為銅，以其制造的導(dǎo)條主要性質(zhì)見表3，表3還列出了對比用Cu-15wt％Zn合金的性能。
表3 本發(fā)明合金與Cu-15wt％Zn合金主要性能比較
本發(fā)明銅合金已用于200km/h電動(dòng)車組300kw異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。
實(shí)施例4 銅合金成份(質(zhì)量百分比)鋁10.5％，鐵4.0％，鎳4.0％，鋯0.3％，余為銅，以其制造的銅合金護(hù)環(huán)主要性能和25Mn18Cr4無磁護(hù)環(huán)鋼比較見表3。
表4 本發(fā)明合金與25Mn18Cr4護(hù)環(huán)鋼主要性能比較
本發(fā)明銅合金已用于高速實(shí)驗(yàn)列車JD105S異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)、調(diào)度車異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)和200km/h電動(dòng)車組300kw異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)。
權(quán)利要求
1.高速列車用大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)銅合金導(dǎo)條和護(hù)環(huán)采用已有工藝制成，其特征在于①制造導(dǎo)條的銅合金成份的質(zhì)量百分比為0～30％Zn，0～1％Cr，0～1％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)。②制造護(hù)環(huán)的銅合金成份質(zhì)量百分比為9～11.5％Al，2～7％Fe，2～7％Ni，0～1％Zr(或0～1.0％Ti)，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)條，其特征在于銅合金成份鋅12.5％，鉻0.5％，鋯0.3％，余為銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)條，其特征在于銅合金成份質(zhì)量百分比鋅2.0％，鉻0.5％，余為銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的護(hù)環(huán)，其特征在于銅合金成份質(zhì)量百分比鋅15.0％，鉻0.3％，余為銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的護(hù)環(huán)，其特征在于銅合金成份質(zhì)量百分比鋁10.5％，鐵4.0％，鎳4.0％，鋯0.3％，余為銅。
全文摘要
本發(fā)明涉及高速列車用大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)的專用部件,導(dǎo)條銅合金的成份為0～30%Zn,0～1%Cr,0～1%Zr,其電阻率ρ
文檔編號H01B1/02GK1270434SQ9910198
公開日2000年10月18日 申請日期1999年4月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月9日
發(fā)明者尹志民, 高培慶, 汪明樸, 李進(jìn)澤, 羅豐華, 徐國富 申請人:中南工業(yè)大學(xué)