新能源汽车异步电机铸铝转子要求

1新能源汽车异步电机铸铝转子通用要求本文件规定了新能源汽车异步电机铸铝转子通用要求的术语和定义、基本要求、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。本文件适用于指导新能源汽车异步电机铸铝转子的生产。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ASTME8转子端环机械强度取样标准GB/T228.1-2015转子端环本体机械强度检测标准GB/T1196重熔用铝锭GB/T2521.1全工艺冷轧电工钢第1部分：晶粒无取向钢带(片)GB/T9239.1-2006机械振动恒态(刚性)转子平衡品质要求GB/T12966-2022铝及铝合金电导率涡流测试方法GB/T13306标牌GB/T13384机电产品包装通用技术条件GB/T18488-2015电动汽车用驱动电机系统GB/T30512汽车禁用物质要求ISO16232Roadvehicles—CleanlinessofcomponentsandsystemsASTME8-03金属材料拉伸试验的标准试验方法StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1铸铝转子Castaluminumrotor铸铝转子通常指的是采用铝合金铸造工艺生产的电机转子，成品一般包含电机轴、铁芯、鼠笼状铝合金骨架。3.2导条Guidebar导条通常指铸铝转子鼠笼状铝合金骨架中沿着轴向的多根平行部分的铝合金结构。每个新能源汽车驱动电机铸铝转子通常包含有几十根甚至上百根导条。3.3端环Endring端环通常指铸铝转子鼠笼状铝合金骨架中垂直于轴向的两个实体铝圆环，通常位于铸铝转子的两端，数量为两个。4通用要求异步电机是新能源汽车的重要动力来源，其稳定安全地工作，与驾乘人员的生命财产安全直接相关。新能源汽车异步电机铸铝转子满足以下通用要求，是其稳定安全工作的前提。4.1铸铝转子原材料要求24.1.1铸铝转子用铝锭应符合GB/T1196的规定4.1.2转子冲片的冷轧硅钢片应符合GB/T2521.1中的规定4.2铸铝转子冲片加工精度要求4.2.1尺寸公差a)转子外径有加工余量的，外径尺寸公差不做要求；b)对直接冲压到产品尺寸的公差为H7；c)槽型尺寸公差为H10；d)槽口宽度尺寸公差为H12；e)键槽宽尺寸公差为JS9。4.2.2冲片毛刺不大于0.05mm。4.3铸铝转子外观要求铸铝转子的制造质量，应符合下列各项外观要求:a)转子铁芯外圆表面无压印、缺损、缺孔、卷边、拉毛、凸起、凹陷、锈蚀等现象；b)转子表面应清洁，无可见灰尘、金属颗粒、纤维或其他杂质，应满足图纸规定的清洁度要求；c)无加工不全导致多余材料残留的现象，如开口槽铸铝转子外圆车削的硅钢残留，端环内表面加工不全面导致在铁芯表面的铝材残留等；d)同一批次转子铁芯颜色应保持一致，无明显的色差；e)转子铁芯片间轴向中间硅钢片间应紧贴无缝隙，铁芯两端面出应尽量做到紧贴无缝隙，若出现局部翘片或分层，硅钢片间的缝隙最大应小于单片硅钢片的厚度。4.4铸铝转子总成尺寸公差要求a)内径公差带建议不大于0.05mm；a)外径公差带建议不大于0.05mm；b)铝端环高度公差带建议不大于1.0mm；c)铁芯长度公差带不大于两片硅钢片厚度之和。4.5禁用物质要求应符合GB/T30512中的规定4.6铸铝转子用铝材力学性能要求4.6.1屈服强度确定的方法以及建议值铸铝转子在实际工作工况中，存在高转速（如20000rpm）、高温度（如180℃)的环境，铸铝转子用铝材强度应满足该工况下的强度要求，确保铸铝转子可在该工况下可正常可靠地工作。不同电机，铸铝转子所受工况不一样，使得铸铝转子用铝材的力学性能要求也不一样。新能源汽车铸铝转子常用最高工作转速在12000rpm至25000rpm之间，铸铝转子最高工作温度一般在140°C至220°C之间。确定铸铝转子铝材强度时，应通过有限元仿真，分别确定在常温下、以及极限工作高温下铝端环材料的最低屈服强度，使得铸铝转子在1.2倍最高转速下，转子铝材不发生宏观区域的塑性变形（有限元仿真中允许因应力集中导致的局部塑性应变转子端环外径不产生永久变形或小于一定数值（详见4.9部分）。实际操作过程中，同时还需要分别获得供应商现有铸铝转子用铝材在室温及转子极限高温下的实测应力应变曲线，并将其带入有限元仿真，验证转子端环的变形量。仿真通过后，再进行实际样品生产，并分别进行常温及极限工作高温下的1.2倍超速实验，确保转子端环外径不产生永久变形或小于一定数值（详见4.9部分），则相应铝材可满足转子应用的强度要求。4.6.2延伸率在结构上，铸铝转子铝材与铁芯之间的配合面，尤其是端环与导条交界处，必然存在应力集中。同时，铝材的热膨胀系数（约23.2*10-6/K@20℃)比铁芯（约12.2*10-6/K@20℃)的大，在高温铸造冷却，3以及低温（-40℃)环境下工作时，铝材与铁芯之间存在相互挤压或拉伸，因此铸铝转子铝材需要具有一定塑性，避免导条开裂，或者致铸铝转子在高速下工作时铝端环发生断裂脱落。铸铝转子铝材至今无明确延伸率要求，推荐常温下铸铝转子本体取样的铝材断裂延伸率不低于8%。4.7铸造质量要求铸件内部产生气孔是铝铸件常见的缺陷现象。气孔的产生，一方面会降低铝材力学性能，另一方面还会降低电导率，使得铸铝转子工作时，增加转子温度，降低效率，加速油冷电机油品老化，也可加速转子两端的轴承寿命衰减。因此，铸铝转子对铝材内部的孔隙率及气孔大小一般有明确要求。然而，不同部位的气孔对铸铝转子性能的影响程度不同，因此不同部位气孔大小的要求也会有差异。另外，因铸铝转子结构特点，铸铝转子气孔的检测难易程度也不一样。位于端环的气孔可通过高精度工业CT进行无损检测，但位于导条的气孔，因其被硅钢包裹，对其气孔较难做到无损检测。4.7.1端环铸造质量对于端环铸造气孔，一般采用高精度计量型工业CT进行检测，可对端环内部的气孔进行三维重构，并进行数学统计。一般要求CT检测精度不低于40um。推荐采用以下标准对端环铸造质量进行把控，也可以根据具体情况加严或放宽要求：孔隙率不大于1%；因端环与铁芯交界处存在应力集中，且转子高速旋转时，此处铝材受力最大，因此要求距离铁芯端面5mm以内的端环铝材中，不允许出现长度超过1mm的气孔；是否按直径（或者椭圆长轴）来评价距离铁芯端面5mm以外的端环区域，不允许出现长度超过3mm的气孔，且长度超过1mm的气孔数量总和不超过5个。4.7.2导条铸造质量铸铝转子工作时，导条内部将感应产生较大电流。若导条内部存在裂纹，则高低温工作时，裂纹易扩展，导通面积逐渐减小，局部发热加剧，此处硅钢易受热膨胀，引起动平衡变化，进而引起电机较大振动，严重时膨胀量大于定转子气隙，引起转子扫膛，将带来严重安全风险。因此推荐采用以下标准对导条铸造质量进行把控，也可根据具体情况加严或放宽要求：导条不允许发生断条。同一根导条上，不允许出现超过两处瘦条现象。同一个铸铝转子，出现瘦条的数量总和不允许超过3根。瘦条区域的导通面积减小量不允许超过5%。对所有导条进行排查，要求不允许出现肉眼可见的裂纹。为避免导条内部出现肉眼不可见的微裂纹或第二相杂质，引起在高低温交替环境下工作后导条产生裂纹或断裂，一般通过弯曲变形来考察导条的韧性，以验证导条抵抗裂纹产生的能力。随机抽取同一转子上的5根导条，将导条长度方向沿着直径为100mm圆柱型模具进行弯曲，然后将弯曲后的导条再反向弯曲一次，两次弯曲完成后，要求导条上无肉眼可见的裂纹产生。其中a)一般通过断条检测仪进行下线全检，该检测方式为无损检测。以上b)、c)和d)一般通过CNC或机加工方式，将导条取出进行观察或测试，该检验方式常用于批产前的工艺验证，或批产后的抽检。4.8电导率要求铸铝转子铝材不仅需要具备一定的结构强度，还应满足一定的电导率要求。异步电机工作时，电机内部温度最高的便是铸铝转子。电机工作时，铸铝转子的温度不仅决定了电机持续功率的大小，还会对电机其他部件的寿命及可靠性产生较大影响，如润滑油、定子绝缘系统、轴承等。铸铝转子铝材的电导率越高，铸铝转子工作时在相同感应电流通过时产生的热量将更小。一般铸铝转子铝材的电导率是百检项目，一般通过电涡流传感器在铝端环端面进行电导率测试，该测试方法为无损检测。推荐在室温下，端环端面检测的电导率不低于31Ms/m。可根据具体情况加严或放宽要求。如对于要求较高的铸铝转子产品，一般要求室温下铸铝转子铝材电导率不低于33Ms/m。4.9转子动平衡要求4新能源汽车异步电机铸铝转子转速通常在12000rpm~20000rpm，个别电机转速更高。因此电机转子一般对不平衡量有一定要求，若不平衡量太大，则电机工作时产生的振动及噪音也更大，严重影响新能源汽车的驾乘体验。转子不平衡量一般需要进行下线百检。推荐新能源汽车异步电机铸铝转子成品的单边不平衡量满足G2.5（具体标准号写上）要求，具体建议值表写出。用去重法进行平衡，为满足这一要求，单侧去重打孔数量不超过8个,相邻孔边距不低于2mm，打孔深度不超过端环厚度的1/2（具体值待商议打孔直径建议值（具体值待商议初始不平衡量要求（具体值待商议）4.10清洁度要求清洁度是铸铝转子必须管控的重要指标。清洁度要求取决于多个方面，如电机的冷却方案（如水冷、油冷、风冷等）、电压等级（如400V、800V等）、维护保养策略（如终身免维护，或2万公里更换新油等）。因此建议清洁度要求，根据电机厂的具体要求来执行。根据不同应用要求分类写出成品转子的建议值。4.11转子超速要求一般要求铸铝转子在实际可达到的极限工作高温下能承受1.2倍最高工作转速，持续时间为2min。推荐要求测试完成后端环外圆直径形变不大于0.05mm，铁芯外圆直径形变不大于0.05mm。某些情况下，还要求铸铝转子进行常温1.4倍最高工作转速下的超速测试，持续时间为2min。要求测试过程中，铸铝转子不发生爆裂现象。可根据具体情况，选择是否执行1.4倍超速测试。一般情况下，最高工作转速接近或超过20000rpm，铸铝转子不做1.4倍超速测试，仅做1.2倍。基数大1.4倍的速度就更大。5试验方法5.1外观5.1.1检验光线：检验时应在光源为普通室内日光灯的照明环境下写出具体照度范围要求，且光源距离待测物(1-1.5)m距离。5.1.2检验视角：目视方向与待检物成(45-90)度（视线与待测面垂直时为90度）。图1.正视位置示意图5.1.3检验距离：让眼睛与待测物距离(30-40)cm。5.1.4检验时间：单一外观面检验不超过10秒，以目视检测进行。5.2材料5.2.1铝锭应按GB/T1196-2023的规定执行。5.2.2冷轧硅钢应按GB/T2521.1中的规定执行。5.3尺寸公差5.3.1转子冲片的检验方法按表1执行。5表1转子冲片的检验方法1234565.4转子铁芯/总成转子铁芯/总成的检验方法按表2和图1执行。表2转子铁芯的检验方法1234图1三坐标装夹示意图5.5禁用物质按照GB/T30512中的规定或图纸要求执行。5.6铸铝转子铝材力学性能一般采用万能材料试验机（如图4）对铸铝转子铝材的力学性能进行拉伸测试，测试获得载荷-位移曲线（如图5），通过对曲线的分析及处理，获得铝材的应力应变曲线、屈服强度及断裂延伸率。在铸铝转子上下端环本体进行取样，优先在端环厚度中间位置取样，若端环厚度中间位置的气孔数量较多，可适当偏离端环厚度中间的位置取样。拉伸测试样品推荐采用如图3所示形状及尺寸，表面粗糙度≤Ra6.3。若端环外径较小，无法取到合适尺寸的样品，可以适当减小B及L尺寸，前提是拉伸测试过程中，可对B区域进行有效的夹持，无明显打滑现象。图2拉伸测试样品G：25±0.1；W：6±0.1；T：6max；R：6；L：100；A：32；B：32；C：10测试方法按照ASTME8执行，不要用这个，用国标；全文尽量都用国标，或者写出具体要求信息国外标准可以放在引用里面，但不要写在正文中（写具体内容）标准中不要放设备照片，尤其是有设备logo的。图3万能材料试验机图4铝材载荷-位移曲线示例5.7端环铸造质量5.7.1端环铸造质量通过孔隙率及气孔大小来进行评估，测试方法按照VDGP202执行。5.7.2采用高精度计量型工业CT进行分析测试，测量精度不大于40um。75.7.3对孔隙率进行数学统计。5.7.4对铸铝转子端环孔隙率及气孔检测的原理如图5所示。图5CT结构原理示意图5.7.5在对铸铝转子进行CT检测时，要求铸铝转子竖直摆放，如图6所示。铸铝转子在CT工作台上固定牢靠，旋转一周，旋转过程中CT拍照不低于2000张。图6转子装夹状态示意图通过计量型工业CT测量计算铸铝转子端环孔隙率和气孔时，需注意：1)产品抠图去除车削加工去除的区域2)找出上端环TOP3大气孔位置（如图9所示）5mm以内和5mm以外分别取TOP33)在TOP3位置进行垂直于Z轴的径向剖切计算，在剖切面上分析任意1000mm2区域内的孔隙率及整个平面的气孔个数和大小（如图10所示）或者按端环截面取最大正方形，或者任意切面10*10等可以参照E505，不同铸造质量对应不同标准，分档；8以及还有切片的方式等4)同理分析下端环5)统计上下端环气孔大小、个数及孔隙率（靠近铁芯5mm以内区域和其他区域的气孔数量分开统计）图9端环TOP3大气孔位置图10某端环截面的孔隙率5.8导条铸造质量5.8.1导条断条检测使用转子断条测试仪（如图11）进行100%检测，检测结果参考图11。检测结果以推荐波形比值不小于65%（最大值除以最小值）。若小于65%则表示存在断条或存在较大的断条风险。9图11断条测试仪图12断条检测结果示意图5.5.3转子导条瘦条及裂纹观察通过转子斜切（如图13），可快速观察导条填充质量：是否存在气孔、瘦条。图13转子斜切为进一步评估导条铸造质量，需要将导条从铸铝转子中取出，主要目的有：1）观察是否存在瘦条并对瘦条区域导通面积进行量化；2）观察铸造过程是否在导条区域产生裂纹；3）进行进一步测试，评估是否存在微裂纹或第二相杂质，分析导条抵抗开裂的能力铸铝转子导条取样的步骤：1)如图14，沿红色线将转子端环切下，切割之前需要在上下端环和铁芯上分别标记，以便切割后区分；图14去除端环和轴两端2)在导条底部向内单边2mm位置穿孔，线切割一圈，去除内孔铁心，保留距离导条底部2mm的铁芯材料，如图15所示。图15打孔和初次割内孔3)对铸铝转子的外圆进行多次线切割，直到导条裸漏，如图16所示。图16割铸铝转子外圆4)用扎带或其它绑扎绳将外圆绑扎好，固住外圆，对内孔进行多次线切割，直到导条裸漏，如图17所示。图17割铸铝转子内孔5)将外围扎带或者绑扎绳去掉后，转子将会散开成铝导条和残留的铁芯，取出导条进行观察及分析。图18取导条6）对导条进行目视观察是否存在裂纹，也可用CT检测导条内部有无裂纹、计算导条内部孔隙率和气孔个数。图19导条CT扫描孔隙率图20导条孔隙率7）随机抽取同一转子上的5根导条（如图21）要规定按多少比例，将导条长度方向沿着直径为100mm圆柱型模具进行弯曲，然后将弯曲后的导条再反向弯曲一次，两次弯曲完成后，要求导条上无肉眼可见的裂纹产生（如图22）。图21导条图22导条韧性测试（需更新）5.8端环电导率电导率测量仪开机后，用标快进行标定，标定后再次测量，两次读数误差应不大于2%。如图23所示，清洁端环轴向表面，将涡流传感器探头紧贴端环表面进行电导率测试。校验设备及零件检测，需要在恒温20℃条件下进行结果判定，温度异常的环境下测试结果不作为判定依据。测试方法执行GB/T12966的规定。图23端环电导率测量5.9转子动平衡动平衡机开机后首先进行标定。标定好后进行动平衡。铸铝转子动平衡测试方法执行GB/T9239.1-2006的规定，推荐采用去重法。图24.动平衡机图25.动平衡测试结果示意5.10清洁度清洁度测试方法执行ISO1632规定。国外标准不要在正文中写，说下什么情况下做这个测试，是用于工艺验证的用国内标准清洁度房间要求：在清洁度检验区内清洗时必须穿工作服，工作帽和鞋套，无关人员不得进入清洁度检验区。清洁度检验区不能存放与清洁度无关的物品，如：纸质文件等。保持清洁度检验区的清洁。清洗采用高压喷淋，溶剂为碳氢清洗剂，滤膜类型：10μm。将干燥后的滤膜平铺在载片架，将载片架放在分析显微镜下，调整分析焦距（测量分析产品清洁度颗粒大小和数量，金属颗粒如图27所示，非金属颗粒如图28所示，纤维如图29所示。重量检测过程也加上图26清洁度提取机及清洁度分析仪图27金属颗粒5.11转子超速测试图28非金属颗粒图29最长纤维转子超速测试执行GB/T18488-2015标准规定。测试步骤如下：a