高速列车用大功率异步牵引电动机铜合金导条和护环

摘要

本发明涉及高速列车用大功率异步牵引电动机的专用部件,导条铜合金的成份为0～30%Zn,0～1%Cr,0～1%Zr,其电阻率ρ150℃在3.6～8.0×10－6Ω·cm内任意调节,其误差可控制在1%以内,抗软化能力强;护环铜合金的成份为9～11.5%Al,2～7%Fe,2～7%Ni,0～1%Zr,有足够的强度和韧性,无明显的中温回火脆性,导热性能优良;导条和护环均能满足高速列车、地铁列车、轻轨列车异步牵引电动机的需要。

说明书

本发明涉及高速列车、地铁列车、城市轻轨列车异步牵引电动机及大功率调频调速异步电动机转子的专用部件。

转子是高速列车异步电动机的心脏，采用鼠笼式结构，铜导条与紫铜端环焊接在一起，套在铁芯上，再在两端热套上护环就形成了转子。高速列车起动时起动转矩和负载都很大，转子导条必须有较高的电阻和电阻准确率。这是由于：第一，在额定电压下直接起动三相异步电动机，起动瞬间主磁通会减小到额定值的一半，功率因素cos₁又很低，造成起动电流相当大而起动转矩并不大，理论计算指出，降低起动电流和加大起动转矩的共同方法只有加大转子电阻；第二，高速列车一般采用四轴或六轴异步电动机牵引，即一套变频电路系统同时为四台或六台电动机供电，为了变频电路的平衡，要求四台或六台电动机转子导条的电阻率误差在1％的范围内。导条电阻率增加，满足了提高起动转矩的需要，但却增加了转子的温升。大功率异步牵引电动机用于地铁、城市轻轨车等的牵引时，经常处于频繁的起动状态，温升会更加严重，理论计算指出，温升可高达300℃～350℃。这样一来，一方面，传统的T₂铜导条由于电阻率低和抗高温软化性能差已不能满足要求，需要研制一种有确定电阻率并有足够高强度和抗软化能力的新型导条材料；另一方面，温升会降低导条与T₂铜端环之间焊接强度而断条，还导致钢护环的热应力腐蚀失效。传统的钢护环导热性差，热应力腐蚀严重，不适合作大功率异步电动机转子护环，因此，急需研制一种导热性好、强度和韧性好的新型护环，通过这种护环，使转子的热散发出去，降低转子的温升并保持转子结构的安全。

大功率牵引异步电动机是高速列车核心技术，国外非常保密，未见有具体的合金成份报道。但是，从国外高强高导铜合金研究动向可以推测出(见①《可靠笼型转子的现代设计》——译自《IEE3rd.Inter.Conf.on Electrical Machines and Drives》1987，140～144；②《Mn18Cr18N新型护环钢应用特性研究》——载于《大电机技术》№3.1996年)，对于导条材料他们走的是微合金化的高强高导铜合金的路子，护环则是采用强度和韧性好、导热性也好的铜合金系列。

本发明的目的：针对传统导条T₂铜电阻率低，强度低和抗高温软化能力差的问题，以及传统钢护环导热性差，易产生热应力腐蚀失效的问题，研制出电阻率和抗高温软化能力强以及导热性和强度、韧性均能满足高速列车、地铁列车、城市轻轨车异步牵引电动机转子的铜合金导条和护环。

本发明的技术方案是：

①制造导条的铜合金成份的质量百分比为0～30％Zn，0～1％Cr，0～1％Zr，余量为铜和不可避免的杂质。

②制造护环的铜合金成份质量百分比为9～11.5％Al，2～7％Fe，2～7％Ni，0～1％Zr(或0～1.0％Ti)，余量为铜和不可避免的杂质。

本发明采用上述技术方案制造的导条与护环具有如下优点：

对于导条铜合金，其室温强度及高温强度显著高于现行使用的T₂铜导条，且具有足够的韧性和良好钎焊性能。通过合金成份的调整，合金的电阻率_ρ150℃可在3.6～8.0×10^-6Ω·cm内任意调节，且电阻率误差可控制在1％内。该合金还有着良好的热加工和冷加工性能。特别适宜于制作高速列车等在同一逆变器供电条件下多台异步电动机联机工作的异步电动机转子导条。

对于护环铜合金，其与传统的Mn18Cr18N护环钢相比，具有较高的导热系数，因而对在较高温度条件下工作的异步电动机转子散热非常有利，可有效的避免转子端部因过热而发生导条断裂和导条与端环的钎焊部位因温度过高而发生脱焊。同时，该合金有足够满意的强度和韧性，无明显的中温回火脆性，能满足转子高速旋转时对护环强度和韧性的要求。本发明导条和护环均能满足高速列车、地铁列车、轻轨列车异步牵引电动机的需要。

下面作进一步的说明：

①导条按质量百分比配备好的铜合金依如下工艺流程制成：中频或工频感应熔炼—铁模浇铸或半连续铸锭—均匀化—热轧或热挤—酸洗—退火—冷轧或冷拉—剪切—退火—成品。

导条铜合金中，锌主要起调整合金电阻率的作用，在与铜能形成固溶体的所有元素中，锌对电阻率影响最小，可以利用锌来调整铜合金电阻。此外，因制备过程而带来的微量锌含量误差对合金要求的电阻率不会造成过大的偏差，非常有利于该合金的工业化生产。同时，锌在铜合金中还有明显的固溶强化效果，有利于提高导条铜合金的室温和高温强度。

导条铜合金中，铬与锆主要起沉淀强化和阻碍再结晶的作用。在沉淀过程中，铬常以极细的铬粒子均匀沉淀分布于合金中，锆则以微细铜锆化合物的形式沉淀。在铬与锆复合添加时，除上述两种沉淀方式外，还以微细铬锆化合物的形式均匀沉淀。上述微粒子均匀沉淀分布不显著影响合金的电阻率，但大大提高了合金室温强度，而且上述沉淀析出物具有阻碍热加工过程中再结晶和冷加工后退火过程再结晶的作用，显著提高了合金抗软化温度和高温强度。

②护环按质量百分比配备好的铜合金依如下工艺流程制成：中频或工频感应炉熔炼—铁模浇铸或半连续铸锭—热锻—退火—机加工—成品。

护环铜合金中，合金的显微组织结构为α+γ₂+κ和铜锆化合物或铜钛化合物。铝主要起固溶强化作用，由于合金中含Al量较高(9～11.5％)，在较高温度下会出现(α+β)两相，且温度越高，β相比例越大。β相强度较高，塑性较低，借助铝含量的调整，配以热处理控制(α+β)的比例可改善合金热加工工艺性能以及调整该合金的强度、塑性等。

铁和镍配比一般为1∶1，它们同时加入可扩大α相区，使铝在合金中的溶解度提高，在提合金强度的同时，仍能维持合金较好塑性。铁、镍还有细化合金铸造组织，阻碍再结晶的作用，从而提高该合金高温性能。铁、镍的加入还使合金中出现κ相，当铁、镍含量对等时，κ相呈均匀分布的细粒状，有利于提高合金强度而不显著降低其塑性。

锆、钛的加入能进一步降低合金中的氧含量，且会产生Cu₃Zr、Cu₃Ti及Ni₃Ti等微粒子沉淀，产生明显的沉淀强化效果，并能显著降低合金锻后在350℃～550℃退火所产生的中温脆性。

实施例

实施例1  铜合金成份(质量百分比)：锌12.5％，铬0.5％，锆0.3％，余为铜，以其制造的导条的主要性能见表1，表1列出了对比用T₂铜及Cu-0.7wt％Cr合金的性能。

表1  本发明合金与T₂铜及Cu-0.7wt％Cr合金性能比较

本发明铜合金已用于高速实验列车JD105S异步牵引电动机转子导条。

实施例2  铜合金成份(质量百分比)：锌2.0％，铬0.5％，余为铜，以其制造的导条主要性能见表2，表2还列出了对比用Cu-2wt％Zn合金的性能。

表2  本发明合金与Cu-2wt％Zn合金主要性能比较

本发明铜合金已用于内燃调度车异步牵引电动机转子导条。

实施例3  铜合金成份(质量百分比)：锌15.0％，铬0.3％，余量为铜，以其制造的导条主要性质见表3，表3还列出了对比用Cu-15wt％Zn合金的性能。

表3  本发明合金与Cu-15wt％Zn合金主要性能比较

本发明铜合金已用于200km/h电动车组300kw异步牵引电动机转子导条。

实施例4  铜合金成份(质量百分比)：铝10.5％，铁4.0％，镍4.0％，锆0.3％，余为铜，以其制造的铜合金护环主要性能和25Mn18Cr4无磁护环钢比较见表3。

  表4  本发明合金与25Mn18Cr4护环钢主要性能比较

本发明铜合金已用于高速实验列车JD105S异步牵引电动机转子护环、调度车异步牵引电动机转子护环和200km/h电动车组300kw异步牵引电动机转子护环。