2022年04月08日
软磁材料专题（十四）
铁芯作为电机、变压器等产品的重要零件之一，一般由高导磁率、低损耗的硅钢片制成，为了减少损耗，在铁芯轴线方向上由厚度为0.35mm/0.5mm的硅钢片组成。因此，一台产品的铁芯可由几片至几百片硅钢片组成，铁芯冲片的生产用量非常大，同时，铁芯的装配质量会直接影响到电机的技术性能、经济指标和运行的安全可靠。因此，本期内容将为大家介绍铁芯装配相关内容！
一.铁芯叠片装配方法
铁芯作为电机中的核心部件，可以用来增加电感线圈的磁通量，实现电磁功率的最大转换。电机中的转子和定子铁芯一般是由数百个叠压并连接的薄电工钢板制成，减少涡流损耗，提高效率。通常，为了确保叠片的机械强度，定子叠片通常会被装配成定子，然后绕线，最终压装入定子中。目前合理的装配方法有：
(1)用楔加固：图1.1为用楔加固技术装配而成的叠装定子片。这种装配方式能够避免高温下的损害,如果设计合理,是一种相对简单的铁芯装配方式。
图1.1 叠装的定子片
(2)螺栓连接：螺栓连接由于需要在定子中打额外的孔, 并且螺栓本身也容易生锈，因而目前用得很少。 采用这种方式连接的定子易分离, 容易绕线。
(3)铆接：铆接是利用轴向力，运用拉力膨胀原理使多个零件相连接。它需要在长的铆钉条的末端采用重的压头进行压装,但如果采用液压装置,仅仅使得压装力可控。如果定子齿部的毛刺严重的话,铆接过程会导致大范围的短路电流。
(4)胶粘：胶粘是利用胶粘剂在连接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件联接起来的工艺方法。它需要在电工钢表面引入一种热固化涂层,加热之后,电工钢叠片会粘接成一个整体。采用胶粘方式需要选择合适的胶层,在固化之后不会引入很大的内应力。新胶层出现之后,有必要通过更换胶层,对比研究不同胶层对于粘接应力的影响。
(5)自锁式连接：在自锁工艺中,下一块板中冲出的凹坑,需要被上一块板上的凸起填充满(见图1.2a)。如果凹坑和冲头被设计合理,在依次的压应力作用下,片与片之间逐层实现自锁。图1.2显示了自锁叠装过程中的金属成形及晶粒演变过程。为了保证自锁工艺的顺利开展,自锁工具必须与合理的材料特性相匹配。
图1.2 自锁过程
(6)激光焊：利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。它优势在于，能把大量的能量集中在很小的作用点上，具有能量密度高、加热集中、焊接速度快及焊接变形小等特点，可实现薄片的快速连接。
(7)电阻焊：电阻焊用来焊接薄金属件，通过大的电流熔化电极接触表面，作用于被夹工件，工件电阻发热实现焊接。并且在加热过程中,需要注意涂层中产生的气体,以防止气孔形成。熔滴的形成速度对于气孔的形成会产生影响。当钢材和涂层发生变化时,需做实验匹配焊机进给速率与涂层特性。
(8)转子模具铸造:当在转子外套上铝合金铸造的鼠笼条时,这个过程也起到了对于转子叠片的保护作用。尽管转子中的电流频率很低,但在层间涂上绝缘涂层来抑制涡流仍然有必要。由于控制电机速度的功率电子设备的使用,即使电机在正常的速度范围中运转,转子也会更多的暴露在更高频的磁场中。
从以上的介绍可知，定子铁芯叠装的固有可靠性设计包含电器设计的可靠性、叠装工艺设计的可靠性以及相关工艺设计的可靠性。而且各因素之间相互影响，只有互相协调，达成统一，方能保证设计的先进性、可行性。
二.铁芯制造过程的两大影响因素：
毫无疑问,了解铁芯的装配工艺后，大家会对各种装配工艺的成本及效率更感兴趣。而普遍应用叠片来抑制感应涡流、减少涡流损耗的同时，仍避免不了大量涡流损耗的存在。在接下来的部分中,将讨论铁芯制造过程中的两个不可忽视的影响因素。
(1)叠片间发生短路故障
如图2.1所示，当叠片间发生短路故障，产生故障电流导致涡流增加,进而引起附加损耗，并因此导致局部过热，而且进一步发展可能会影响邻近导体绝缘的综合使用寿命，更甚会引起叠片烧毁或者融化。这将很大程度上影响电机的整体性能。
图2.1 定子铁芯叠片间发生短路故障
理论上，两处短路能形成一个完整的涡流回路,如果只存在一条焊缝,则会比较安全。然而,如果冲裁过程中齿部形成的毛刺产生了短路电流,则毛刺与焊接共同形成的封闭电流回路不可避免地增加了铁损。针对这一问题，如果采用焊接固定的方式,则需要采用精细的冲裁工艺来尽可能地减少毛刺的产生,或在冲裁工艺之后开展去毛刺工艺,同时在材料表面辊涂绝缘涂层来掩盖较小的毛刺。正如中等大小的设备采用表面绝缘涂层阻碍毛刺的产生，抑制感应涡流，涡流损耗很少有明显的增大。当然,这也与裸板晶粒在毛刺位置处的阻碍作用有关,阻止了大部分的电子流动。同样地,当叠片和中心轴之间形成短路电流，而两者采用强制装配的方式进行固定时,则在进行转子加工时也需要特别注意防止金属流到叠片之外的平面,产生二次短路电流导致大面积故障。事实表明，尽管转子电流频率相对较低,但同样存在谐波成分,依然会引起短路电流，这对电机性能的影响是不可忽视的。
(2)应力的产生
电机定子叠片在加工生产中经过裁剪、冲压、焊接、装配等一些列工艺，这一过程会在叠片中产生残余应力。大部分的应力会影响叠片的磁滞伸缩，导致磁性能的恶化，引起电机非正常振动。唯一的例外是沿磁化方向的拉应力。对于冲裁过程中应力的增加,退火过程会使半处理钢应力释放，恢复叠片原有磁性。即定子叠片在装入基座之前开展铁损测试,如果这时的叠片刚好开展了退火处理,则将会获得良好的效果。并且在退火过程中应注意以下三方面：
(a)退火时间
即炉内温度达到设定退火温度的保温时间。实际退火时间是根据退火方式、退火炉型、装炉量、装炉方式以及铁芯尺寸等因素而定的。为了防止在加热和冷却过程中，由于热应力导致铁芯叠片变形，必须适当控制加热和冷却速度，且加热方式最好选用从铁芯冲片侧面加热方式，以实现均匀快速加热。冷却速度视装炉量而定，实践表明应低于30℃/h，当装炉量增大时，速度应随之减小。
(b)退火温度
退火温度以能恢复到原叠片磁性能为标准，不宜选得过高。退火温度过高，叠片磁性能提高的同时也会影响绝缘涂层的性能或使叠片发生粘结。对于冷轧取向电工钢片，一般选用790~810℃；冷轧无取向电工钢片，选用700~750℃为宜。而退火温度高于750℃，应严格控制炉内保护气氛为无氧化气氛。
(c)退火气氛
为使铁芯叠片不氧化、不渗碳和电工钢片表面绝缘涂层无明显恶化，最好选用含2~10%氢的氢氮混合气体。加入少量的氢可保护铁芯叠片不氧化，且保护气体中的露点温度应保持在0℃以下。
另外，如果定子叠片被液压缸压入组装的基座中,将会引起较大的应力上升；如果定子基座被加入,然后将定子装入基座中,待冷却后进行装配,则会在叠片中产生较大的径向内应力；当定子铁芯和基座利用胶粘固定等方式紧紧咬住的时候,接触热阻会减小,但叠片中的内应力增大,磁性能会明显劣化，需要提供更高的励磁电压。一般来说,钢材的性能越优良,对于应力越敏感,那么将高性能的电工钢铁芯采用容易导致电磁性能劣化的方式进行固定是对资源的一种不合理浪费。
由于现代的各种驱动装置对电机提出了越来越高的能量转换效率要求,对钢材处理的每个工艺过程都需进行评估,来保证原始钢材的优良性能最大限度地传递到最终生产的电机中,进而实现电机性能的最优化。总的来说，以上工艺方式成本效益好,特别是当市场风气抵制所有增加电机成本的工序时更有利于电机制造。
下一期内容将为大家开启电工钢软磁材料在高频应用的新篇章，敬请期待！
