2022年04月08日
軟磁材料專題（十四）
鐵芯作為電機、變壓器等產(chǎn)品的重要零件之一，一般由高導磁率、低損耗的硅鋼片制成，為了減少損耗，在鐵芯軸線方向上由厚度為0.35mm/0.5mm的硅鋼片組成。因此，一臺產(chǎn)品的鐵芯可由幾片至幾百片硅鋼片組成，鐵芯沖片的生產(chǎn)用量非常大，同時，鐵芯的裝配質(zhì)量會直接影響到電機的技術性能、經(jīng)濟指標和運行的安全可靠。因此，本期內(nèi)容將為大家介紹鐵芯裝配相關內(nèi)容！
一.鐵芯疊片裝配方法
鐵芯作為電機中的核心部件，可以用來增加電感線圈的磁通量，實現(xiàn)電磁功率的最大轉(zhuǎn)換。電機中的轉(zhuǎn)子和定子鐵芯一般是由數(shù)百個疊壓并連接的薄電工鋼板制成，減少渦流損耗，提高效率。通常，為了確保疊片的機械強度，定子疊片通常會被裝配成定子，然后繞線，最終壓裝入定子中。目前合理的裝配方法有：
(1)用楔加固：圖1.1為用楔加固技術裝配而成的疊裝定子片。這種裝配方式能夠避免高溫下的損害,如果設計合理,是一種相對簡單的鐵芯裝配方式。
圖1.1 疊裝的定子片
(2)螺栓連接：螺栓連接由于需要在定子中打額外的孔, 并且螺栓本身也容易生銹，因而目前用得很少。 采用這種方式連接的定子易分離, 容易繞線。
(3)鉚接：鉚接是利用軸向力，運用拉力膨脹原理使多個零件相連接。它需要在長的鉚釘條的末端采用重的壓頭進行壓裝,但如果采用液壓裝置,僅僅使得壓裝力可控。如果定子齒部的毛刺嚴重的話,鉚接過程會導致大范圍的短路電流。
(4)膠粘：膠粘是利用膠粘劑在連接面上產(chǎn)生的機械結合力、物理吸附力和化學鍵合力而使兩個膠接件聯(lián)接起來的工藝方法。它需要在電工鋼表面引入一種熱固化涂層,加熱之后,電工鋼疊片會粘接成一個整體。采用膠粘方式需要選擇合適的膠層,在固化之后不會引入很大的內(nèi)應力。新膠層出現(xiàn)之后,有必要通過更換膠層,對比研究不同膠層對于粘接應力的影響。
(5)自鎖式連接：在自鎖工藝中,下一塊板中沖出的凹坑,需要被上一塊板上的凸起填充滿(見圖1.2a)。如果凹坑和沖頭被設計合理,在依次的壓應力作用下,片與片之間逐層實現(xiàn)自鎖。圖1.2顯示了自鎖疊裝過程中的金屬成形及晶粒演變過程。為了保證自鎖工藝的順利開展,自鎖工具必須與合理的材料特性相匹配。
圖1.2 自鎖過程
(6)激光焊：利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。它優(yōu)勢在于，能把大量的能量集中在很小的作用點上，具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快及焊接變形小等特點，可實現(xiàn)薄片的快速連接。
(7)電阻焊：電阻焊用來焊接薄金屬件，通過大的電流熔化電極接觸表面，作用于被夾工件，工件電阻發(fā)熱實現(xiàn)焊接。并且在加熱過程中,需要注意涂層中產(chǎn)生的氣體,以防止氣孔形成。熔滴的形成速度對于氣孔的形成會產(chǎn)生影響。當鋼材和涂層發(fā)生變化時,需做實驗匹配焊機進給速率與涂層特性。
(8)轉(zhuǎn)子模具鑄造:當在轉(zhuǎn)子外套上鋁合金鑄造的鼠籠條時,這個過程也起到了對于轉(zhuǎn)子疊片的保護作用。盡管轉(zhuǎn)子中的電流頻率很低,但在層間涂上絕緣涂層來抑制渦流仍然有必要。由于控制電機速度的功率電子設備的使用,即使電機在正常的速度范圍中運轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子也會更多的暴露在更高頻的磁場中。
從以上的介紹可知，定子鐵芯疊裝的固有可靠性設計包含電器設計的可靠性、疊裝工藝設計的可靠性以及相關工藝設計的可靠性。而且各因素之間相互影響，只有互相協(xié)調(diào)，達成統(tǒng)一，方能保證設計的先進性、可行性。
二.鐵芯制造過程的兩大影響因素：
毫無疑問,了解鐵芯的裝配工藝后，大家會對各種裝配工藝的成本及效率更感興趣。而普遍應用疊片來抑制感應渦流、減少渦流損耗的同時，仍避免不了大量渦流損耗的存在。在接下來的部分中,將討論鐵芯制造過程中的兩個不可忽視的影響因素。
(1)疊片間發(fā)生短路故障
如圖2.1所示，當疊片間發(fā)生短路故障，產(chǎn)生故障電流導致渦流增加,進而引起附加損耗，并因此導致局部過熱，而且進一步發(fā)展可能會影響鄰近導體絕緣的綜合使用壽命，更甚會引起疊片燒毀或者融化。這將很大程度上影響電機的整體性能。
圖2.1 定子鐵芯疊片間發(fā)生短路故障
理論上，兩處短路能形成一個完整的渦流回路,如果只存在一條焊縫,則會比較安全。然而,如果沖裁過程中齒部形成的毛刺產(chǎn)生了短路電流,則毛刺與焊接共同形成的封閉電流回路不可避免地增加了鐵損。針對這一問題，如果采用焊接固定的方式,則需要采用精細的沖裁工藝來盡可能地減少毛刺的產(chǎn)生,或在沖裁工藝之后開展去毛刺工藝,同時在材料表面輥涂絕緣涂層來掩蓋較小的毛刺。正如中等大小的設備采用表面絕緣涂層阻礙毛刺的產(chǎn)生，抑制感應渦流，渦流損耗很少有明顯的增大。當然,這也與裸板晶粒在毛刺位置處的阻礙作用有關,阻止了大部分的電子流動。同樣地,當疊片和中心軸之間形成短路電流，而兩者采用強制裝配的方式進行固定時,則在進行轉(zhuǎn)子加工時也需要特別注意防止金屬流到疊片之外的平面,產(chǎn)生二次短路電流導致大面積故障。事實表明，盡管轉(zhuǎn)子電流頻率相對較低,但同樣存在諧波成分,依然會引起短路電流，這對電機性能的影響是不可忽視的。
(2)應力的產(chǎn)生
電機定子疊片在加工生產(chǎn)中經(jīng)過裁剪、沖壓、焊接、裝配等一些列工藝，這一過程會在疊片中產(chǎn)生殘余應力。大部分的應力會影響疊片的磁滯伸縮，導致磁性能的惡化，引起電機非正常振動。唯一的例外是沿磁化方向的拉應力。對于沖裁過程中應力的增加,退火過程會使半處理鋼應力釋放，恢復疊片原有磁性。即定子疊片在裝入基座之前開展鐵損測試,如果這時的疊片剛好開展了退火處理,則將會獲得良好的效果。并且在退火過程中應注意以下三方面：
(a)退火時間
即爐內(nèi)溫度達到設定退火溫度的保溫時間。實際退火時間是根據(jù)退火方式、退火爐型、裝爐量、裝爐方式以及鐵芯尺寸等因素而定的。為了防止在加熱和冷卻過程中，由于熱應力導致鐵芯疊片變形，必須適當控制加熱和冷卻速度，且加熱方式最好選用從鐵芯沖片側(cè)面加熱方式，以實現(xiàn)均勻快速加熱。冷卻速度視裝爐量而定，實踐表明應低于30℃/h，當裝爐量增大時，速度應隨之減小。
(b)退火溫度
退火溫度以能恢復到原疊片磁性能為標準，不宜選得過高。退火溫度過高，疊片磁性能提高的同時也會影響絕緣涂層的性能或使疊片發(fā)生粘結。對于冷軋取向電工鋼片，一般選用790~810℃；冷軋無取向電工鋼片，選用700~750℃為宜。而退火溫度高于750℃，應嚴格控制爐內(nèi)保護氣氛為無氧化氣氛。
(c)退火氣氛
為使鐵芯疊片不氧化、不滲碳和電工鋼片表面絕緣涂層無明顯惡化，最好選用含2~10%氫的氫氮混合氣體。加入少量的氫可保護鐵芯疊片不氧化，且保護氣體中的露點溫度應保持在0℃以下。
另外，如果定子疊片被液壓缸壓入組裝的基座中,將會引起較大的應力上升；如果定子基座被加入,然后將定子裝入基座中,待冷卻后進行裝配,則會在疊片中產(chǎn)生較大的徑向內(nèi)應力；當定子鐵芯和基座利用膠粘固定等方式緊緊咬住的時候,接觸熱阻會減小,但疊片中的內(nèi)應力增大,磁性能會明顯劣化，需要提供更高的勵磁電壓。一般來說,鋼材的性能越優(yōu)良,對于應力越敏感,那么將高性能的電工鋼鐵芯采用容易導致電磁性能劣化的方式進行固定是對資源的一種不合理浪費。
由于現(xiàn)代的各種驅(qū)動裝置對電機提出了越來越高的能量轉(zhuǎn)換效率要求,對鋼材處理的每個工藝過程都需進行評估,來保證原始鋼材的優(yōu)良性能最大限度地傳遞到最終生產(chǎn)的電機中,進而實現(xiàn)電機性能的最優(yōu)化?？偟膩碚f，以上工藝方式成本效益好,特別是當市場風氣抵制所有增加電機成本的工序時更有利于電機制造。
下一期內(nèi)容將為大家開啟電工鋼軟磁材料在高頻應用的新篇章，敬請期待！
