2022年04月08日
軟磁材料專題（十四）
鐵芯作為電機(jī)、變壓器等產(chǎn)品的重要零件之一，一般由高導(dǎo)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(tái)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(shí)，鐵芯的裝配質(zhì)量會(huì)直接影響到電機(jī)的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)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(guān)內(nèi)容！
一.鐵芯疊片裝配方法
鐵芯作為電機(jī)中的核心部件，可以用來增加電感線圈的磁通量，實(shí)現(xiàn)電磁功率的最大轉(zhuǎn)換。電機(jī)中的轉(zhuǎn)子和定子鐵芯一般是由數(shù)百個(gè)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(jī)械強(qiáng)度，定子疊片通常會(huì)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(shù)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(shè)計(jì)合理,是一種相對(duì)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(yùn)用拉力膨脹原理使多個(gè)零件相連接。它需要在長的鉚釘條的末端采用重的壓頭進(jìn)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(yán)重的話,鉚接過程會(huì)導(dǎo)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(jī)械結(jié)合力、物理吸附力和化學(xué)鍵合力而使兩個(gè)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(huì)粘接成一個(gè)整體。采用膠粘方式需要選擇合適的膠層,在固化之后不會(huì)引入很大的內(nèi)應(yīng)力。新膠層出現(xiàn)之后,有必要通過更換膠層,對(duì)比研究不同膠層對(duì)于粘接應(yīng)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(shè)計(jì)合理,在依次的壓應(yīng)力作用下,片與片之間逐層實(shí)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(diǎn)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(diǎn)，可實(shí)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(shí)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(duì)于氣孔的形成會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)鋼材和涂層發(fā)生變化時(shí),需做實(shí)驗(yàn)匹配焊機(jī)進(jìn)給速率與涂層特性。
(8)轉(zhuǎn)子模具鑄造:當(dāng)在轉(zhuǎn)子外套上鋁合金鑄造的鼠籠條時(shí),這個(gè)過程也起到了對(duì)于轉(zhuǎn)子疊片的保護(hù)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(jī)速度的功率電子設(shè)備的使用,即使電機(jī)在正常的速度范圍中運(yùn)轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子也會(huì)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(shè)計(jì)包含電器設(shè)計(jì)的可靠性、疊裝工藝設(shè)計(jì)的可靠性以及相關(guān)工藝設(shè)計(jì)的可靠性。而且各因素之間相互影響，只有互相協(xié)調(diào)，達(dá)成統(tǒng)一，方能保證設(shè)計(jì)的先進(jìn)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(huì)對(duì)各種裝配工藝的成本及效率更感興趣。而普遍應(yīng)用疊片來抑制感應(yīng)渦流、減少渦流損耗的同時(shí)，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(gè)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(dāng)疊片間發(fā)生短路故障，產(chǎn)生故障電流導(dǎo)致渦流增加,進(jìn)而引起附加損耗，并因此導(dǎo)致局部過熱，而且進(jìn)一步發(fā)展可能會(huì)影響鄰近導(dǎo)體絕緣的綜合使用壽命，更甚會(huì)引起疊片燒毀或者融化。這將很大程度上影響電機(jī)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(gè)完整的渦流回路,如果只存在一條焊縫,則會(huì)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(duì)這一問題，如果采用焊接固定的方式,則需要采用精細(xì)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(shí)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(shè)備采用表面絕緣涂層阻礙毛刺的產(chǎn)生，抑制感應(yīng)渦流，渦流損耗很少有明顯的增大。當(dāng)然,這也與裸板晶粒在毛刺位置處的阻礙作用有關(guān),阻止了大部分的電子流動(dòng)。同樣地,當(dāng)疊片和中心軸之間形成短路電流，而兩者采用強(qiáng)制裝配的方式進(jìn)行固定時(shí),則在進(jìn)行轉(zhuǎn)子加工時(shí)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(dǎo)致大面積故障。事實(shí)表明，盡管轉(zhuǎn)子電流頻率相對(duì)較低,但同樣存在諧波成分,依然會(huì)引起短路電流，這對(duì)電機(jī)性能的影響是不可忽視的。
(2)應(yīng)力的產(chǎn)生
電機(jī)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(huì)在疊片中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。大部分的應(yīng)力會(huì)影響疊片的磁滯伸縮，導(dǎo)致磁性能的惡化，引起電機(jī)非正常振動(dòng)。唯一的例外是沿磁化方向的拉應(yīng)力。對(duì)于沖裁過程中應(yīng)力的增加,退火過程會(huì)使半處理鋼應(yīng)力釋放，恢復(fù)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(shí)的疊片剛好開展了退火處理,則將會(huì)獲得良好的效果。并且在退火過程中應(yīng)注意以下三方面：
(a)退火時(shí)間
即爐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定退火溫度的保溫時(shí)間。實(shí)際退火時(shí)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(yīng)力導(dǎo)致鐵芯疊片變形，必須適當(dāng)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(shí)現(xiàn)均勻快速加熱。冷卻速度視裝爐量而定，實(shí)踐表明應(yīng)低于30℃/h，當(dāng)裝爐量增大時(shí)，速度應(yīng)隨之減小。
(b)退火溫度
退火溫度以能恢復(fù)到原疊片磁性能為標(biāo)準(zhǔn)，不宜選得過高。退火溫度過高，疊片磁性能提高的同時(shí)也會(huì)影響絕緣涂層的性能或使疊片發(fā)生粘結(jié)。對(duì)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(yīng)嚴(yán)格控制爐內(nèi)保護(hù)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(hù)鐵芯疊片不氧化，且保護(hù)氣體中的露點(diǎn)溫度應(yīng)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(huì)引起較大的應(yīng)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(jìn)行裝配,則會(huì)在疊片中產(chǎn)生較大的徑向內(nèi)應(yīng)力；當(dāng)定子鐵芯和基座利用膠粘固定等方式緊緊咬住的時(shí)候,接觸熱阻會(huì)減小,但疊片中的內(nèi)應(yīng)力增大,磁性能會(huì)明顯劣化，需要提供更高的勵(lì)磁電壓。一般來說,鋼材的性能越優(yōu)良,對(duì)于應(yīng)力越敏感,那么將高性能的電工鋼鐵芯采用容易導(dǎo)致電磁性能劣化的方式進(jìn)行固定是對(duì)資源的一種不合理浪費(fèi)。
由于現(xiàn)代的各種驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)電機(jī)提出了越來越高的能量轉(zhuǎn)換效率要求,對(duì)鋼材處理的每個(gè)工藝過程都需進(jìn)行評(píng)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(jī)中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(dāng)市場風(fēng)氣抵制所有增加電機(jī)成本的工序時(shí)更有利于電機(jī)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(yīng)用的新篇章，敬請(qǐng)期待！
