鐵心連接工藝的分類

電機作為將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備中，如電動汽車、電動飛機、電動船舶等。硅鋼是一種高硅（2-5.5wt%Si）薄帶（0.2-0.65mm）鋼，是電機定子和轉(zhuǎn)子中最常用的軟磁性材料。在鐵中加入硅會降低矯頑力、增加電阻率。此外，在交變磁場環(huán)境中，薄帶厚度的減少可降低硅鋼的渦流損失。電機的定子和轉(zhuǎn)子鐵心由數(shù)百張硅鋼疊裝制成，可以減少渦流損失，提高效率。在電機應(yīng)用中，疊片鐵心兩側(cè)均有絕緣涂層，以阻斷層間渦流。通常，硅鋼鐵心疊裝的目的是確保疊裝片的機械強度，而連接工藝往往會帶來絕緣涂層的損傷、微觀結(jié)構(gòu)的變化、殘余應(yīng)力的引入等，從而引起磁性能的退化，因此在機械強度和磁性能之間的權(quán)衡是一個巨大的挑戰(zhàn)。此外，硅鋼的疊裝結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的重疊或?qū)?，研究硅鋼疊裝連接工藝對加快高質(zhì)量電機制造至關(guān)重要。圖1顯示了Scopus數(shù)據(jù)庫中關(guān)于硅鋼疊裝連接工藝技術(shù)的論文數(shù)量。如圖所示，這是一個近十年來快速發(fā)展的新興研究課題。

圖1

1.具有代表性的鐵心連接工藝

目前，疊片鐵心的連接工藝一般可分為三種類型：膠接、機械連接和熔焊，如圖2所示。膠接法的優(yōu)點是不破壞絕緣涂層，粘接后的鐵損增加較少，是組裝疊片的最佳方法之一。使用膠接硅鋼片之間可以保持良好的電絕緣性，同時有效減少片層間的振動和摩擦，從而降低噪聲，此外膠粘劑在固化后具有良好的導(dǎo)熱性能，可以幫助電機在運行過程中散發(fā)熱量。一般來說，膠水的成分因供應(yīng)商而異，包括有機膠、無機膠及兩者的組合。然而，該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的最大障礙是在電機運行過程中，高溫的周期性負荷條件下粘附力出現(xiàn)機械故障。此外，其成本也高于其他連接工藝。

圖2 疊片鐵心代表性連接工藝示意圖(a)膠連接(b)機械連接(c)熔焊連接

相對而言，目前機械和熔焊連接工藝均已被廣泛應(yīng)用。有研究人員比較了兩種具有代表性的V型機械連接工藝對環(huán)芯樣品的磁性能影響，發(fā)現(xiàn)機械鎖扣形成和機械鎖扣連接對低頻（如50Hz）鐵損增加的貢獻相當，而在高頻下，機械鎖扣連接導(dǎo)致的鐵損增加大于機械鎖扣形成的貢獻。同時，通過測量發(fā)現(xiàn)，磁導(dǎo)率和鐵損的倒數(shù)隨連接頭數(shù)量呈線性增加。在漸進式?jīng)_壓模具加工過程中，機械連接通常與熔焊連接相結(jié)合，成本上，機械連接工藝的成本比焊接工藝的成本略低，性能上，與熔焊相比，機械接頭在垂直于硅鋼表面方向上的強度低于熔焊接頭的強度，此外機械接頭在周期性載荷下的疲勞壽命也低于焊接接頭。因此，在高強度要求情況下，會聯(lián)合使用多個熔合焊道來提高機械連接的強度。

疊片鐵心熔焊的熱源包括激光、電子束、等離子弧、電?。?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/ti/" target="_blank">TIG、GTA、CMT）等。激光焊接作為一種高效、高質(zhì)量的熔焊工藝，被認為是在高性能電機應(yīng)用中最具發(fā)展前途的一項工藝。與其他熔焊方法相比，激光焊接可以實現(xiàn)較小的熱影響區(qū)，產(chǎn)生較低的殘余應(yīng)力，最終得到具有較高磁性能的焊接疊裝鐵心。圖3為疊片鐵心的激光焊接示意圖。運動能量束連續(xù)熔化疊層的邊緣，在界面處形成有效接頭。連接工藝的關(guān)鍵因素如下：(a)層的特殊結(jié)構(gòu)由數(shù)百片硅鋼疊片形成；(b)兩側(cè)的絕緣涂層，在動態(tài)熔焊過程中會因為涂層的熱解可能誘發(fā)焊縫氣孔；(c)機械強度和磁性的綜合要求。

圖3 疊片鐵心的激光焊接示意圖

表 1 顯示了層壓電工鋼連接方面的代表性研究。影響連接層壓電工鋼疊片的關(guān)鍵因素如下：（a） 由數(shù)百塊電工鋼片制成的疊片的特殊結(jié)構(gòu);（b） 電工鋼板兩側(cè)的絕緣涂層，由于涂層的熱解導(dǎo)致滯留氣泡，這會影響熔池在熔合焊接過程中的動態(tài)，并可能在焊縫中產(chǎn)生氣孔;（c） 對強度和磁性能的綜合要求。以下部分將總結(jié)當前層壓電工鋼連接的研究，從而更好地了解具有行業(yè)巨大要求的連接過程。

表 1.層壓電工鋼連接的代表性研究

2.連接區(qū)域的特征

有研究人員分析了激光熔接焊縫的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，焊縫表面質(zhì)量較好，無明顯缺陷。由于硅元素含量較高，即使它以高冷卻速率凝固，焊縫區(qū)仍然主要由鐵素體構(gòu)成。同時由于晶粒的外延生長，焊縫區(qū)出現(xiàn)柱狀晶粒向溫度梯度方向生長，在焊縫邊界附近的區(qū)域中觀察到細小的孔隙缺陷，這也為激光焊接頭表面和內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)提供了一個認識。

在對機械連接頭的特性和硬度分布研究中。如圖5所示，鎖扣邊緣的較大局部變形形成了疊層之間的鎖扣連接，由于強化效應(yīng)，邊緣區(qū)域的硬度增加。這為了解機械連接接頭的形狀和硬度提供了一個清晰的認識。然而，目前對鐵心連接區(qū)域特性的研究仍然有限，要明確材料無缺陷接頭的加工參數(shù)窗口、晶粒尺寸和取向等方面需要大量的工作。

圖4 焊接速度為10 mm/s的激光焊接層壓電鋼的焊縫特點(a)整體視圖；(b)上表面；(c)縱截面；(d)橫截面

圖5 機械連接頭的橫截面圖和硬度分布(a)沿短邊方向；(b)沿長邊方向；顯微硬度每0.1毫米測量一次 3.連接過程的模擬

數(shù)據(jù)模擬對于揭示疊片鐵心連接過程的機制是一個非常有用的工具。在材料的熔焊領(lǐng)域數(shù)據(jù)模擬被廣泛應(yīng)用，但在疊片鐵心中的連接模擬研究仍處于初始階段。疊片鐵心焊接模擬的難點之一是如何描述界面對焊接過程中傳熱的影響。有研究人員在ANSYS中建立了熱分析有限元模型，計算鐵心片層在激光焊接時的溫度分布，分析界面的演變，如圖6所示。在模型中，采用“出生”和“死亡”元素來描述界面對傳熱的影響，分別采用兩組熱導(dǎo)率值來描述界面熔化前后的傳熱能力。同時在以后的研究中還需要對材料在界面處的流動、溫度和殘余應(yīng)力的變化等問題進行大量的分析。

表6 (a)焊接過程中焊縫縱截面?zhèn)鳠徇^程原理圖；(b)模擬界面?zhèn)鳠嶙璧K焊縫縱截面溫度分布不均勻；(c)模擬界面吸收激光能量而熔化時焊縫縱截面溫度分布均勻

連接工藝對鐵心性能影響的測量

1.對機械性能的影響測量

疊裝鐵心連接工藝最大的挑戰(zhàn)是要同時獲得優(yōu)異的機械性能和磁性性能。雖然電機中的定子和轉(zhuǎn)子對疊裝鐵心的接頭強度要求不高，但評估接頭的抗剪強度和斷裂剪切應(yīng)變?nèi)匀缓苤匾?。圖1顯示了測量疊裝粘接鐵心的抗剪強度和斷裂應(yīng)變的示意圖。在樣品制備階段，首先使用刮刀將粘合劑涂抹在方形鋼板上，并將其預(yù)固化至非粘性階段，然后將預(yù)固化粘合劑的鋼板堆疊形成六層疊片鐵心，并在160攝氏度下固化90分鐘。

采用三點彎曲實驗測量粘接鐵心的剪切強度，采用數(shù)字圖像相關(guān)法測量剪切斷裂應(yīng)變，該方法是評估粘合層壓材料機械性能的一種行之有效的方法，但它對于機械連接或熔焊連接不太適用，因為這兩種方法的連接區(qū)域較小。

圖1 在現(xiàn)場應(yīng)變分析的初始階段和理想化變形階段 研究人員開發(fā)了一個三顎卡盤適配器，它與扭轉(zhuǎn)測試機組裝，如圖2所示。該系統(tǒng)已成功地用于測量激光焊接環(huán)狀鐵心的扭轉(zhuǎn)特性，也可以擴展到測量用機械連接和膠連接的環(huán)狀鐵心的扭轉(zhuǎn)特性，以及實際電機中連接的定子和轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)特性。

圖2(a)測量熔焊疊片鐵心扭轉(zhuǎn)特性的實驗系統(tǒng)；(b)激光焊疊片鐵心的扭轉(zhuǎn)特性；(c)斷裂的特征（此圖根據(jù)原始圖像重新編輯） 為了測量矩形樣品中焊縫的抗剪強度，研究人員設(shè)計了一種特殊的結(jié)構(gòu)，其中兩個焊縫對稱地分布在鐵心的每個邊緣，如圖3所示。以上這些方法對于評估不同幾何形狀的鐵心連接強度都十分可靠。未來還可以利用數(shù)字圖像等相關(guān)技術(shù)來測量加載過程中的局部應(yīng)變。

圖3 評估熔焊鐵心的搭接強度的試樣示意圖（在試樣兩側(cè)對稱設(shè)置焊縫，以保持平衡） 2.對磁性能的影響測量

磁性能是除扭轉(zhuǎn)強度外，評價疊片鐵心焊接性能的另一項重要指標。

焊接層壓層的鐵損耗可以用公式（1）計算： 其中，ρ1為電鋼樣品的密度，T為測量過程中的時間段。磁場H由公式（2）計算：

式中，N1為主繞組匝數(shù)，I1為主繞組中的電流，L為等效磁路的長度，可由公式（3）計算得到： 其中D1為環(huán)層的外徑，D2為環(huán)層的內(nèi)徑。通過公式（4）計算了通過層壓層的磁通密度：

式中，N2為二次繞組匝數(shù)，U2為二次繞組之間的電壓，S為二次繞組的截面積，可由公式（4）計算： 其中h是疊片的高度。實驗前，對焊接樣品進行繞組處理，并分別計算一次繞組匝數(shù)和二次繞組匝數(shù)。其他研究中也提到了類似的實驗系統(tǒng)來測量疊片鐵心的磁性能，所有這些系統(tǒng)都是基于相同的原理開發(fā)的。

圖4測量磁性能的系統(tǒng)：(a)示意圖；(b)卷繞鐵心樣品。

I1是主繞組中的電流，I (t)代表產(chǎn)生電流隨時間變化的模塊，R代表電阻模塊，U2是二次繞組之間的電壓，A代表模擬信號處理器，D代表數(shù)字信號處理器，PC代表計算機 3.對渦流損耗的影響測量

機械連接和熔焊連接均會導(dǎo)致渦流損失的增加。有研究人員開發(fā)了一個有限元模型識別疊片鐵心的渦流特性，結(jié)果表明，與絕緣層完好的參考樣品相比，互鎖鐵心的渦流損耗增加明顯（圖5，b），以及疊片鐵心受到?jīng)_擊，定子鐵心被壓入電導(dǎo)性外殼時可能發(fā)生的額外電氣連接造成的損耗增加（圖5，c、d）。此外還有基于等效電路法建立數(shù)學(xué)模型計算焊接疊裝鐵心中的渦流損失，并建立有限元模型估算局部焊縫區(qū)渦流分布，如圖6所示。該數(shù)學(xué)模型估算的渦流損失與有限元模型擬合較好，可以以較高的計算效率估算實際電機中焊接鐵心的渦流損耗，而有限元模型可以較準確地估算焊縫區(qū)渦流損失的局部分布。

圖5（a、b）互鎖鐵心的橫截面圖；（c、d）邊緣邊緣鍍鎳；(a、c)整個橫截面;(b)互鎖區(qū)域的細節(jié);(d)互鎖/鍍鎳區(qū)域的細節(jié)。

圖6(a)焊接鐵心原理圖；(b)替代磁場環(huán)境下焊接層截面的渦電流分布原理圖；(c)模擬非焊接層截面的渦流損失分布；(d)模擬焊接層截面的渦流損失分布。

新型連接工藝的研究

1.應(yīng)力引起的磁性惡化

在制造工藝中，例如沖壓或切割、焊接，壓合等均會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這會導(dǎo)致磁性能的惡化。有研究人員開發(fā)了一種使用局部材料模型對與應(yīng)力相關(guān)的磁特性(如磁通密度)進行建模的方法，從圖1中可以觀察到拉應(yīng)力引起了磁滯曲線的變化，可以說剩磁或鐵損等磁特性會因為機械應(yīng)力而改變。此外其他研究人員還討論了制造過程中改性的晶粒結(jié)構(gòu)對磁性的影響，未來的研究中應(yīng)充分結(jié)合磁性能與材料的微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系(例如晶粒尺寸、晶粒取向和磁疇等）。此外，在加載條件下對動態(tài)磁疇進行原位觀察，將更好地了解制造過程引起的磁性惡化。

圖1(a)在負載狀態(tài)下的磁性能測量原理;(b)M400-50A在50 Hz下不同拉應(yīng)力的磁滯回線2.不同熔焊方法的比較

與機械連接和膠接相比，熔焊連接較常用于高性能電機的應(yīng)用中。為了找到最佳的焊接解決方案，研究人員比較了激光焊和 TIG 焊對疊片鐵心的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、殘余應(yīng)力和磁性能的影響（圖2），由于TIG 焊的熱輸入量較大，其焊縫成形尺寸大于激光焊，導(dǎo)致其抗拉剪切強度較高。TIG焊層間的接觸面積比激光焊接層間的接觸面積大，渦流損耗更大。此外TIG焊接層的殘余應(yīng)力也大于激光焊接層，導(dǎo)致其滯后性能嚴重退化。綜上所述，激光的輸入熱量比TIG的輸入熱量的集中性和可控性要好得多，激光應(yīng)成為疊片鐵心高質(zhì)量焊接的較好熱源。

圖2 TIG焊接與激光焊接比較(a)最大抗剪力強度；(b)渦流分布；(c)殘余應(yīng)力分布；(d)磁滯曲線 有研究人員開發(fā)了一種新型的鐵心焊接技術(shù)，與通常使用的連接整個貫穿整個鐵心垂直面的焊接技術(shù)不同，他們使用分布式單個激光點焊的方式，在整個層壓板高度上進行焊接，如圖3所示。實驗結(jié)果表明，在低頻下，具有垂直焊線的鐵心損耗較低，這是由于焊接的熱沖擊會引起鐵心的機械殘余應(yīng)力，同時垂直焊線焊縫處受影響的晶粒體積也較小。在增加頻率后，渦流分量開始占主導(dǎo)地位，點焊樣品損耗增加開始明顯變小。因此，這種焊接方法對于高頻下應(yīng)用的鐵心十分有效。

圖3 線焊層和點焊層之間的比較:(a)環(huán)形鐵心1，兩條線性焊接線;(b)環(huán)形鐵心2，四條線性焊接線;(c)環(huán)形鐵心3，螺旋形焊接點;(d)環(huán)形鐵心4，焊點的統(tǒng)計分布;(e)線焊的橫截面;(f)點焊的橫截面;（g）50 Hz和1000 Hz時的鐵損以及1.0T的磁感應(yīng)強度。 有研究人員開發(fā)了一種鐵心自適應(yīng)脈沖激光焊接新型技術(shù)，如圖4所示，該項技術(shù)通過在線監(jiān)測鐵心層壓板之間的間隙位置，從而能夠在層壓板界面實現(xiàn)精準焊接。實驗結(jié)果表明，與工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的傳統(tǒng)連續(xù)激光焊接相比，開發(fā)的脈沖點焊產(chǎn)生的特定功率損耗較低，并且提高了樣品的相對磁導(dǎo)率。質(zhì)量控制對于提高焊接質(zhì)量十分重要，可以將工藝監(jiān)測集成到焊接系統(tǒng)中，以控制質(zhì)量并相應(yīng)地優(yōu)化參數(shù)。光學(xué)，光譜，熱和聲學(xué)傳感器越來越多地單獨或組合使用，這對于提高質(zhì)量控制十分有效。對于測量數(shù)據(jù)的評估，機器智能例如機器學(xué)習(xí)等都具有巨大的潛力。對于這些新型焊接技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，對焊接質(zhì)量，微觀結(jié)構(gòu)，機械性能和磁性能進行全面研究非常重要。此外，還應(yīng)考慮焊接系統(tǒng)和每個定子的成本，以及焊接過程的可適用性和焊接系統(tǒng)的壽命。

圖4 線焊疊片與自適應(yīng)脈沖激光點焊疊片的比較(a)經(jīng)典連續(xù)焊接；(b)自適應(yīng)連續(xù)焊接；(c)經(jīng)典脈沖焊接；(d)自適應(yīng)脈沖焊接3.總結(jié)和未來發(fā)展

下一步需要對連接工藝對定子性能的影響進行全面調(diào)查，尤其是機械強度疲勞壽命和磁性能應(yīng)作為評價疊片鐵心性能影響的重要指標，包括這些指標在高溫下的值，此外，還應(yīng)核算每種連接工藝的成本。

未來，我們應(yīng)該對磁性能退化機制進行更深入的研究。例如，可以通過熱成像儀原位測量焊接鐵心中的溫度分布；用于驗證由熱有限元模型計算出的鐵心中的能量損失分布。此外，還可以通過中子光柵干涉法，現(xiàn)場測量在交變磁場環(huán)境外部負載條件下鐵心中的磁疇變化，這種方法對了解應(yīng)力引起的磁性能退化十分有效。

對于優(yōu)化疊層電工鋼的連接工藝，未來還有很大的研究空間，我們應(yīng)進行更多的實驗，以建立過程參數(shù)和鐵心性能之間的關(guān)系圖，模擬模型對于了解機制十分重要。

目前疊片鐵心的焊接模擬模型中，一般采用起始-終結(jié)技術(shù)描述激光照射下鐵心界面熔化時熱導(dǎo)率的快速增加。然而這種方法雖然可以表征界面在焊接過程中傳熱的影響，但無法分析間隙填充和殘余應(yīng)力的演變過程。建議開發(fā)熱機械流體耦合模型，以深入了解這種焊接過程。

目前的研究大多集中在評估焊接鐵心的性能上，而沒有深入到實際電動機的性能研究中，通過實驗和模擬來研究焊接過程對電動機性能的影響是未來趨勢。