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2013-11-51电器制造工艺学电器制造工艺学（六）电器铁心工艺田新疆高级工程师厦门理工电气工程与自动化学院课程讲义2013年11月一、铁心概述学习目标二、铁心材料及性能三、磁性材料的热处理四、铁心工艺及设备五、铁心质量检验一、铁心概述铁心是电磁式电器中的重要部件，它作为导磁体与线圈组成电磁系统，利用电磁原理转化电信号，实现带动触头系统断开和闭合等功能。电磁式电器的很多技术经济指标，如发热、动作特性、控制特性、保护特性、机械寿命以及外形尺寸、重量和制造成本等，均与铁心的材料、结构及制造工艺密切相关。1、铁心的用途1）根据铁心工作原理、结构形式不同，铁心分为：（1）静止式铁心静止式铁心起控制和放大电信号的作用，如电流互感器、磁放大器、零序互感器等铁心。2、铁心的分类（2）运动式铁心运动式铁心把电信号转化为机械动作，如接触器、继电器的控制操作、断路器的过电流保护脱扣等铁心。运动式铁心由静铁心（磁轭）和动铁心（衔铁）组成，工作中处于频繁吸合与释放的状态，其极面承受反复的碰撞。因此，要求铁心除具有良好的磁性能外，还应具有一定的机械强度、冲击韧性和耐磨性，以保证电器可靠运行。2）运动式铁心按励磁电流的种类不同，可分为：（1）直流励磁铁心直流励磁铁心在稳定状态下通过恒定磁通，没有涡流和磁滞损耗，为加工方便常用整块低碳钢或电工纯铁等材料制成。（2）交流励磁铁心。交流励磁铁心则通过交变磁通，产生涡流和磁滞损耗，为减少涡流损耗常用涂有绝缘层、厚度为0.35～1mm、含碳量低于4.5%（质量分数）硅钢片叠压而成，通常称为叠片式铁心。与直流励磁铁心相比，交流叠压式铁心机械强度不高、制造工艺复杂，因此提高其机械强度很重要。二、铁心材料及性能1、铁心的组成常见的叠片式铁心由铁心片、分磁环（短路环）、铆钉和夹板等四部分组成。冲制的铁心片叠合后，用夹板和铆钉紧固，使铁心成为坚固的整体，可消除反复磁化时铁心片间的振动和噪声，同时提高铁心的机械强度，使铁心在反复碰撞过程中极面不易变形。夹板起着压紧力均匀分布的作用，一般用Q235、10等低碳钢制造。为减少剩磁和磁滞损耗，铁心的夹板也常用剩余感应和矫顽力小的硅钢片制造。铆钉用塑性和韧性高的材料如M12、M15等铆螺钢制造。分磁环阻碍交变磁通变化，减少铁心吸合后的噪声。一般采用紫铜、纯铝、锆铬铜等电导率高的耐热材料制造。铁心本体所用的材料是软磁性材料，磁性材料的种类很多，应用范围极广，其性能对铁心的动作、寿命及电器的可靠运行等有决定性影响。分磁环阻碍交变磁通变化，减少铁心吸合后的噪声。一般采用紫铜、纯铝、锆铬铜等电导率高的耐热材料制造。1）磁性材料的基本概念（1）磁化曲线磁化曲线是磁性材料磁感应强度B随磁场强度H变化的关系曲线。随着H增加，材料逐渐达到饱和。（2）磁滞回线磁性材料去磁时，磁感应强度B并不沿原磁化曲线变化，而滞后于磁场强度H缓慢变化，这一现象称为磁滞。由于磁滞的原因，B随H的变化形成闭合的特性曲线，称为磁滞回线。软磁材料的磁滞回线高且窄，矫顽力小，损耗低。磁滞回线窄而接近矩形的软磁材料，矫顽力小，而剩磁较大，这种材料也称矩形材料。硬磁材料的磁滞回线宽而面积大、剩磁高、矫顽力大，因此储存磁能量大，不易去磁。2、影响铁心材料磁性能的因素1）晶格结构和晶粒的大小（1）晶格结构对金属磁化的影响。铁心材料的磁性能与材料的组织结构、化学成分和机械加工过程等因素有密切的关系。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格比如，冷轧硅钢片或晶粒取向硅钢片沿轧制方向具有优良的磁性。晶粒取向结构钢片不仅在强磁场中具有高的饱和磁通密度和低的铁损，而且在弱磁场中也有良好的磁性（初始磁导率大）。这是由于冷轧工艺过程使钢片中杂质含量降低，并在钢片中造成粗大晶粒。晶粒粗大会使磁导率增大，减小磁滞损耗。冷轧钢片使晶粒的立方体棱边(最易磁化方向)沿轧制方向排列，有利于磁化的进行。这种材料称为单取向硅钢片。现也能制造多方向易磁化的硅钢片（即无取向硅钢片）。（2）影响磁性能各向异性的因素。单晶体的磁性能各向异性，只有在较纯净的晶体中才强烈地表现出来。在普通工程用电工钢中，杂质的影响超过了各向异性的影响，磁性能的各向异性可显示不出。（3）晶粒的大小对磁性能的影响。晶粒的大小，对磁性能有显著的影响。晶粒粗大，晶界缩短，磁性就有很大的提高。热处理规范的选择，会直接影响到晶粒的大小。例如:当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生晶粒之间还会大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大。2）杂质及含硅量由于杂质常常析出在晶粒的边界，故增大了晶粒间的磁阻，使磁性能变坏。常见的杂质有碳、氧、氮、硅等。（1）杂质对硅钢片性能的影响。碳、硫、氧被认为是硅钢片中的三害。这些元素会增加软磁材料的矫顽力，并使硅钢片的磁滞损耗增大。此外，含氮过多也会妨碍晶粒成长，导致磁滞损耗和矫顽力增加。含铝过多(超过0.5％)的硅钢片脆性太大,很难加工。所以应消除这些对硅钢片有不良影响的杂质元素。（2）含硅量对硅钢片性能的影响。硅是钢的良好脱氧剂。它和氧结合,使氧转变为稳定的不为碳还原的SiO2，避免了因氧原子掺杂而使铁的晶格畸变。硅在α铁中成为固溶体后使电阻率剧增，同时有助于将有害杂质碳分离出来。因此，一般含杂质的铁加入硅后能提高磁导率，降低矫顽力和铁损,但含硅量增加又会使材料变硬变脆,导热性和韧性下降，对散热和机械加工不利，故一般硅钢片的含硅量不超过4.5％。3）机械应力对磁性能的影响机械应力有拉应力和压应力之区别。由于铁心材料磁致伸缩的性能有差异，机械应力对不同的铁心材料有着完全不同的影响。以镍的磁致伸缩性能为例，它在外磁场作用的方向，长度缩短，所以它在受拉应力时，磁性能降低。而受压应力时，磁性能提高。磁致伸缩：磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长(或缩短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象。4）机械加工对磁性能的影响软磁材料经过切削加工或冷冲压等加工后，由于在机械力作用下，使材料的表面或周边发生塑性变形，形成一层冷作硬化层，从而改变了材料原有的力学性能和物理性能。注:经过冷冲压加工的软磁材料的冷作硬化层厚度与模具间隙的大小有关。3、铁心材料的时效现象铁心材料的磁性将随着时间和温度的变化而变坏，例如磁导率减小、矫顽力增大等。这种现象称为铁心材料的磁时效现象，亦称磁性老化。1）定义2）产生原因铁心材料的磁时效现象是由于碳、氮、氧等杂质逐渐析出而产生的，但这些元素的溶解随温度的降低而减慢。3）对磁性的影响当铁心材料在退火过程中，达到工艺规范所规定的保温时间，从高温开始冷却其速度较快时，由于杂质没有充分的时间析出，就会成为过饱和的固溶体。在低温时，随着时间的推移而缓慢地析出晶界间，同时也伴随而产生一定的内应力，这样就使磁性渐渐减小。4）措施为了减少磁时效的影响，可以选用磁时效小的铝静纯铁；亦可采用不同的退火方式减小磁时效的影响。4、磁性材料及在电器中的应用磁性材料按其特性一般分为软磁材料和硬磁材料两大类。软磁材料磁导率大而矫顽力小；硬磁材料矫顽力大而且磁化后长期保持磁性。1）磁性材料的分类2）软磁材料（1）电工纯铁电工纯铁是含碳在0.04%（质量分数）以下的软磁材料，其优点是电导率大、饱和磁感应强度大、矫顽力小；缺点是涡流损耗大不适合交变磁场、还存在磁老化现象。2）软磁材料（2）低碳钢低碳钢又称无硅钢，其含碳量为0.05～0.25%，常被用于制作直流磁系统及小变压器的铁心和磁轭。高压电器的电磁操动机构也常用低碳钢制作磁轭，因为它兼有结构件的作用。低碳钢板经冲裁后需作脱碳退火处理以提高磁性能。（3）硅钢片硅钢片为轧制铁硅合金，铁内掺少量硅可以增大导磁率以及电阻率，并明显减弱磁老化现象。因此，硅钢片是交流电磁器件，是包括交流电磁铁、变压器以及旋转电机等最广泛使用的软磁铁新材料。为了降低铁损，硅钢片表面具有绝缘层。2）软磁材料（4）铁镍合金（坡莫合金）磁放大器、漏电保护用零序互感器及脱扣器、脉冲变压器等，常需处理微弱的电磁信号，因而对磁性材料提出了在微弱磁场中强烈磁化的要求。在纯铁中加入适量的镍及其他元素，可以大大提高材料的磁性能。铁镍合金具有矩形的磁滞回线，但机械撞击和振动对其磁性能影响很大，所以在加工及运输过程应避免敲打和碰撞。（5）其他软磁材料①实心铁心硅钢：可进行进行切削加工。②感温磁性材料：一般磁性材料居里点在500℃以上，感温磁性材料居里点低，磁性能随温度变化，即温度上升后饱和磁感应强度、磁场强度、铁损及电阻率均减小。3）硬磁材料硬磁材料是供制作永磁体（如极化继电器和电磁式漏电保护器的脱扣器等用永磁体）的磁性材料。它具有矫顽力大、磁滞回线大的特点。但剩余磁感应却未必都比软磁材料的大。硬磁材料经磁化到饱和后，虽然除去外施磁化磁场，其剩磁仍能在磁体外的空间建立一稳定不变的磁场，故可作为电器的一种磁源。硬磁材料主要有以下四个系列：①铸造铝镍钴系；②粉末冶金铝镍钴系；③硬磁铁氧体系；④稀土钴系。三、磁性材料的热处理(1)正确地选择退火工艺及其退火工艺规范；(2)提高效率和降低成本。1、铁心退火处理分类及技术要求主要是指将材料曝露于高温一段很长时间后，然后再慢慢冷却的热处理制程。1）退火处理(1)消除内应力；(2)减少有害杂质(如磷、硫、氧等)；(3)改替其磁性能和机械加工工艺性能。2）退火处理分类铁心退火处理常用的有普通退火、氢气退火、真空退火、磁场退火等。3）退火处理目的4）退火处理的技术要求2、铁心退火处理工艺1）电工纯铁退火工艺2）铁心冲片退火工艺有普通退火、氢气退火、真空退火。有普通退火、氢气退火、真空退火以及磁场退火。磁场退火真空退火氢气退火3、铁心退火工艺的正确选择与应用1）退火工艺的生产周期较长和消耗电能较多。2）要考虑到所能达到预期的技术和经济效果。3）选择合适的退火温度、保温时间和冷却速度,以达到合理的退火工艺规范。4）保证提高劳动生产率和降低生产成本。注：退火的目的①改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止工件变形、开裂。②软化工件以便进行切削加工。③细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能。④为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。四、铁心工艺及设备1、铁心的结构型式1）电器的直流铁心结构型式电器的直流电磁操作系统采用直流励磁，其铁心结构型式有转动式和直动式两种。①转动式(又称拍合式)②直动式（大多为螺管式）2）电器的交流铁心结构型式电器的交流电磁操作系统采用交流励磁，其铁心结构型式有直动式、转动式、E形或U形及圆环形等四种。3）铁心结构形式与特性铁心的基本特性是其吸力特性，即其衔铁所受吸力与其行程之间的关系。由此可知，吸力特性的形状与铁心的结构型式密切相关。因此，实用中的铁心结构型式远不止上述这些种类，而且即使是同一种结构型式的铁心，只要改变其磁极板面处的形状，即可得到不同的特性。（1）直流电器的铁心消除剩磁：调整非磁性垫片。（2）直流电器的铁心消除剩磁：调整铁心的结构。①加去磁间隙②其它措施2、铁心制造工艺（1）工艺流程图（2）工序说明1）电器的直流铁心制造①落料②成型③极面加工④表面处理2）电器的交流铁心制造交流铁心制造和组装的主要工艺流程如下：交流铁心制造和组装的主要工艺说明：（1）备料①硅钢片应沿轧向剪成带状成卷，现在多采用滚剪机。②夹板要先剪成条料，并注意料纹方向的要求，夹板常常采用低碳钢板或黄铜板。③短路环多用纯铜板和黄铜板，下料时也是先剪成条料，为了保证短路环各方向的强度要求，也应注意料纹方向。④铆钉下料通常是铆钉钢线材校直冲断制成铆钉。铆钉材料应有较好的塑性。强度过高而脆性大的材料，在成千上万次冲击负荷作用下易过早地断裂。故材料应选用铆钉钢，也可用低碳钢。滚剪机（2）冲片将硅钢片和夹板在冲床上冲制成片。冲制过程中要求冲片毛刺不大于0.05mm，否则会影响铁心的组装质量，即不易保证铁心的几何形状和尺寸精度，同时会增加铁心的涡流损耗，引起铁心过热。大批量生产冲片的冲压设备可采用高速自动冲床，并配置开卷校平及自动送料装置，进行带料连续冲压。使用带料冲片时，可间隔一定距离滴注一种专用防锈油，有利于提高模