第三章--电机铁心制造

电机制造工艺主讲:林琦副教授宁德职业技术学院机电工程系电机制造工艺电机制造工艺第三章电机铁芯制造本章教学基本要求本章教学重点1.掌握几种铁心材料的化学成份、电磁性能、型号及发展前沿趋势；2.熟习各种铁心制造设备用途、重要参数及基本使用方法；3.掌握冲片的类型、技术要求、冲制方法、工艺方案制定、冲模的优化选择及冲片质量检查分析；4.知道冲片绝缘处理的目的、方式、质量检查和设备；5.掌握铁心压装的类型、技术要求、工艺措施及质量检查。1.铁心材料的选择；2.铁心加工工艺方案的制定、设备和模具的选择；3.冲片绝缘处理；4.铁心的优化压装；5.铁心的质量检测。电机制造工艺第一节铁芯材料一、概述铁芯是电机磁路的重要组成部分，它和转子铁芯、定子和转子之间的气隙一起组成电机的磁路。在异步电机中，定子铁芯中的磁通是交变的，因而产生铁芯损耗。铁芯损耗包括两部分：磁滞损耗和涡流损耗。为了减小铁芯损耗，交流电机的定子铁芯必须用电阻系数大、磁滞回线面积小的薄板材料——硅钢片，经冲制和绝缘处理后叠压而成。常用的铁芯材料有硅钢片、电工纯铁、铁镍合金、铁铝合金、铁钴合金和永磁材料等。电机制造工艺二、硅钢片硅钢片是一种含碳极低的硅铁软磁合金,一般含硅量为0.5～4.5％。加入硅可提高铁的电阻率和最大磁导率,降低矫顽力、铁芯损耗（铁损）和磁时效。主要用来制作各种变压器、电动机和发电机的铁芯。世界硅钢片产量约占钢材总量的1％。硅钢的生产工艺复杂,制造技术严格,国外的生产技术都以专利形式加以保护,视为企业的生命。中国于1953年开始生产热轧低硅硅钢片(1～2％)；1955年开始生产热轧高硅硅钢片(3.0～4.5％)；1962年开始生产冷轧取向薄硅钢带。70年代开始生产冷轧取向硅钢带。目前我国冷轧电工钢的数量、质量、规格牌号,还不能满足能源(电力)工业发展的需求,在生产技术、设备、管理及科研等方面与日本相比,存在较大差距。硅钢片是铁硅合金钢片，品种多、规格全、用量大。硅钢片按制造工艺不同分为热轧和冷轧两大类。冷轧又有各向同性(无取向)和各向异性(有取向)两种。电机制造工艺①铁损低，这是硅钢片质量的最重要指标。各国都根据铁损值划分牌号，铁损愈低，牌号愈高；②较强磁场下磁感应强度（磁感）高，这使电机和变压器的铁芯体积与重量减小，节约硅钢片、铜线和绝缘材料等；③表面光滑、平整和厚度均匀，可以提高铁芯的填充系数；④冲片性好，对制造微型、小型电动机更为重要；⑤表面绝缘膜的附着性和焊接性良好，能防蚀和改善冲片性；⑥基本无磁失效。1.对硅钢性能的要求主要是：2.硅钢分类：(1)热轧硅钢片DR(D)、DRG(DG)热轧硅钢片是将Fe-Si合金用平炉或电炉熔融，进行反复热轧成薄板，最后在800-850℃退火后制成。热轧硅钢片主要用于发电机的制造，故又称热轧电机硅钢片，但其可利用率低，能量损耗大，近年相关部门已强令要求淘汰。电机制造工艺冲制电机和变压器定子铁芯片时，一般采用厚度为0.5和O.35mm的热轧硅钢片。但不同型号和规格的硅钢片，力学性能是不同的。硅的质量分数低的硅钢片韧性较好，宜于冷冲加工。随着硅的质量分数的增加，硅钢片的硬度也增加，而且变脆，容易磨钝冲模的刃口，冲件的冲断面不光滑，甚至在冲剪处产生裂纹。硅钢片的厚度对冲模的结构有很大影响，通常，凸凹模刃口之间的间隙为硅钢片厚度的10％一15％。因此，冲制厚度不同的硅钢片，应该选用不同间隙的冲模，否则将影响冲片的质量和冲模的寿命。硅钢片在轧钢厂出厂时，已经经过退火处理。退火处理的主要目的，是改善硅钢片的电磁性能，并降低其抗剪强度。注:硅钢片一般随硅含量提高，铁损、冲片性和磁感降低，但硬度会增高。若工作频率愈高,涡流损耗愈大,选用的硅钢片应当愈薄。电机制造工艺(2)冷轧无取向电工钢片DW冷轧无取向电工钢片按含硅量分为低硅(低碳)电工钢片和含硅电工钢片。①低硅(低碳)电工钢片，含硅量低于0.5％，也叫低硅或无硅电工钢片，实际上是一种低硅低碳电工铁板。由于含硅量低，饱和磁感应强度高，铁损较大、较软，含碳、氮量(均指质量分数)都小于0.003%，生产工艺简单，周期短、成本低，故多适用于家用电机电器的铁芯。②含硅电工钢片常称为冷轧硅钢片，其含硅量0.5%-3.0%，经冷轧至成品厚度,供应态多为0.35mm和0.5mm厚的钢带。特别是铁损低，最大磁导率和饱和磁感应强度值较高，机械强度好。由于含硅量较高，制造工艺复杂，成本较高，故适于中小型电机、工业用微型电机电器等。电机制造工艺(3)冷轧取向硅钢片冷轧取向硅钢带最主要的用途是用于变压器制造，所以又称冷轧变压器硅钢。与冷轧无取向硅钢相比，取向硅钢的磁性具有强烈的方向性；在易磁化的轧制方向上具有优越的高磁导率与低损耗特性。取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率之比为6:1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍。(4)高磁感冷轧取向硅钢片高磁感冷轧硅钢带皆为单取向钢带，主要用于电信与仪表工业中的各种变压器、扼流圈等电磁元件的制造。其应用场合有两个主要特点，一是小电流(即弱磁场)条件下，要求材料在弱磁场范围内具有高的磁性能，即高的μ0值和高的B值；第二个特点是使用频率高，通常都在400Hz以上，甚至高达2MHz。为减小涡流损耗和交变磁场下的有效磁导率，一般使用0.05-0.20mm的薄带。电机制造工艺热轧硅钢与冷轧硅钢的比较1.在电磁性能方面:2.在力学性能方面:冷轧硅钢片的最大磁导率较高但铁损较低。冷轧片厚度均匀，表面平整光洁，可提高铁芯叠压系数；对表面已涂好绝缘层的(全工艺型)冷轧片，可免去片间绝缘处理工艺；冲剪性能好，容易保证冲片尺寸精度，冲模磨损少，可以延长冲模寿命；可以带材成卷供应，便于提高剪裁的利用率和生产效率，抗拉强度较高。此外，我国还生产晶粒取向度小的冷轧硅钢片，这种硅钢片的电磁性能虽比晶粒取向度大的冷轧硅钢片差，但比热轧硅钢片优良。由于晶粒取向度小，顺轧制方向和垂直轧制方向交变磁化，电磁性能差别不是很大，故成为制造交流电机定子铁芯的良好材料。电机制造工艺二、电工纯铁电工纯铁是一种含铁量在99.5%以上的优质钢，是一种低碳低硫低磷铁，包括原料纯铁和电磁纯铁两类。供料状态有直径不大于250mm的热轧、热锻及冷拉棒料和冷轧、热轧薄板。主要用于电器，电讯，仪表和国际尖端工业制做电磁元件，电磁铁芯等。主要特征：1)电磁性能好。矫顽力（Hc）低，导磁率μ高，饱和磁感（Bs)高，磁性稳定又无磁时效。2)钢质纯净度高。电磁纯铁系列钢质均为镇静钢，又采用了精练，所以内部组织致密，均匀，优良，气体含量少，成品含碳量≤0.004％，这为用户简化和缩短零件退火工艺创造了可靠条件。3)冷、热加工性能好。冷加工如车、墩、冲、弯、拉……等都无问题。热加工，如再锻、再轧过程中，红脆敏感性小，不少牌号无红脆区，可保证在较大的温度范围内进行加工。4)表面质量好。具有良好的焊接和电镀性能。5)尺寸精度高。可提供超精度冷轧板，如板厚≤105mm，厚度公差可保≤0.03mm；板厚1.5mm，厚度公差可保证≤±0.05mm.电机制造工艺三、铁镍台金含镍量在45％～80％的铁镍合金，经高温退火后有极好的磁性能。在较低磁通密度下，磁导率比硅钢片高10～20倍。旋转变压器、自整角机和测速发电机等控制电机铁芯常采用铁镍合金制成。四、铁铝合金铁铝合金是以铁和铝(占6％～16%)为主要成分、不含贵重元素的另一类高电磁性能软磁合金，在徽电机中也得到应用。常用的铁铝合金可以有冷轧或热轧带材，片厚0.1～0.5mm。五、铁钴合金在铁钻合金材料中，饱和磁感应强度Bs最高(高于纯铁)，居里温度高(98℃)，电阻率较低，含贵重金属钴大约50％，其型号为1J22，适用于作航空、航天特殊要求的微电机铁芯。电机制造工艺六，永磁材料永磁材料又叫硬磁材料，其主要特征是剩磁感应和矫顽力高。永磁材料经饱和磁化以后，去掉磁化的磁场仍能常时间地保持强的，稳定的磁性，给电机励磁，建立磁场。永磁材料主要有铝镍钴、铁氧体永磁材料、稀土钴永磁材料、稀土钕铁硼永磁材料等系列。稀土永磁材料系列简介稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。电机制造工艺现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。目前稀土永磁应用已渗透到汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法”，使得疗效大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。稀土永磁体的出现，意味着电机领域将引起革命性的变化。这是因为稀土永磁体没有激磁损耗，不发热，用它制造的电机优点很多。因稀土永磁电机没有激磁线圈与铁芯，磁体体积较原来磁场极所占空间小，没有损耗，不发热，因此为得到同样输出功率整机的体积，重量可减小30%以上，或者同样体积、重量，输出功率大50%以上。电机制造工艺永磁电机，尤其是微电机，每年世界产量约几亿台之多，主要用在汽车、办公自动化设备和家用电器中。所使用的多为高性能的铁氧体和稀土永磁体。今后稀土永磁电机的最大市场之一将是汽车工业。钕铁硼永磁材料性能优异，用于制造电机，可以实现汽车电机“钕铁硼化”。在汽车方面，只有用小马达，才能降低汽车重量，增加舒适感，提高安全性，降低尾气排放，提高汽车的整体性能，目前用量最大的是启动电机。电机是汽车中不可缺少的部件，汽车上电机数量在逐年增加。一般汽车上有8～18台，高级轿车多达40～50台，随着汽车工业的发展，汽车电机的需求是巨大的。高磁能积的稀土永磁体体积小，却能较铁氧体产生大得多的动力，因此提高了电效率。通过使用稀土磁体减少重量和尺寸，可以节约更多的燃料和增加设计的灵活性。电机制造工艺近年来稀土永磁材料在国内的应用发展很快，目前已应用于一般电机、大电机如磁力泵、磁选设备、永磁吊车和家用电器等方面。但与西方国家相比，我国生产的钕铁硼磁体，包括出口，用得最多的是音响器件（中国是全球最大的扬声器生产者，国产钕铁硼有近一半用于制造扬声器），其次是电机和油井除蜡器。而在音圈马达等国外用量最多的领域，我国的应用还很少。其原因在于这两个应用领域所用的磁体，不仅要求磁性能高，均匀性、一致性好，而且要求加工精度高，镀层质量好，国内大多数厂家的产品难于满足上述使用要求。晋中丰润德电气有限公司电机制造工艺1.考虑磁场性质小型电机定、转子铁芯软磁性材料选用原则:电机铁芯磁路中的磁场有恒定磁场和旋转(交变)磁场两类。对工作在恒定磁场中的铁芯，如直流电机的主磁极、磁轭，同步电机转子磁极等，可选用电工纯铁、10号钢等。可充分利用其磁导率、饱和磁密较高的优势；对工作在旋转(交变、脉振)磁场中的铁芯，如各种交流电机铁芯、直流电枢铁芯及旋转变压器用铁芯等，均应选用相应合适的硅钢片，即保证磁导率和饱和磁密，又保证铁损要求。2.考虑各种电机对冲片铁芯磁导率的方向性和均匀性。中小型及微特电机冲片铁芯一般采用无取向硅钢片，以满足电机对磁场分布的各向同性的要求。变压器和大型电机(一般直径大于900mm)冲片铁芯常采用取向硅钢片。电机制造工艺3.考虑电机铁芯工作磁密高低。电机铁芯工作磁密可分为高低两类。对驱动类小功率电机应选用低硅或无硅冷轧钢片；对工业和控制用电机应采用高硅硅钢片。4.考虑电机铁芯损耗的大小。(1)硅钢片厚度的选择薄硅钢片叠成的铁芯片间绝缘多，铁损较小，但叠片数增加，冲裁、叠压工作量大。用厚硅钢片时，叠成的铁