铁心制造工艺丨铁心冲制的材料和设备

发布时间:2018-12-09 08:43      

定子铁心是电机磁路的重要组成部分,它和转子铁心、定子和转子之间的气隙一起组成电机的磁路。这里主要按照YK3554型三相异步电机定子铁心的制造工艺流程,从铁心冲制的材料和设备、铁心冲片的冲制工艺流程铁心的压装工艺三个方面进行讲解,来掌握定转子铁心制造工艺流程。

铁心冲制的材料和设备

在异步电动机中,定子铁心中的磁通是交变的,因而产生铁心损耗。铁心损耗包括两部分:磁滞损耗和涡流损耗。为了减小铁心损耗,交流电机的定子铁心必须用电阻系数大、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。图2-1所示为定子铁心和转子铁心。

铁心冲制的材料

常用的铁心材料有硅钢片、电工纯铁、铁镍合金、铁铝合金、铁钴合金和永磁材料等。

1硅钢片

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。20世纪70年代以前,国内外均以热轧硅钢片为主。近年来由于冷轧钢片性能优越,工艺性好,发展迅速,技术先进的国家已经淘汰了热轧硅钢片。

硅钢片越薄,铁心损耗越小,但冲片的机械强度减弱,铁心制造的工时增加,叠压后由于冲片绝缘厚度所占的比例增加,因而减小了磁路的有效截面积。所以,过薄的硅钢片在电机中也是不宜采用的。

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%~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使用寿命。

我国生产的硅钢片,大部分还是板料,裁成一定长宽的矩形,包装供应。有600mm×1200mm,670mm×1340mm,750mm×1500mm,810mm×1620mm,860mm×1720mm,900mm×1800mm,1000mm×2000mm等规格。选用硅钢片的尺寸规格,应该根据定子铁心外径来确定,以得到合理的应用,避免边角料过大,造成浪费。

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。

冷轧硅钢片与热轧硅钢片相比较有一系列的优点:在电磁性能方面,最大磁导率μ

m

值较高而铁损较低。在力学性能方面,冷轧片厚度均匀,表面平整光洁,可提高铁心叠压系数;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,可以延长冲模使用寿命;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σ

b

=345~380N/mm

2

。因此有条件时应优先选用冷轧硅钢片。

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,平行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心的良好材料。

2电工纯铁

电工用纯铁有原料纯铁(DT1、DT2)和电磁纯铁(DT3、DT4、DT5和DT6)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。纯度为99.95%的电解铁矫顽力H

e

=7.2A/m,初始磁导率μ=12×10

-4

H/m,最大磁导率μ

m

=250×10

-4

H/m。电工纯铁的纯度越高,电磁性能越好。但制取高纯度的铁,工艺复杂,成本高。工程上广泛采用的是电磁纯铁,在冶炼中常适当加入铝和硅,以削弱其他杂质对磁性能的不良影响。

由于电磁纯铁中杂质含量少,所以冷加工性能比较好,且饱和磁通密度仍有较高数值,但电阻率低,铁损较大,只适用于恒定磁场电磁纯铁加工后,由于存在加工残余应力,使磁性能降低,故必须在机械加工后进行退火处理。

3铁镍合金

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心常采用铁镍合金制成。

铁镍合金有冷轧带材、热轧扁材、冷拉丝材、棒材、热锻材等,以0.5~1.0mm厚的带(片)材应用最多。其主要特点是在较低磁场下有极高的磁导率和很低的矫顽力,加工性能好。其主要缺点是含贵重金属镍比例大,成本高,工艺方面机加工应力和热处理等对磁性能影响较大,使产品之间磁性能差别较大。此外,该材料电阻率不高(0.45μΩ·m),适用于1~2kHz以下频率使用,常用铁镍合金材料型号有1J50、1J79和1J85等。

4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,在微电机中也得到应用。常用的铁铝合金可以有冷轧或热轧带材,片厚为0.1~0.5mm。其主要特点是有高的电阻率和硬度,密度较小(6.5~7.29g/mm

3

),抗振动和抗冲击性能良好,其磁性能对应力不像铁镍合金那样敏感。用铁铝合金片制造的铁心,涡流损耗小,重量较轻,有良好的耐中子辐射性能。当含铝量超过16%时,铁铝合金变脆,塑性减弱,机械加工困难。含铝量增加会使饱和磁感应强度降低。铁铝合金制成的铁心与铁镍合金铁心一样,需要最终高温退火处理,消除应力,提高磁性能。

常用铁铝合金型号有1J6、1J12和1J16等。型号中最后数字为含铝量,随着含铝量的增加,材料的磁导率和电阻率变高,而饱和磁感应强度降低。

5铁钴合金

在铁钴合金材料中,饱和磁感应强度最高(高于纯铁),居里温度高(98℃),电阻率较低(0.27μΩ·m),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心。

6永磁材料

永磁材料又叫作硬磁材料,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长时间地保持较强的、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。

(1)铝镍钴系列

铝镍钴系列永磁材料包括铸造和粉末冶金加工两种。

铝镍钴系列开发应用较早,有比较成熟的产品品种。但是,这个系列中,性能较好的材料中镍和钴的成分比重较大,而镍和钴为稀有金属,产量少;铝镍钴材料的磁场H值相对较低,抗去磁能力差,因此在应用方面受到了一定限制。

(2)铁氧体永磁系列

铁氧体永磁材料的特点是矫顽力较高,回复磁导率较小,密度小,电阻率大,最大磁能积较小,如果合理应用,可以得到较大的回复磁能积,比较适合在动态磁路中工作。这种材料价格最便宜,在微电机中应用广泛。

这种材料的不足之处是剩磁B较低,磁感应温度系数较高,应用时需要加以注意。这种材料也有各向同性和各向异性两个系列。各向异性系列是在模压成型时加外磁场得到。一般取外磁场方向和加工时所加压力方向一致,该方向上的磁性最好。

(3)稀土永磁系列

稀土永磁材料包括稀土钴和稀土钕铁硼两个系列。

稀土钴系列永磁材料是由部分稀土金属(Sm、Pr、Ce等)和钴、铁等金属形成的金属间化合物。稀土永磁材料的剩磁、磁感矫顽力、最大磁能积和矫顽力都有很高的数值,去磁曲线为线性,回复曲线与去磁曲线基本重合,有很强的抗去磁能力和磁稳定性。但是,钴金属矿源不足,价格昂贵,使稀土钴系列的应用受到一定限制,促使人们寻找更新的材料。稀土钴永磁材料型号为XGS。

国内外近些年开发的稀土钕铁硼系列永磁材料,不含钴金属,磁性能又有了新的提高,而且价格便宜,一般为稀土钴永磁材料的1/4~1/3,因而得到迅速广泛的应用。稀土钕铁硼系列永磁材料又有烧结钕铁硼和粘结钕铁硼永磁两类。

实践和资料表明:由于我国稀土资源丰富,为世界储量第一,磁性能优异、价格低廉的稀土钕铁硼永磁材料发展很快,已形成年产千吨以上规模,各种使用钕铁硼的微特电机相应有了很大发展。钕铁硼永磁材料在微电机中的应用,也使微特电机的几个方面得到了改进。

铁心冲制的设备

铁心制造工艺包括硅钢片冲制工艺和铁心压装工艺。所采用的主要设备有剪床、冲床、半自动冲槽机和油压机等。

1剪床

剪床用来将整张的硅钢片剪裁为方料或条料。

剪床上下刀刃的间隙:

借螺钉调整,根据剪切材料的厚度,调整到合理数值。间隙过大,使工件的剪切边缘产生毛刺;间隙过小,使工件的断裂部分挤坏并

增加剪切应力。在剪切0.5mm的硅钢片时,间隙为0.05~0.07mm剪床分平口剪床和斜口剪床两种。平口剪床上下剪刃平行,适宜于剪切窄而厚的材料。剪切速度快、劳动生产率高,但所需动力太。斜口剪床的上剪刃斜交下剪刃一个不大于15°的角,适于剪切宽而薄的条料。由于只有一个剪切点,故所需动力较小。在冲片制造中,一般采用斜口剪床。

2冲床

冲床用来安装冲模,冲制定子、转子冲片或其他冲压工件。常见的有偏心冲床和曲轴冲床两种。

冲床的特点是:行程不大,冲制速度较高,每分钟可达50~100次。

冲床的主要参数:

1、额定吨位:冲床铭牌上规定的吨位为冲床的额定吨位。额定吨位的大小,反映冲床的冲裁能力。在我国,偏心冲床和曲轴冲床都已成系列生产,公称压力可分为15个等级,即4t、6.3t、10t、16t、25t、40t、63t、80t、100t、125t、160t、200t、250t、315t、400t。选择冲床时,必须使冲床的额定吨位大于工件所需要的冲裁力。

2、闭合高度:冲床闭合高度是指冲床在连杆全部旋入时从台面(包括台面垫板)至下止点时滑块下平面间的距离。冲模闭合高度是指上、下模在最低工作位置时的冲模高度(下模座下平面至上模座上平面的高度)。

3、台面尺寸(长×宽)和台面孔尺寸:在冲模设计和安装时,必须考虑台面尺寸和台面孔尺寸。前者应能保证模具在台面上压紧;后者应能保证冲孔的余料或工件能从台面孔落下。

4、模柄孔尺寸:在冲模设计和安装时,必须考虑冲床滑块模柄孔的尺寸。

3半自动冲槽机

在电机制造中,当冲片为单槽冲时,广泛采用半自动冲槽机。半自动冲槽机的结构与普通冲床基本相同,只是多了一套自动分度机构。自动分度机构如图所示。连杆的作用是把曲轴的圆周运动改变为往返运动。以驱动分度盘回转。当曲轴回转一周时,单冲一个槽,同时连杆往返一次,驱动分度盘回转一个角度,其值为360°/z,从而使工件回转360°/z。当冲完全部槽数时,冲槽机自动停车,让飞轮空转。

4油压机

铁心压装一般在油压机上完成。油压机的种类很多,如图显示的是较为简单的一种。通过液压传动可使活塞带动压板上下滑动来完成压装工作。