拼接成型對(duì)非晶定子鐵心的磁性能影響

李山紅，李立軍，賈春波，李德仁，盧志超

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081； 2.中國鋼研科技集團(tuán)有限公司安泰科技股份有限公司，北京 100081)

0 引 言

非晶態(tài)合金與硅鋼片相比，具有優(yōu)異的磁性能，其磁導(dǎo)率高于硅鋼片，而損耗不到硅鋼片的二分之一[1-2]，已經(jīng)被成功應(yīng)用于變壓器上，可使非晶變壓器的空載損耗降低到硅鋼變壓器的30%以下。

2016年，國內(nèi)非晶帶材產(chǎn)量近10萬噸，銷量8.5萬噸；2017年，國內(nèi)非晶帶材銷量在8.5萬噸左右。國產(chǎn)非晶帶材產(chǎn)業(yè)化的迅猛發(fā)展，為非晶電機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用提供了產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

非晶電機(jī)在近些年來也取得了很大的進(jìn)步，湘電萊特和日立金屬已經(jīng)開發(fā)出商品化的非晶電機(jī)，且性能優(yōu)于硅鋼電機(jī)，非晶電機(jī)在未來的可行性也得到了充分的驗(yàn)證。

由于非晶態(tài)合金帶材的帶寬受到了限制，目前市面上最寬的非晶帶材為213 mm，因此使得生產(chǎn)大功率的電機(jī)受到了局限。當(dāng)非晶定子鐵心外徑尺寸大于213 mm時(shí)，需要采取多塊拼接成型的方式來制備鐵心。而采用拼接的方式來制備電機(jī)鐵心，必然會(huì)引起鐵心損耗的增加，本文主要研究拼接成型的非晶定子鐵心應(yīng)用于非晶電機(jī)的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

名義成分為Fe80Si9B11的鐵基非晶合金帶材采用平面流鑄帶方法制備，帶材厚度為25 μm～27 μm，寬為50 mm，表面光潔。先將50 mm寬的非晶態(tài)金屬帶材沖成110 mm長的沖片，再將沖片疊片成寬50 mm，長110 mm，高20 mm的非晶棒，然后再將非晶棒在臥式爐中熱處理，熱處理工藝為390 ℃保溫90 min。將熱處理后的非晶棒放入環(huán)氧樹脂與乙酸乙酯重量百分比為1∶5的浸漆液中浸漆1 h后再170 ℃保溫2 h固化，然后將非晶棒切割成外徑40 mm,內(nèi)徑20 mm和長度20 mm的非晶定子鐵心，分別為整體、兩塊拼接、三塊拼接和四塊拼接，最后將鐵心進(jìn)行除銹、酸洗和防銹處理。并用同樣的熱處理和浸漆固化工藝,制備了一個(gè)外徑40 mm,內(nèi)徑20 mm,疊厚20 mm的非晶沖片疊層定子鐵心。鐵心的質(zhì)量為83 g，疊片系數(shù)為0.92。

制得的定子鐵心如圖1所示。

圖1 整體和不同塊數(shù)拼接成型線切割鐵心

采用IWATSU測試系統(tǒng)，測量沖片鐵心、不同塊數(shù)拼接線切割鐵心和加氣隙線切割鐵心50 Hz下的磁化曲線和50～800 Hz下的損耗。

2 結(jié)果與討論

圖2和圖3給出了線切割后未處理的鐵心和經(jīng)過除銹、酸洗和防銹處理的鐵心與沖片浸漆固化鐵心的磁性能對(duì)比曲線。圖2為頻率從50～800 Hz時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.0 T的鐵損變化曲線，圖3為50 Hz下的B-H曲線。

圖2 切割后未處理的鐵心和經(jīng)過處理的鐵心與沖片浸漆固化鐵心的損耗對(duì)比曲線

圖3 線切割后未處理的鐵心和經(jīng)過處理的鐵心與沖片浸漆固化鐵心的磁化曲線

由圖2可知，沖片的鐵心損耗最低，線切割后經(jīng)過處理的鐵心與未處理的鐵心相比，在800 Hz，1.0 T下的損耗由7.8 W/kg降低到7.0 W/kg，鐵心損耗降低了10.26%。由圖3可知，在同樣的激磁條件下，沖片鐵心的Bm值最高，線切割后經(jīng)過處理的鐵心與未處理的鐵心相比，在激磁條件為50 Hz，Hm=1 200 A/m時(shí)，整塊鐵心Bm值由1.22 T增加到1.25 T，增加了2.40%。

圖4和圖5分別為沖片鐵心端面和線切割后經(jīng)過處理的鐵心切縫表面顯微形貌。比較圖4和圖5可得，鐵心經(jīng)線切割后，切割面的表面相鄰層的帶材融合在一起，看不到非晶帶材層與層之間的間隙。這是因?yàn)樵诰€切割過程中，電火花的瞬時(shí)高溫可以使切割面帶材熔化成一體，在切割面電蝕出很多小坑，并改變了Fe80Si9B11非晶線切割鐵心切割面的物相結(jié)構(gòu)。

圖4 Fe80Si9B11非晶沖片鐵心切口面顯微形貌

圖5 Fe80Si9B11非晶線切割鐵心切割面顯微形貌

圖6和圖7給出了兩塊拼接的鐵心不加氣隙與加上氣隙0.25 mm的磁性能對(duì)比曲線。圖6為在頻率從50～800 Hz時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.0 T的鐵損變化曲線，圖7為50 Hz下的B-H曲線。

圖6 兩塊拼接的鐵心不加氣隙與加0.25 mm氣隙的鐵心損耗對(duì)比曲線

圖7 兩塊拼接的鐵心不加氣隙與加0.25 mm氣隙鐵心的磁化曲線

由圖6可知，加0.25 mm氣隙后鐵心的損耗增加，與未加氣隙的鐵心相比，在800 Hz，1.0 T下的損耗由9.9 W/kg增加到11.5 W/kg，增加了16.16%。由圖7可知，加0.25 mm氣隙后，在同樣的激磁條件下鐵心的Bm值大幅度降低，在激磁條件為50 Hz，Hm=1 200 A/m時(shí)，加0.25 mm氣隙的鐵心與未加氣隙的鐵心相比，Bm值由1.07 T降低到0.79 T，降低了26.17%。這說明氣隙的增加會(huì)使得定子鐵心的磁性能惡化。

圖8和圖9為整體和不同塊數(shù)拼接成型線切割鐵心與0.3 mm無取向硅鋼的磁性能對(duì)比曲線。圖8為在頻率從50～800 Hz時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.0 T的鐵損變化曲線，圖9為50 Hz下的B-H曲線。

圖8 整體和不同塊數(shù)拼接成型線切割鐵心與0.3 mm無取向硅鋼損耗對(duì)比曲線

圖9 整體和不同塊數(shù)拼接成型線切割鐵心與0.3 mm無取向硅鋼的磁化曲線

由圖8可知，鐵心隨著拼接塊數(shù)的增加，損耗依次增加，在800 Hz，1.0 T下整塊鐵心損耗最低，為9.2 W/kg；由兩塊拼接成型時(shí)，損耗為9.9 W/kg，鐵心損耗增加了7.61%；由塊拼接成型時(shí)，損耗為11.9 W/kg，鐵心損耗增加了29.35%；而當(dāng)拼接塊數(shù)增加到四塊時(shí)，損耗為15.3 W/kg，與整塊鐵心相比，鐵心損耗增加了67.39%。厚0.3 mm的無取向硅鋼在800 Hz，1.0 T下的損耗為39.4 W/kg，四塊拼接的鐵心與之相比，損耗降低了61.16%。由此可知，雖然拼接的塊數(shù)增加，會(huì)導(dǎo)致鐵心損耗增加，但是與硅鋼相比，損耗還是有很大的優(yōu)勢(shì)，拼接鐵心如僅考慮鐵心損耗仍可以替代硅鋼用在電機(jī)上。

由圖9可知，經(jīng)分塊拼接后Fe80Si9B11非晶鐵心的磁導(dǎo)率低于整塊鐵心，且分的塊數(shù)越多，磁導(dǎo)率越低。在激磁條件為50 Hz，Hm=1 200 A/m時(shí)，整塊鐵心Bm值最高，為1.30 T；而當(dāng)拼接塊數(shù)增加到四塊時(shí)，Bm值為0.91 T，與整塊相比，降低了30%。這是因?yàn)殍F心拼接后，塊與塊之間引入了空氣氣隙，而空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于Fe80Si9B11非晶鐵心的磁導(dǎo)率，鐵心的磁路不均勻，與整塊鐵心相比，磁阻增大，很難達(dá)到飽和。且拼接的塊數(shù)越多，引入的空氣氣隙越大，鐵心磁化越困難。因此，當(dāng)非晶定子鐵心在用拼接方式成型時(shí)，拼接的塊數(shù)越少越好。

3 結(jié) 語

本文研究了拼接成型對(duì)非晶合金定子鐵心的磁性能影響，得到如下結(jié)論。

1)非晶定子鐵心的損耗值隨著拼接塊數(shù)的增加依次增加，當(dāng)拼接塊數(shù)增加到四塊時(shí)，在800 Hz，1.0 T下的損耗與整塊相比增加了67.39%；但是四塊拼接鐵心的損耗與硅鋼相比仍降低了61.16%。因此，非晶拼接成型定子鐵心應(yīng)用于電機(jī)中與硅鋼相比，仍有損耗低的優(yōu)勢(shì)，具備應(yīng)用的可行性。

2)在同樣的激磁條件下，非晶定子鐵心的Bm值隨著拼接塊數(shù)的增加依次減小，而當(dāng)拼接塊數(shù)增加到四塊時(shí)，與整塊相比，50 Hz，Hm=1 200 A/m的Bm值降低了30%。

3)由于受非晶態(tài)合金帶材的帶寬原因，必須采取拼接成型的方式制備非晶定子鐵心時(shí)，拼接塊數(shù)越少越好。