具有明確環(huán)形磁路的軟磁材料磁性能直接測試方法

韓和兵，徐 磊，孫俊婷，汪迪坤，王楨楠

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

軟磁材料具有狹窄的磁滯回線，即有低矯頑力、高磁導(dǎo)率等特性，在微特電機制造過程中，常用于導(dǎo)磁體，例如定、轉(zhuǎn)子沖片等。定、轉(zhuǎn)子沖片在熱處理后，還需要經(jīng)過各種工序，才能形成定子、轉(zhuǎn)子。經(jīng)過的工序有膠粘、疊裝、繞線、裝配等，可能還會有車削加工，這些工序或多或少會使軟磁材料沖片產(chǎn)生應(yīng)力以及殘余應(yīng)力，如果應(yīng)力或殘余應(yīng)力較大，會造成軟磁材料沖片的磁性能大幅下降[1-3]。

以定、轉(zhuǎn)子沖片為例，常規(guī)的軟磁材料磁性能檢測是在熱處理后，檢測隨爐的標(biāo)準(zhǔn)尺寸環(huán)形試樣，而不是直接測試定、轉(zhuǎn)子沖片。如果檢測合格，表示此批次軟磁材料熱處理后磁性能合格，軟磁材料的磁性能檢測到此結(jié)束了。這是因為定子、轉(zhuǎn)子沖片后續(xù)的各道加工工序，難以全部復(fù)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)上，沒有標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)，常規(guī)軟磁材料磁性能測試就沒辦法進(jìn)行，后續(xù)工序?qū)_片磁性能的影響也就沒辦法檢測[4]。如果能夠直接測試定、轉(zhuǎn)子沖片的磁性能，那么以上問題就迎刃而解。

1 測試方法摸索

1.1 定子沖片磁測過程仿真分析

如圖1所示，以常規(guī)定子沖片為例，直接對定子沖片疊裝后進(jìn)行軟磁直流磁性能測試，模擬10匝勵磁繞組提供勵磁場進(jìn)行磁化，分析軟磁沖片各部位的磁感應(yīng)強度。

圖1 定子沖片磁測仿真模型圖

圖2為仿真定子沖片在磁性能測試勵磁場的影響下的磁感應(yīng)強度及方向?？梢钥闯?，定子沖片感應(yīng)磁場主要集中在具有完整環(huán)形磁路的軛部。

圖2 定子沖片磁測時磁感應(yīng)強度及方向

圖3為定子沖片在磁測過程中，氣隙(指繞組線圈與軛部之間的氣隙，包括齒處、槽內(nèi)以及繞組與沖片間的空隙)的感應(yīng)磁場大小。其數(shù)值很小，與完整磁路的軛部差距2～3個數(shù)量級，為軛部場強的1%以下，可以忽略。由此，我們可以認(rèn)為，對此類定子沖片進(jìn)行磁測時，可以根據(jù)軛部尺寸將其看成一個環(huán)形試樣進(jìn)行磁測。

圖3 定子沖片磁測時氣隙磁感應(yīng)強度

1.2 測試驗證

為驗證以上仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確，利用同批次軟磁材料的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)樣與兩種規(guī)格定子沖片工件一同熱處理，這樣標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)與定子沖片磁性能應(yīng)該一致。將定子沖片軛部看作一個環(huán)形試樣，忽略齒部，與標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)分別進(jìn)行磁性能測試，如果測試結(jié)果相近或者一致，則證明定子沖片可以直接進(jìn)行磁性能測試。

由于沒有保護(hù)盒對定子沖片進(jìn)行保護(hù)，故標(biāo)準(zhǔn)試樣和定子沖片熱處理后，都不使用保護(hù)盒，稍作固定后使用較細(xì)漆包線做勵磁繞組和感應(yīng)繞組，繞線時盡量不對試樣施加壓力；選用磁性能對低應(yīng)力不太敏感的H12硅鋼片作為試驗材料；試驗材料H12硅鋼片使用同一批次同一爐；熱處理時擺放位置都居中。以上措施可以減少材料、加工處理、磁測過程對磁性能測試結(jié)果的干擾，保證試驗結(jié)果測試精度。

1.3 實驗結(jié)果與分析

H12硅鋼片標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)試樣與兩種不同規(guī)格定子沖片的磁性能測試結(jié)果如表1所示，三者磁滯回線如圖4所示。由圖4、表1可見，標(biāo)準(zhǔn)試樣和兩種不同規(guī)格定子沖片的磁性能非常接近，磁滯回線基本重合。表1中，3組試樣的各磁場強度下磁感應(yīng)強度(B400、B800,…,B8000)和飽和磁感應(yīng)強度Bs差距小于2%，矯頑力Hc差距小于3%。3組試樣是一起熱處理的，狀態(tài)一致，輸入各自外徑、內(nèi)徑、質(zhì)量等參數(shù)后，測試的磁性能數(shù)值一致，這證明了直接測試不規(guī)則形狀軟磁材料(但有確定的環(huán)形磁路)磁性能具有可行性和準(zhǔn)確性。

表1 H12硅鋼片標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)試樣與兩種不同規(guī)格定子沖片的磁性能測試結(jié)果

圖4 H12硅鋼片標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)試樣與兩種不同規(guī)格定子沖片的磁滯回線

證明了實際沖片可以直接測試材料磁性能，那么就可以應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。如果實際生產(chǎn)過程中，懷疑工藝工序?qū)_片材料磁性能有影響，就在每道工藝工序后，增加磁性能檢測要求，監(jiān)控所有工藝工序不會對沖片磁性能產(chǎn)生較大影響，保證產(chǎn)品質(zhì)量。使用實際沖片進(jìn)行磁性能檢測的好處在于，可以完全復(fù)現(xiàn)實際生產(chǎn)過程，貼近現(xiàn)實，更容易找出問題來源；而且，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)樣可能無法進(jìn)行下線、整形，那么后續(xù)的加工工藝與實際沖片就會有所差別。

同樣的加工工藝情況下，標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)和實際沖片的磁性能測試結(jié)果基本一致，那么，只要保持同樣的加工工藝，使用標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)也是準(zhǔn)確的。對于特殊工藝過程，可以使用標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)模擬實際沖片的工藝過程，定量分析各種工藝參數(shù)對材料磁性能的影響。

2 測試方法應(yīng)用

2.1 問題來源及分析

某批次伺服電機出現(xiàn)大量的不合格品，不合格原因是電機測試時起動電壓較大，起動電壓指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。對不合格品進(jìn)行排查，懷疑是轉(zhuǎn)子零件內(nèi)轉(zhuǎn)子沖片材料磁性能不達(dá)標(biāo)。該轉(zhuǎn)子沖片采用的是軟磁材料1J22，查詢并復(fù)測了該批次轉(zhuǎn)子沖片熱處理后環(huán)形標(biāo)樣磁性能是合格的。

轉(zhuǎn)子沖片在熱處理后，經(jīng)歷了膠粘、疊裝、繞線、環(huán)氧固化、鋁制品裝配等工序，形成了轉(zhuǎn)子零件，此時轉(zhuǎn)子零件內(nèi)的轉(zhuǎn)子沖片的磁性能狀態(tài)相比于材料熱處理后磁性能，可能已經(jīng)發(fā)生了變化。這時就可以利用前文已證明可行的直接測試不規(guī)則形狀軟磁材料的方法，將轉(zhuǎn)子沖片軛部看作環(huán)形試樣進(jìn)行磁性能測試。與轉(zhuǎn)子沖片熱處理后直接測試不同的是，轉(zhuǎn)子零件經(jīng)過各道工序后，轉(zhuǎn)子沖片外有大量的環(huán)氧、漆包線(銅)、鋁合金等，不過這些物質(zhì)都是順磁或者抗磁性物質(zhì)，對磁性能測試影響也是可以忽略的[5]。

選取之前合格批次轉(zhuǎn)子零件，與此不合格批次轉(zhuǎn)子零件，直接測試轉(zhuǎn)子零件內(nèi)轉(zhuǎn)子沖片磁性能，進(jìn)行對比，測試結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)合格批次轉(zhuǎn)子沖片磁性能很好，矯頑力低于40 A/m，B800高于2.0 T，與熱處理后標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)的測試結(jié)果相近；而不合格批次轉(zhuǎn)子沖片磁性能較差，矯頑力高于150 A/m，B800低于1.8 T，磁性能大幅下降。轉(zhuǎn)子沖片熱處理后磁性能是合格的，但經(jīng)過各道工序形成轉(zhuǎn)子零件后，轉(zhuǎn)子沖片磁性能卻明顯下降，這表明此批次轉(zhuǎn)子工藝過程中，某一個或者多個工序改變了轉(zhuǎn)子沖片磁性能，使轉(zhuǎn)子沖片磁性能明顯降低。

圖5 合格批次及不合格批次轉(zhuǎn)子內(nèi)1J22磁性能

2.2 問題排查及解決措施

此批次轉(zhuǎn)子零件在熱處理后續(xù)的加工過程中，可能對轉(zhuǎn)子沖片磁性能有影響的工序有以下幾個猜測：

a.膠粘疊裝：膠粘疊裝過程中轉(zhuǎn)子沖片需要壓力固定，可能會產(chǎn)生殘余應(yīng)力；

b.繞線：繞線過程中，繞線可能會對轉(zhuǎn)子沖片產(chǎn)生壓力，形成應(yīng)力；

c.環(huán)氧固化：環(huán)氧固化需要保溫130 ℃，可能對轉(zhuǎn)子沖片磁性能產(chǎn)生影響；

d.裝配：裝配過程中有零部件采用過盈配合，可能對轉(zhuǎn)子沖片產(chǎn)生應(yīng)力。

將磁性能合格的轉(zhuǎn)子沖片根據(jù)實際制造過程，在以上工序后增加一道檢測轉(zhuǎn)子沖片磁性能的過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膠粘疊裝過程后，本來磁性能合格的轉(zhuǎn)子沖片，磁性能大幅下降，如表2所示，矯頑力由29.13 A/m變至128.7 A/m，B800由2.038 T下降到1.684 T。由上文可知，轉(zhuǎn)子沖片磁性能變壞的原因，不是因為轉(zhuǎn)子沖片的形狀與標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)不一致導(dǎo)致的，而是膠粘疊裝工藝改變了轉(zhuǎn)子沖片磁性能。

表2 疊裝壓力試驗結(jié)果

仔細(xì)排查膠粘疊裝過程后發(fā)現(xiàn)，膠粘后有使用液壓機進(jìn)行疊裝，液壓機設(shè)置的壓力過大，而轉(zhuǎn)子沖片的表面尺寸較小，平均壓應(yīng)力要大于10 MPa，因此產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力，使轉(zhuǎn)子沖片的磁性能大幅下降。發(fā)現(xiàn)問題后，立刻對疊裝過程進(jìn)行規(guī)范化，對這種小型沖片，在保證能夠定型的基礎(chǔ)上，采用最小壓力，測試疊裝后轉(zhuǎn)子沖片磁性能，與疊裝前磁性能差別不大。

對膠粘疊裝過程規(guī)范化后，繼續(xù)檢測其它3個工序?qū)D(zhuǎn)子沖片的影響，發(fā)現(xiàn)3個工序進(jìn)行前后，轉(zhuǎn)子沖片磁性能變化很小，或者沒有變化。使用大壓力疊裝使沖片磁性能變壞，盡量減小壓力后，磁性能變化不大，這表明疊裝工藝參數(shù)設(shè)置不合理是轉(zhuǎn)子零件失效的主要原因，解決措施為規(guī)范疊裝壓力，禁止使用大壓力疊裝。

2.3 后續(xù)檢查

不合格轉(zhuǎn)子零件報廢，新批次轉(zhuǎn)子零件嚴(yán)控其磁性能指標(biāo)，抽取10個新批次轉(zhuǎn)子零件成品，直接測試其轉(zhuǎn)子沖片材料磁性能，并與熱處理后的標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)、轉(zhuǎn)子沖片磁性能對比，測試結(jié)果如表3所示。3個狀態(tài)的磁性能接近，表明新批次轉(zhuǎn)子零件生產(chǎn)過程控制得較好，沒有產(chǎn)生較大的壓力或殘余應(yīng)力；同時，也驗證了直接測試轉(zhuǎn)子沖片磁性能的可行性與精確性。使用新批次轉(zhuǎn)子零件后，伺服電機的起動電壓指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

表3 3種狀態(tài)的試樣磁性能測試結(jié)果

3 結(jié) 語

以上研究表明，定/轉(zhuǎn)子沖片這一類的環(huán)形軟磁材料，如果有具體的環(huán)形磁路并能精確計算磁路長度，就能通過直流沖擊法或積分掃描法直接測試其磁性能參數(shù)；這些軟磁材料最終形成的零件成品，如果沒有其他鐵磁物質(zhì)干擾，并能夠繞上勵磁繞組、感應(yīng)繞組，同樣可以直接測試其材料磁性能。能夠直接測試成品內(nèi)軟磁材料的磁性能，對產(chǎn)品的質(zhì)量控制有著積極作用。軟磁材料作為導(dǎo)磁體，直接決定了成品零件的磁性能指標(biāo)，如果可以隨時測試其磁性能，就能監(jiān)控整個工藝過程，保證產(chǎn)品質(zhì)量。