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加工方式对电机无取向电工钢磁性能及表面完整性的影响研究

发布时间：2023-01-13 浏览：1009次

在寻求不断提高电机效率的过程中，需要深入研究来优化所有过程从而使电力推进在全球范围内具有商业竞争力。电力推进可以用一系列机器来实现，例如：感应电机；内部永磁同步电机；同步磁阻电机等。这些电机可以实现高功率密度和高效率，其中定子磁极的连续通电和断电改变了磁通量的方向，导致转子前进。快速变化的极性需要能够快速有效地磁化和去磁化的材料，即软磁材料。用于电动机的软磁材料的理想特性是：高饱和磁化强度、高磁导率、低铁损和高电阻率。

无取向电工钢用于电机应用，要求材料具有各向同性磁性。因此，关于晶体织构，在加工电工钢片的过程中，希望抑制磁通量平面中取向为“硬”磁化轴(111轴)的晶粒的比例。另一方面，电工钢通常以薄板形式提供，必须对其进行加工，以产生设计的定子或转子几何形状，例如转子齿中的大量槽。所选择的加工方法将对切割边缘的微观结构产生影响，反过来，当与供应商数据表进行比较时，这将表现为磁性的差异。先前的研究已经强调了与原始软磁材料相比，在加工后观察到的材料的BH特性(其中B是测量的磁通密度，H是施加的磁化强度)和比铁损的恶化比铁芯损耗大幅增加，与供应商的材料数据相比，在加工定子铁芯中测得的损耗增加了23.5%；磁饱和显著降低，导致组装机器的输出扭矩降低0.8%。这说明材料的加工和相应的表面完整性特性对电机的效率有很大的影响。

Har- stick等研究人员还强调了由于在电工钢片的切割边缘存在塑性变形而导致的磁性退化，并进一步讨论了定位对磁性能的重要性。他们得出了预期的结论:用锋利的刀刃切削(减少塑性变形)优于用钝边切削，即更深的塑性变形。由于材料去除过程主要是通过剪切实现的，增加塑性变形的表面完整性效应主要是机械引起的，还存在一些由冲头和工件之间的摩擦引起的热效应。然而，导致机械和热效应负面影响磁性能的机制没有用微磁学分析进一步研究。

为了克服与物理/限定切割边缘相关的严重机械缺陷，可以考虑激光切割。与机械冲压相反，激光加工中不考虑材料硬度。虽然激光加工具有*小的机械效应，但是热诱导的机械效应反而被引入到切削刃处的材料中，即拉伸残余应力。由激光提供的大量热能在薄工件中尤其重要，在薄工件中，热量通过比仅次表面更大的体积散发。这引入了显著的热缺陷，例如:残余热应力、热影响区(HAZ)、微裂纹和翘曲，这会显著降低磁性。另一种利用热效应的切割工艺是放电加工(EDM ),通过这种工艺，可以利用高频放电来切割薄的电工钢片，通过蒸发和熔化来去除材料。与高温相关的热效应，如在激光加工中，是可以预料到的，但这些热效应预计会以更加局部化的方式出现在切割边缘下方。

因此，希望找到一种避免在激光和EDM中观察到的热效应的方法，该方法还避免了冲压(具有限定边缘的机械切割)引起的大量塑性变形。

对于这些要求，可以考虑磨料水射流(AWJ)切割，它通过将与磨粒混合的高速水射流对准工件来去除材料。虽然与传统的冲压方法相比，AWJ使用较慢的切割速度，可能导致较高的生产成本，但对于可以避免冲压工具成本的小批量应用(如原型制作)来说，具有商业可行性。预计AWJ对工件表面完整性的影响小于使用确定的切削刃(冲压)时，因为没有会磨损的物理切削刃，而磨损会将较高比例的塑性变形引入工件。AWJ还具有较低的单个切削力，对材料产生较少的机械影响，同时由于水射流充当冷却剂，也期望没有在激光和EDM中发现的这种热缺陷。由于使用AWJ切割加工后表面完整性缺陷的减少，预期使用该方法产生的样品将表现出优异的磁性。

另一方面，不管切削方法不同，在加工后很难在微米或纳米尺度上直接测量切削刃的磁性。因此，目前的大多数研究集中在宏观磁特性表征上，例如，通过获得整个样品的DC BH(磁化强度)曲线、磁滞回线或铁损测量，然后将它们与切割参数联系起来。这些结果用于通过迭代方法中的一系列切削试验和磁性测量来优化切削参数，同时缺乏对在加工过程中施加到noe上的应力条件对切削刃正下方的微磁性的固有影响的深入理解。

因此，研究人员研究了四种非常规加工方法:磨料水射流(AWJ)、电火花线切割加工(EDM)、脉冲激光(PL)和连续波激光(CW)。加工后，对样品进行磁性表征，以确定性能等级。用于切割无取向电工钢的铁芯叠片的加工方法的选择对磁性能的恶化程度有很大的影响。通过比较标准表面完整性分析和磁畴成像，提出了劣化背后的机制。这就是说，由加工应力引起的变形深度的增加导致与畴结构(壁)的相互作用增加。这增加了材料中的自由极密度，因此磁畴分裂以将静磁能减少到退磁状态。总磁畴壁长度的这种增加导致壁能量的增加，这与施加的磁场中的磁化相反，产生更大的损耗和更低的可实现饱和值。

● 研究表明：

1）通过AWJ加工获得了在*低施加场强下具有*高饱和的*理想的磁化曲线，这也显示了*低的铁损。通过EDM和PL加工产生相似的磁性能，与通过AWJ加工相比，两者都显示出较高的损耗和较低的饱和磁化强度。*不理想的磁化曲线出现在CW加工的样品中，其饱和度特别低，而铁损非常高。同时通过光学轮廓术测量机械加工操作后存在的切割表面的形貌。磁性劣化的顺序与表面粗糙度(Sa)相关，但这并不能揭示原因，相反，它提供了基于每种加工方法特有的表面特征的应力类型的宏观见解。对于AWJ来说，这些划痕会通过将压缩残余应力引入缺陷而影响磁畴。对于PL，这些是下面具有微裂纹的重铸层，并且定向偏压引入磁性硬化区域，导致矫顽力增加。对于EDM来说，这是一个没有方向偏差的杂色表面，不像光束法那样允许高几何精度的切割。对于连续波，表面涂有再固化材料，该材料以逆流喷射并吹回到切割位置——具有高方向偏差，这可能导致叠片堆叠时短路，并增加涡流损耗。

2）EBSD取向差图表明，加工应力的引入导致亚晶结构内的晶格变形，这与畴运动相互作用。虽然AWJ、PL和EDM样品都经历了切割边缘局部的取向错误，但是取向错误在高功率连续波激光切割的样品中更普遍。因此，为了限制磁畴运动，出现了更多的应力诱导钉扎点。

3）通过磁畴成像研究了NOES的加工对微结构的影响。在切割边缘附近已经观察到无序和收缩的磁畴的建议区域。这些观察结果允许根据磁畴理论进行比较，从而导致对引起由切割操作引起的noe磁性变化的基本机制的解释。已知应力会增加表面的自由极密度，并且在与这些应力相互作用时，磁畴壁变得无序并且尺寸减小，从而降低了退磁状态下的静磁能。已经发现，对于所有过程，远离切割边缘成像的磁畴更宽，并且与磁化的易磁化轴之一对齐。

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