具有明確環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、高磁導率等特性，在微特電機制造過程中，常用于導磁體，例如定、轉子沖片等。定、轉子沖片在熱處理后，還需要經過各種工序，才能形成定子、轉子。經過的工序有膠粘、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生應力以及殘余應力，如果應力或殘余應力較大，會造成軟磁材料沖片的磁性能大幅下降[1-3]。

以定、轉子沖片為例，常規的軟磁材料磁性能檢測是在熱處理后，檢測隨爐的標準尺寸環形試樣，而不是直接測試定、轉子沖片。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束了。這是因為定子、轉子沖片后續的各道加工工序，難以全部復現在標準樣環上，沒有標準樣環，常規軟磁材料磁性能測試就沒辦法進行，后續工序對沖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，以常規定子沖片為例，直接對定子沖片疊裝后進行軟磁直流磁性能測試，模擬10匝勵磁繞組提供勵磁場進行磁化，分析軟磁沖片各部位的磁感應強度。

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強度及方向。可以看出，定子沖片感應磁場主要集中在具有完整環形磁路的軛部。

圖2 定子沖片磁測時磁感應強度及方向

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、槽內以及繞組與沖片間的空隙)的感應磁場大小。其數值很小，與完整磁路的軛部差距2～3個數量級，為軛部場強的1%以下，可以忽略。由此，我們可以認為，對此類定子沖片進行磁測時，可以根據軛部尺寸將其看成一個環形試樣進行磁測。

圖3 定子沖片磁測時氣隙磁感應強度

1.2 測試驗證

為驗證以上仿真結果是否準確，利用同批次軟磁材料的標準環樣與兩種規格定子沖片工件一同熱處理，這樣標準樣環與定子沖片磁性能應該一致。將定子沖片軛部看作一個環形試樣，忽略齒部，與標準樣環分別進行磁性能測試，如果測試結果相近或者一致，則證明定子沖片可以直接進行磁性能測試。

由于沒有保護盒對定子沖片進行保護，故標準試樣和定子沖片熱處理后，都不使用保護盒，稍作固定后使用較細漆包線做勵磁繞組和感應繞組，繞線時盡量不對試樣施加壓力；選用磁性能對低應力不太敏感的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果的干擾，保證試驗結果測試精度。

1.3 實驗結果與分析

H12硅鋼片標準樣環試樣與兩種不同規格定子沖片的磁性能測試結果如表1所示，三者磁滯回線如圖4所示。由圖4、表1可見，標準試樣和兩種不同規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強度(B400、B800,…,B8000)和飽和磁感應強度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，狀態一致，輸入各自外徑、內徑、質量等參數后，測試的磁性能數值一致，這證明了直接測試不規則形狀軟磁材料(但有確定的環形磁路)磁性能具有可行性和準確性。

表1 H12硅鋼片標準樣環試樣與兩種不同規格定子沖片的磁性能測試結果

圖4 H12硅鋼片標準樣環試樣與兩種不同規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，那么就可以應用到實際生產中。如果實際生產過程中，懷疑工藝工序對沖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，監控所有工藝工序不會對沖片磁性能產生較大影響，保證產品質量。使用實際沖片進行磁性能檢測的好處在于，可以完全復現實際生產過程，貼近現實，更容易找出問題來源；而且，標準環樣可能無法進行下線、整形，那么后續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，標準樣環和實際沖片的磁性能測試結果基本一致，那么，只要保持同樣的加工工藝，使用標準樣環也是準確的。對于特殊工藝過程，可以使用標準樣環模擬實際沖片的工藝過程，定量分析各種工藝參數對材料磁性能的影響。

2 測試方法應用

2.1 問題來源及分析

某批次伺服電機出現大量的不合格品，不合格原因是電機測試時起動電壓較大，起動電壓指標不達標。對不合格品進行排查，懷疑是轉子零件內轉子沖片材料磁性能不達標。該轉子沖片采用的是軟磁材料1J22，查詢并復測了該批次轉子沖片熱處理后環形標樣磁性能是合格的。

轉子沖片在熱處理后，經歷了膠粘、疊裝、繞線、環氧固化、鋁制品裝配等工序，形成了轉子零件，此時轉子零件內的轉子沖片的磁性能狀態相比于材料熱處理后磁性能，可能已經發生了變化。這時就可以利用前文已證明可行的直接測試不規則形狀軟磁材料的方法，將轉子沖片軛部看作環形試樣進行磁性能測試。與轉子沖片熱處理后直接測試不同的是，轉子零件經過各道工序后，轉子沖片外有大量的環氧、漆包線(銅)、鋁合金等，不過這些物質都是順磁或者抗磁性物質，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子零件，與此不合格批次轉子零件，直接測試轉子零件內轉子沖片磁性能，進行對比，測試結果如圖5所示。發現合格批次轉子沖片磁性能很好，矯頑力低于40 A/m，B800高于2.0 T，與熱處理后標準樣環的測試結果相近；而不合格批次轉子沖片磁性能較差，矯頑力高于150 A/m，B800低于1.8 T，磁性能大幅下降。轉子沖片熱處理后磁性能是合格的，但經過各道工序形成轉子零件后，轉子沖片磁性能卻明顯下降，這表明此批次轉子工藝過程中，某一個或者多個工序改變了轉子沖片磁性能，使轉子沖片磁性能明顯降低。

圖5 合格批次及不合格批次轉子內1J22磁性能

2.2 問題排查及解決措施

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

a.膠粘疊裝：膠粘疊裝過程中轉子沖片需要壓力固定，可能會產生殘余應力；

b.繞線：繞線過程中，繞線可能會對轉子沖片產生壓力，形成應力；

c.環氧固化：環氧固化需要保溫130 ℃，可能對轉子沖片磁性能產生影響；

d.裝配：裝配過程中有零部件采用過盈配合，可能對轉子沖片產生應力。

將磁性能合格的轉子沖片根據實際制造過程，在以上工序后增加一道檢測轉子沖片磁性能的過程。結果發現，膠粘疊裝過程后，本來磁性能合格的轉子沖片，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，轉子沖片磁性能變壞的原因，不是因為轉子沖片的形狀與標準樣環不一致導致的，而是膠粘疊裝工藝改變了轉子沖片磁性能。

表2 疊裝壓力試驗結果

仔細排查膠粘疊裝過程后發現，膠粘后有使用液壓機進行疊裝，液壓機設置的壓力過大，而轉子沖片的表面尺寸較小，平均壓應力要大于10 MPa，因此產生大量殘余應力，使轉子沖片的磁性能大幅下降。發現問題后，立刻對疊裝過程進行規范化，對這種小型沖片，在保證能夠定型的基礎上，采用最小壓力，測試疊裝后轉子沖片磁性能，與疊裝前磁性能差別不大。

對膠粘疊裝過程規范化后，繼續檢測其它3個工序對轉子沖片的影響，發現3個工序進行前后，轉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設置不合理是轉子零件失效的主要原因，解決措施為規范疊裝壓力，禁止使用大壓力疊裝。

2.3 后續檢查

不合格轉子零件報廢，新批次轉子零件嚴控其磁性能指標，抽取10個新批次轉子零件成品，直接測試其轉子沖片材料磁性能，并與熱處理后的標準樣環、轉子沖片磁性能對比，測試結果如表3所示。3個狀態的磁性能接近，表明新批次轉子零件生產過程控制得較好，沒有產生較大的壓力或殘余應力；同時，也驗證了直接測試轉子沖片磁性能的可行性與精確性。使用新批次轉子零件后，伺服電機的起動電壓指標達標。

表3 3種狀態的試樣磁性能測試結果

3 結 語

以上研究表明，定/轉子沖片這一類的環形軟磁材料，如果有具體的環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；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干擾，并能夠繞上勵磁繞組、感應繞組，同樣可以直接測試其材料磁性能。能夠直接測試成品內軟磁材料的磁性能，對產品的質量控制有著積極作用。軟磁材料作為導磁體，直接決定了成品零件的磁性能指標，如果可以隨時測試其磁性能，就能監控整個工藝過程，保證產品質量。