韩和兵，徐 磊，孙俊婷，汪迪坤，王桢楠

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

软磁材料具有狭窄的磁滞回线，即有低矫顽力、高磁导率等特性，在微特电机制造过程中，常用于导磁体，例如定、转子冲片等。定、转子冲片在热处理后，还需要经过各种工序，才能形成定子、转子。经过的工序有胶粘、叠装、绕线、装配等，可能还会有车削加工，这些工序或多或少会使软磁材料冲片产生应力以及残余应力，如果应力或残余应力较大，会造成软磁材料冲片的磁性能大幅下降[1-3]。

以定、转子冲片为例，常规的软磁材料磁性能检测是在热处理后，检测随炉的标准尺寸环形试样，而不是直接测试定、转子冲片。如果检测合格，表示此批次软磁材料热处理后磁性能合格，软磁材料的磁性能检测到此结束了。这是因为定子、转子冲片后续的各道加工工序，难以全部复现在标准样环上，没有标准样环，常规软磁材料磁性能测试就没办法进行，后续工序对冲片磁性能的影响也就没办法检测[4]。如果能够直接测试定、转子冲片的磁性能，那么以上问题就迎刃而解。

1 测试方法摸索

1.1 定子冲片磁测过程仿真分析

如图1所示，以常规定子冲片为例，直接对定子冲片叠装后进行软磁直流磁性能测试，模拟10匝励磁绕组提供励磁场进行磁化，分析软磁冲片各部位的磁感应强度。

图1 定子冲片磁测仿真模型图

图2为仿真定子冲片在磁性能测试励磁场的影响下的磁感应强度及方向。可以看出，定子冲片感应磁场主要集中在具有完整环形磁路的轭部。

图2 定子冲片磁测时磁感应强度及方向

图3为定子冲片在磁测过程中，气隙(指绕组线圈与轭部之间的气隙，包括齿处、槽内以及绕组与冲片间的空隙)的感应磁场大小。其数值很小，与完整磁路的轭部差距2～3个数量级，为轭部场强的1%以下，可以忽略。由此，我们可以认为，对此类定子冲片进行磁测时，可以根据轭部尺寸将其看成一个环形试样进行磁测。

图3 定子冲片磁测时气隙磁感应强度

1.2 测试验证

为验证以上仿真结果是否准确，利用同批次软磁材料的标准环样与两种规格定子冲片工件一同热处理，这样标准样环与定子冲片磁性能应该一致。将定子冲片轭部看作一个环形试样，忽略齿部，与标准样环分别进行磁性能测试，如果测试结果相近或者一致，则证明定子冲片可以直接进行磁性能测试。

由于没有保护盒对定子冲片进行保护，故标准试样和定子冲片热处理后，都不使用保护盒，稍作固定后使用较细漆包线做励磁绕组和感应绕组，绕线时尽量不对试样施加压力；选用磁性能对低应力不太敏感的H12硅钢片作为试验材料；试验材料H12硅钢片使用同一批次同一炉；热处理时摆放位置都居中。以上措施可以减少材料、加工处理、磁测过程对磁性能测试结果的干扰，保证试验结果测试精度。

1.3 实验结果与分析

H12硅钢片标准样环试样与两种不同规格定子冲片的磁性能测试结果如表1所示，三者磁滞回线如图4所示。由图4、表1可见，标准试样和两种不同规格定子冲片的磁性能非常接近，磁滞回线基本重合。表1中，3组试样的各磁场强度下磁感应强度(B400、B800,…,B8000)和饱和磁感应强度Bs差距小于2%，矫顽力Hc差距小于3%。3组试样是一起热处理的，状态一致，输入各自外径、内径、质量等参数后，测试的磁性能数值一致，这证明了直接测试不规则形状软磁材料(但有确定的环形磁路)磁性能具有可行性和准确性。

表1 H12硅钢片标准样环试样与两种不同规格定子冲片的磁性能测试结果

图4 H12硅钢片标准样环试样与两种不同规格定子冲片的磁滞回线

证明了实际冲片可以直接测试材料磁性能，那么就可以应用到实际生产中。如果实际生产过程中，怀疑工艺工序对冲片材料磁性能有影响，就在每道工艺工序后，增加磁性能检测要求，监控所有工艺工序不会对冲片磁性能产生较大影响，保证产品质量。使用实际冲片进行磁性能检测的好处在于，可以完全复现实际生产过程，贴近现实，更容易找出问题来源；而且，标准环样可能无法进行下线、整形，那么后续的加工工艺与实际冲片就会有所差别。

同样的加工工艺情况下，标准样环和实际冲片的磁性能测试结果基本一致，那么，只要保持同样的加工工艺，使用标准样环也是准确的。对于特殊工艺过程，可以使用标准样环模拟实际冲片的工艺过程，定量分析各种工艺参数对材料磁性能的影响。

2 测试方法应用

2.1 问题来源及分析

某批次伺服电机出现大量的不合格品，不合格原因是电机测试时起动电压较大，起动电压指标不达标。对不合格品进行排查，怀疑是转子零件内转子冲片材料磁性能不达标。该转子冲片采用的是软磁材料1J22，查询并复测了该批次转子冲片热处理后环形标样磁性能是合格的。

转子冲片在热处理后，经历了胶粘、叠装、绕线、环氧固化、铝制品装配等工序，形成了转子零件，此时转子零件内的转子冲片的磁性能状态相比于材料热处理后磁性能，可能已经发生了变化。这时就可以利用前文已证明可行的直接测试不规则形状软磁材料的方法，将转子冲片轭部看作环形试样进行磁性能测试。与转子冲片热处理后直接测试不同的是，转子零件经过各道工序后，转子冲片外有大量的环氧、漆包线(铜)、铝合金等，不过这些物质都是顺磁或者抗磁性物质，对磁性能测试影响也是可以忽略的[5]。

选取之前合格批次转子零件，与此不合格批次转子零件，直接测试转子零件内转子冲片磁性能，进行对比，测试结果如图5所示。发现合格批次转子冲片磁性能很好，矫顽力低于40 A/m，B800高于2.0 T，与热处理后标准样环的测试结果相近；而不合格批次转子冲片磁性能较差，矫顽力高于150 A/m，B800低于1.8 T，磁性能大幅下降。转子冲片热处理后磁性能是合格的，但经过各道工序形成转子零件后，转子冲片磁性能却明显下降，这表明此批次转子工艺过程中，某一个或者多个工序改变了转子冲片磁性能，使转子冲片磁性能明显降低。

图5 合格批次及不合格批次转子内1J22磁性能

2.2 问题排查及解决措施

此批次转子零件在热处理后续的加工过程中，可能对转子冲片磁性能有影响的工序有以下几个猜测：

a.胶粘叠装：胶粘叠装过程中转子冲片需要压力固定，可能会产生残余应力；

b.绕线：绕线过程中，绕线可能会对转子冲片产生压力，形成应力；

c.环氧固化：环氧固化需要保温130 ℃，可能对转子冲片磁性能产生影响；

d.装配：装配过程中有零部件采用过盈配合，可能对转子冲片产生应力。

将磁性能合格的转子冲片根据实际制造过程，在以上工序后增加一道检测转子冲片磁性能的过程。结果发现，胶粘叠装过程后，本来磁性能合格的转子冲片，磁性能大幅下降，如表2所示，矫顽力由29.13 A/m变至128.7 A/m，B800由2.038 T下降到1.684 T。由上文可知，转子冲片磁性能变坏的原因，不是因为转子冲片的形状与标准样环不一致导致的，而是胶粘叠装工艺改变了转子冲片磁性能。

表2 叠装压力试验结果

仔细排查胶粘叠装过程后发现，胶粘后有使用液压机进行叠装，液压机设置的压力过大，而转子冲片的表面尺寸较小，平均压应力要大于10 MPa，因此产生大量残余应力，使转子冲片的磁性能大幅下降。发现问题后，立刻对叠装过程进行规范化，对这种小型冲片，在保证能够定型的基础上，采用最小压力，测试叠装后转子冲片磁性能，与叠装前磁性能差别不大。

对胶粘叠装过程规范化后，继续检测其它3个工序对转子冲片的影响，发现3个工序进行前后，转子冲片磁性能变化很小，或者没有变化。使用大压力叠装使冲片磁性能变坏，尽量减小压力后，磁性能变化不大，这表明叠装工艺参数设置不合理是转子零件失效的主要原因，解决措施为规范叠装压力，禁止使用大压力叠装。

2.3 后续检查

不合格转子零件报废，新批次转子零件严控其磁性能指标，抽取10个新批次转子零件成品，直接测试其转子冲片材料磁性能，并与热处理后的标准样环、转子冲片磁性能对比，测试结果如表3所示。3个状态的磁性能接近，表明新批次转子零件生产过程控制得较好，没有产生较大的压力或残余应力；同时，也验证了直接测试转子冲片磁性能的可行性与精确性。使用新批次转子零件后，伺服电机的起动电压指标达标。

表3 3种状态的试样磁性能测试结果

3 结 语

以上研究表明，定/转子冲片这一类的环形软磁材料，如果有具体的环形磁路并能精确计算磁路长度，就能通过直流冲击法或积分扫描法直接测试其磁性能参数；这些软磁材料最终形成的零件成品，如果没有其他铁磁物质干扰，并能够绕上励磁绕组、感应绕组，同样可以直接测试其材料磁性能。能够直接测试成品内软磁材料的磁性能，对产品的质量控制有着积极作用。软磁材料作为导磁体，直接决定了成品零件的磁性能指标，如果可以随时测试其磁性能，就能监控整个工艺过程，保证产品质量。