3D打印技術(shù)在電機鐵心中的應(yīng)用

來源：《增材制造技術(shù)在電機中的應(yīng)用綜述》

鐵心是電機磁路的重要組成單元和實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，需要具備高飽和磁感應(yīng)強度和高相對磁導率、低磁滯損耗和低渦流損耗性能，以及高機械強度。在電機中通常使用含有少量硅的電工鋼片來制作鐵心，也有少部分使用鐵鎳系合金和鐵鈷系合金材料。傳統(tǒng)制作鐵心的方法是通過沖孔、激光或水射流切割加工出理想的定轉(zhuǎn)子鐵心形狀，然后經(jīng)過疊壓，再用焊合或者鉚釘鉚合成型。不僅工藝流程復雜，而且需要制作模具，成本較高。3D打印技術(shù)的引入提高了成形效率和材料利用率，降低了生產(chǎn)成本，同時打破了幾何拓撲形狀對稱規(guī)則的限制，可以根據(jù)磁路的特點進行復雜拓撲的設(shè)計及優(yōu)化，從而提高了電機的整體性能。

鐵硅系鐵心
加入適量的硅可以增加硅鋼片的電阻率，減小渦流損耗。但當硅含量大于4%時，上層結(jié)構(gòu)B2和D03型的結(jié)構(gòu)順序會導致材料延展性下降，很難通過傳統(tǒng)的軋制或沖壓加工出硅鋼疊片。增材制造的出現(xiàn)使高硅含量和低渦流損耗鐵心的制備成為可能。

對于激光選區(qū)熔化等以激光為熱源的3D打印穩(wěn)定會導致分層和裂紋，激光引起的熱梯度也會引起殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸、夾雜物和內(nèi)應(yīng)力等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁性能有較大影響，因此需要通過多因素正交實驗、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法測量并分析各工藝參數(shù)對成形件整體性能的影響，建立輸出性能評價模型，并根據(jù)該模型得到最優(yōu)的加工參數(shù)。

研究表明，當激光功率較低時，材料的孔隙率較高且晶粒結(jié)構(gòu)較細，會讓材料的磁滯損耗變大。隨著激光功率的增大，金屬粉體冷卻速率變低，晶粒平均尺寸增加，磁滯損耗減小。但是當激光功率增大到一定程度后，裂紋形成的趨勢增強，這些微觀結(jié)構(gòu)缺陷的出現(xiàn)會讓磁滯損耗增加。從圖1可以看出，激光功率在250W~350W內(nèi)，退火FeSi6.7的磁滯損耗較小。激光功率取300W是個較為合適的選擇，可以在形成較大的晶粒尺寸的同時避免裂紋形成。除了激光功率，基底預熱溫度對電磁性能也有很大的影響。研究表明，隨著基底預熱溫度的不斷增加，所形成的晶粒尺寸不斷增大，矯頑力不斷減小，最大相對磁導率也有增大的趨勢。

圖1 激光功率對 FeSi6.7 增材制造的影響

硅鋼片在加工完成之后需要經(jīng)過退火后處理，測量數(shù)據(jù)顯示未經(jīng)過退火工藝的硅鋼片磁滯損耗是退火后的9倍，退火后最大相對磁導率提高到原來的14.4倍，且飽和磁感應(yīng)強度增加，從圖2所示微觀截面中可以看出退火后出現(xiàn)了粗大的結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)任何裂紋，機械性能增強。通過對以上參數(shù)的優(yōu)化，Goll等利用激光選區(qū)熔化技術(shù)制備出了矯頑力16.2A/m，剩磁1.26T，最大相對磁導率31000的硅鋼片。Lammers同樣利用激光選區(qū)熔化技術(shù)使用H13材料制造了含有晶格結(jié)構(gòu)的永磁同步電機轉(zhuǎn)子，其相對磁導率可以達到軟磁復合材料(SMC)的水平。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，轉(zhuǎn)子質(zhì)量減小了25%，轉(zhuǎn)動慣量減小了23%。

圖2 FeSi6.7 退火前后微觀截面圖

粘結(jié)劑噴印技術(shù)同樣具有實現(xiàn)高相對磁導率鐵磁材料的潛力。Pham等采用微噴射黏結(jié)技術(shù)對Fe91Si9進行3D打印，結(jié)果表明鐵心最大相對磁導率為1246，是商業(yè)SMC復合材料Somaloy最大相對磁導率的2.9倍，不過其損耗明顯高于Somaloy。粘結(jié)劑的添加雖然可以增加強度，但是也會降低相對磁導率和最大飽和磁感應(yīng)強度。研究表明，顆粒尺寸的增加和燒結(jié)溫度的降低會提高相對磁導率。混合兩種不同粒徑的顆�？梢栽龃筇畛浔龋瑥亩�提高樣件的致密性。由此可見，優(yōu)化材料成分和工藝參數(shù)可以進一步提高微噴射黏結(jié)打印鐵磁材料的電磁和力學性能。Cramer等通過微噴射黏結(jié)技術(shù)打印了致密的FeSi6定子鐵心，并在800℃下進行固態(tài)燒結(jié)和退火處理，極限抗拉強度為434MPa，飽和磁感應(yīng)強度為1.83T，矯頑力為32A/m，最大相對磁導率為10500。

Pham等對微噴射黏結(jié)技術(shù)打印的鐵心和M19鐵心以及SMC鐵心做了詳細的對比，測試結(jié)果表明3D打印鐵心的最大相對磁導率分別是M19鐵心和SMC鐵心的1.5倍和10倍。如圖3所示，在飽和磁感應(yīng)強度方面，3D打印鐵心不及M19鐵心和50WW470鐵心。從微觀結(jié)構(gòu)測量出黏結(jié)劑噴印鐵心的平均晶粒尺寸是SMC的2.5倍。較大的晶粒尺寸可以降低磁滯損耗，因此3D打印鐵心在低頻下的鐵耗較低，不過在高頻下，3D打印鐵心的損耗較高。此外，Pham等還通過實驗設(shè)計探究了燒結(jié)溫度、硼化合物的添加和含硅量對微噴射黏結(jié)技術(shù)打印的硅鋼片性能的影響。研究表明，加入硼化物之后，晶粒尺寸從72μm增加到144μm，磁滯損耗降低約20%，內(nèi)稟矯頑力降低約14%~22%。硅含量的增加會提高硅鋼片的電阻率，從而降低損耗，但是硅含量的提高會犧牲一點飽和磁感應(yīng)強度。

圖3 增材制造 FeSi、SMC、M19 以及 50WW470 磁性能對比

Lindner等采用一種高精度的3D絲網(wǎng)打印技術(shù)制備硅鋼片，將FeSi粉末與粘合劑混合之后，通過一種有開放和封閉網(wǎng)孔的特定掩模壓制成形，每打印完一層之后需要經(jīng)過干燥，全部打印完之后經(jīng)過熱處理去除粘結(jié)劑，并進行燒結(jié)。測試結(jié)果表明，其磁導率可以與商用M330-35A鐵心相媲美，但是飽和磁感應(yīng)強度比M330-35A低，在50Hz、1T的情況下，測得鐵耗約為2.6W/kg，是M330-35A的1.34倍。

鐵鎳系鐵心
鐵鎳系合金材料因具有較低的鐵耗，在變壓器、電機等電磁設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。Mikler等利用激光工程凈成形技術(shù)制備了Ni-15Fe-5V和Ni-15Fe-5Mo軟磁合金，和傳統(tǒng)工藝制備的Ni-11Fe-6V和Ni-17Fe-4Mo相比，其具有更大的矯頑力和飽和磁化強度。由于存在細小的孔隙、未熔化的顆粒和其他雜質(zhì)等微觀結(jié)構(gòu)缺陷，導致其矯頑力較大。Zhang等以Fe-80%Ni混合粉末為材料采用激光選區(qū)熔化技術(shù)制備了軟磁鐵心，并且詳細研究了激光選區(qū)熔化技術(shù)(selective laser melting，SLM)工藝參數(shù)對材料磁性能的影響。測試結(jié)果表明，當激光速度較低時，可以獲得較大的晶格參數(shù)和較小的晶粒尺寸；當掃描速度增加時，飽和磁化強度略有降低。通過優(yōu)化激光參數(shù)可以獲得相對較低矯頑力(30~40Oe)和較高飽和磁化強度(80~100emμ/g)的Fe-80%Ni合金。當Ni含量降低到30%時，其矯頑力為75A/m，飽和磁化強度為550Am2/kg。

鐵鈷系鐵心
鐵鈷系材料與硅鋼材料相比具有更高的飽和磁感應(yīng)強度，通常應(yīng)用在對重量和體積有嚴格要求的輕量化航空電器上。在鐵鈷合金中加入V、Nb、Si等穩(wěn)定劑可以改善機械和電磁性能。但是鐵鈷系材料的價格約是傳統(tǒng)工藝制備高性能硅鋼片價格的100倍，然而3D打印鐵鈷系材料的價格是未經(jīng)熱處理打印硅鋼材料的2倍，3D打印的出現(xiàn)提高了鐵鈷系材料的性價比。激光選區(qū)熔化技術(shù)、激光工程凈成形技術(shù)和3D絲網(wǎng)印刷技術(shù)都可以成功制備鐵鈷系鐵心。研究表明，加工之后經(jīng)過熱處理的鐵鈷系材料的矯頑力從995A/m降低到401A/m，最大相對磁導率從518提高到1615。

如圖4所示，目前常用于鐵心3D打印的工藝主要是激光選區(qū)熔化技術(shù)、激光工程凈成形技術(shù)和微噴射黏結(jié)技術(shù)。主要研究的對象為鐵硅系材料，針對鐵鎳系和鐵鈷系材料的研究較少。從磁性能來看，3D打印鐵心的最大相對磁導率低于傳統(tǒng)鐵心，矯頑力較大，高頻下?lián)p耗問題較為明顯，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 3D 打印的鐵心樣件

表1 3D 打印鐵心性能參數(shù)一覽表

目前，與傳統(tǒng)工藝制造的零件相比，采用增材制造技術(shù)的鐵心的損耗密度更高，3D打印繞組的電阻率也偏高，這導致3D打印電機鐵耗、銅耗較大，電機整體效率偏低。因此，3D打印電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一在于如何抑制其損耗，實現(xiàn)效率提升。損耗抑制措施主要有以下兩種方式：一是優(yōu)化激光功率、基底預熱溫度等加工參數(shù)，進行樣件退火等后處理；二是利用微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計以及宏觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低損耗�？傮w而言，增材制造技術(shù)給了電機更大的設(shè)計自由度，讓電機功率密度的進一步提升成為可能，雖然現(xiàn)在3D打印電機尚處于早期發(fā)展階段，并且面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但是未來必將在電動汽車、航空航天、艦艇船舶等領(lǐng)域的推進系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。