伺服電機(jī)用高性能電工鋼產(chǎn)品技術(shù)解析

高振宇，孟昭萍，陳春梅，羅理，劉文鵬，趙健，李亞東

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021）

新時(shí)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命進(jìn)一步加速了制造業(yè)向自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)變。作為智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，伺服電機(jī)系統(tǒng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其中高分辨率傳感器,高精度合金鑄件、加工及裝配，高性能電工鋼及稀土永磁材料，成為伺服電機(jī)“一條龍”產(chǎn)業(yè)鏈條中的重要組成部分。特別是在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等精密伺服電機(jī)應(yīng)用行業(yè)中，高性能電工鋼已成為提高效率，提升可靠性及響應(yīng)性，推進(jìn)數(shù)控及智能化升級(jí)的關(guān)鍵性材料。鞍鋼作為工業(yè)強(qiáng)基工程中伺服電機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目的示范單位,負(fù)責(zé)高性能電工鋼材料的研制開發(fā)，為國內(nèi)伺服電機(jī)制造企業(yè)提供滿足鐵芯加工的高性能電工鋼產(chǎn)品。

1 伺服電機(jī)對(duì)高性能電工鋼產(chǎn)品的要求

高牌號(hào)無取向電工鋼產(chǎn)品作為一種重要的功能性軟磁材料，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中依然遵循著損耗低，磁感應(yīng)強(qiáng)度高，磁各向異性小，沖片性良好，疊裝系數(shù)高，絕緣涂層性能好，以及磁時(shí)效小等電工鋼通用特性。而從需求上，伺服電機(jī)更多體現(xiàn)在對(duì)高牌號(hào)薄規(guī)格品種的個(gè)性化磁特性要求。依據(jù)其工作原理及運(yùn)行技術(shù)特點(diǎn)[1]，從材料研發(fā)平臺(tái)上，初步對(duì)應(yīng)出伺服電機(jī)用高性能電工鋼產(chǎn)品技術(shù)需求如下。

（1）產(chǎn)品小型化、高效化，封閉式運(yùn)行——材料應(yīng)力敏感性小，沖制特性優(yōu)異，層間高絕緣性、自粘結(jié)特性（減少鉚、扣、栓及焊接所帶來的加工區(qū)對(duì)磁化區(qū)的影響）及低損耗低溫升；

（2）矩頻、變頻及脈沖信號(hào)控制——材料具備高的最大磁導(dǎo)率、高的飽和磁極化密度指標(biāo)；

（3）高磁密設(shè)計(jì)，高響應(yīng)性要求——材料具有高的初始磁導(dǎo)率，磁化區(qū)間較高的磁導(dǎo)率和磁極化密度，抗變形能力強(qiáng)，在高場(chǎng)強(qiáng)、高轉(zhuǎn)速、相對(duì)溫升、大扭矩等復(fù)合應(yīng)力作用下，能保持高的抗變形能力；

（4）低噪音要求——材料磁化進(jìn)程快、磁滯伸縮及磁各向同性指標(biāo)優(yōu)異等。

高端精密伺服電機(jī)在鐵芯材料設(shè)計(jì)上，針對(duì)高性能電工鋼產(chǎn)品提出了更加嚴(yán)格的綜合性能指標(biāo)及要求。工信廳規(guī)函[2018]425號(hào)文件中，伺服電機(jī)鐵芯制造所需硅鋼應(yīng)滿足絕緣性能良好、自粘結(jié)特性、厚度精度高、屈服性能高、鐵損低、磁感高、磁導(dǎo)率高等要求。伺服電機(jī)用高性能電工鋼產(chǎn)品厚度規(guī)格以0.35 mm、0.30 mm為主，其通用技術(shù)條件如表1所示。

表1 伺服電機(jī)用高性能電工鋼的通用技術(shù)條件

2 伺服電機(jī)專用高性能電工鋼生產(chǎn)技術(shù)解析

高性能電工鋼材料性能取決于冶金工藝下對(duì)電工鋼成分、組織及晶體結(jié)構(gòu)的控制。以高等級(jí)高牌號(hào)生產(chǎn)流程和工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，有針對(duì)性地進(jìn)行鋼種設(shè)計(jì)，提升鋼質(zhì)潔凈度，加嚴(yán)工藝窗口，對(duì)宏觀及微觀組織進(jìn)行調(diào)控，滿足伺服電機(jī)基礎(chǔ)性能需求；再通過應(yīng)用技術(shù)研究，不斷優(yōu)化冶金生產(chǎn)工藝，滿足高端精密伺服電機(jī)的發(fā)展需求。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基于精密伺服電機(jī)工作特性及對(duì)高性能電工鋼材料的要求，產(chǎn)品鋼種體系設(shè)計(jì)選擇以硅為主體合金元素。首要考慮因素為提升產(chǎn)品初始磁導(dǎo)率，增加電機(jī)鐵芯運(yùn)轉(zhuǎn)響應(yīng)性；輔以不同含量鋁元素進(jìn)行鋼質(zhì)電阻率的提升，以滿足低損耗運(yùn)轉(zhuǎn)要求；再根據(jù)冶金工藝控制能力及鐵芯加工特性，進(jìn)行其它微量合金元素的添加及控制。

優(yōu)異的電磁性能和磁化特性還體現(xiàn)在鋼質(zhì)潔凈度，即對(duì)有害元素及殘余元素含量的控制，這也是高性能電工鋼材料研制及發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。高性能電工鋼產(chǎn)品鋼質(zhì)潔凈度控制指標(biāo)如表2所示。

表2 高性能電工鋼產(chǎn)品鋼質(zhì)潔凈度控制指標(biāo)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 工藝流程

伺服電機(jī)用高性能電工鋼產(chǎn)品在鋼鐵聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)中，現(xiàn)仍同于高等級(jí)高牌號(hào)鋼的生產(chǎn)工藝流程，即鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐冶煉—真空精煉—板坯連鑄—熱軋—常化及酸洗—冷軋—成品熱處理及涂絕緣層—綜合性能檢驗(yàn)—切邊分卷—包裝入庫。

2.3 冶金工藝技術(shù)研究

有效控制長流程冶金工藝參數(shù)是獲得高性能電工鋼產(chǎn)品的保障，為此，需進(jìn)行全系統(tǒng)工序下各工藝技術(shù)參數(shù)的研究[3]。高性能電工鋼產(chǎn)品主要工藝控制技術(shù)見表3。

2.4 冶金機(jī)理特征研究

冶金材料機(jī)理及內(nèi)稟特性研究是產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，可以指導(dǎo)產(chǎn)品在特定工序流程下的工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化，伺服電機(jī)所需高性能電工鋼材料的主要機(jī)理研究內(nèi)容如下。

（1）主體合金及微合金設(shè)計(jì)，有害及殘余元素對(duì)組織、磁化進(jìn)程和磁特性的影響；

（2）冶金凝固及后續(xù)加工中組織與晶體結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制及演變規(guī)律；

（3）產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)參數(shù)與全流程工藝窗口控制關(guān)系；

（4）冶金全流程析出物與夾雜物的演變規(guī)律及對(duì)宏觀、微觀組織影響；

（5）高硅熱軋板組織與冷軋加工硬化、脆塑性轉(zhuǎn)變、裂紋形成與發(fā)展等規(guī)律。

表3 高性能電工鋼產(chǎn)品主要工藝控制技術(shù)

2.5 產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)研究

產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)研究是產(chǎn)品研制過程中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)所處平臺(tái)不一，產(chǎn)品特性關(guān)注點(diǎn)不同。只有雙方有效技術(shù)融合，在諸多矛盾的控制指標(biāo)中尋求“共性”，才能發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈整體技術(shù)提升。

強(qiáng)基工程“一條龍”應(yīng)用計(jì)劃中也提倡上下游企業(yè)、研發(fā)及設(shè)計(jì)部門間的合作與推進(jìn)。為此，需在以下幾方面開展應(yīng)用技術(shù)研究，促進(jìn)產(chǎn)品定型，并結(jié)合雙方潛在的發(fā)展需求及工藝能力相互協(xié)作，進(jìn)行高端產(chǎn)品研制：

（1）產(chǎn)品沖制及加工特性，疊裝性能，涂層自粘結(jié)工藝，材質(zhì)加工應(yīng)力敏感性，變速變轉(zhuǎn)矩條件下功能因子變化等；

（2）不同品種、規(guī)格產(chǎn)品磁化特性——不同頻率、場(chǎng)強(qiáng)下，磁化進(jìn)程特性、耐磁偏轉(zhuǎn)特性及鐵芯損耗要求等；

（3）信號(hào)應(yīng)答性及步進(jìn)精度，過載及堵轉(zhuǎn)溫升，轉(zhuǎn)速及功率等綜合指標(biāo)的對(duì)比分析；電控及鐵芯再優(yōu)化設(shè)計(jì)及材質(zhì)磁化特性再改進(jìn)。

3 鞍鋼電工鋼現(xiàn)狀及伺服電機(jī)用鋼原型產(chǎn)品性能分析

精密伺服電機(jī)所需高性能電工鋼材料目前尚未形成相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)高技術(shù)領(lǐng)域（智能機(jī)器人、高精數(shù)控機(jī)床、精準(zhǔn)注塑機(jī)等）往往采用進(jìn)口專用電工鋼產(chǎn)品進(jìn)行伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)。針對(duì)其工作特征，擬初期在無取向高牌號(hào)薄規(guī)格硅鋼品種的基礎(chǔ)上，進(jìn)行再設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

3.1 研究現(xiàn)狀及存在的問題

2008年鞍鋼高性能硅鋼工程一期試驗(yàn)性產(chǎn)線試車，同期開始高牌號(hào)產(chǎn)品試制，現(xiàn)基本達(dá)到了國標(biāo)產(chǎn)品牌號(hào)全覆蓋。但因試驗(yàn)性產(chǎn)線各機(jī)組產(chǎn)能的不匹配和當(dāng)期的產(chǎn)品定位，薄規(guī)格產(chǎn)品僅35AW270以下牌號(hào)進(jìn)行了批量生產(chǎn)及市場(chǎng)推廣，產(chǎn)品主要應(yīng)用于變頻壓縮機(jī)制造領(lǐng)域。高級(jí)別高牌號(hào)系列產(chǎn)品尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，0.35 mm規(guī)格產(chǎn)品電磁性能及力學(xué)性能典型值分別見表4和表5。

表4 0.35 mm規(guī)格產(chǎn)品電磁性能典型值

表5 0.35 mm規(guī)格產(chǎn)品力學(xué)性能典型值

對(duì)比同行業(yè)寶鋼、武鋼、太鋼及首鋼無取向高牌號(hào)硅鋼品種，鞍鋼在高牌號(hào)薄規(guī)格常規(guī)產(chǎn)品品種全覆蓋方面及新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)專用高頻高磁感型、高強(qiáng)型、低鐵損型系列產(chǎn)品的起步、研制等方面均存在一定的差距。并且產(chǎn)品涂層方面現(xiàn)僅為半有機(jī)薄涂層，與同行業(yè)多種涂層類型產(chǎn)品存在明顯差異。精密伺服電機(jī)用高性能電工鋼材料因產(chǎn)品個(gè)性化（磁化特征所需）、規(guī)格非標(biāo)準(zhǔn)化（如機(jī)器人伺服電機(jī)）、產(chǎn)品綜合質(zhì)量“高精尖”化等因素限制，尚未形成專用產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)體系。

鞍鋼常規(guī)品種（性能如前所述）與伺服電機(jī)行業(yè)需求仍存在較大差異，作為此項(xiàng)目中的示范企業(yè)，鞍鋼在此應(yīng)用領(lǐng)域更應(yīng)加快步伐，不再跟隨同行業(yè)，借此領(lǐng)域產(chǎn)品的研制，提升鞍鋼無取向硅鋼全系列產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2 原型產(chǎn)品典型性能指標(biāo)

針對(duì)精密伺服電機(jī)對(duì)高性能電工鋼材料的需求，在高等級(jí)高牌號(hào)產(chǎn)品研發(fā)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了兩個(gè)原型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及工業(yè)試驗(yàn)。限于產(chǎn)品的檢測(cè)手段，只進(jìn)行了典型磁性能指標(biāo)及磁化進(jìn)程特征的測(cè)試分析。原型產(chǎn)品典型電磁性能及力學(xué)性能指標(biāo)情況如表6、表7所示，主要性能指標(biāo)（P1.5/50）已達(dá)到表1標(biāo)準(zhǔn)。

表6 原型產(chǎn)品典型電磁性能

表7 原型產(chǎn)品典型力學(xué)性能

結(jié)合整體工藝控制偏差，從表6磁性能上分析，產(chǎn)品鐵損指標(biāo)仍有設(shè)計(jì)調(diào)整余地，磁極化密度在成分微調(diào)及工藝窗口調(diào)整上還有提升空間。表7中力學(xué)性能指標(biāo)上已達(dá)到高強(qiáng)磁軛設(shè)計(jì)要求，有待加工及進(jìn)行高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子組裝測(cè)試。

3.3 原型產(chǎn)品典型磁化特征

兩種原型試驗(yàn)產(chǎn)品鐵損曲線及磁化曲線分別如圖1、圖2所示，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3655 2008，密度為7.65 g/cm3。從磁化特征上分析仍未脫離現(xiàn)有高等級(jí)高牌號(hào)品種體系，對(duì)照表1中P1.5指標(biāo)雖已達(dá)到要求，但初始磁導(dǎo)率及最大磁導(dǎo)率性征急需與伺服電機(jī)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行技術(shù)交流及鐵芯測(cè)試驗(yàn)證。

圖1 兩種原型試驗(yàn)產(chǎn)品鐵損曲線

圖2 兩種原型試驗(yàn)產(chǎn)品磁化曲線

試驗(yàn)工藝上，原型產(chǎn)品磁性指標(biāo)及磁化特性雖有調(diào)整空間，但成分、組織與特定磁化條件下的磁性能關(guān)系、與磁化進(jìn)程關(guān)系，仍需深入進(jìn)行機(jī)理及應(yīng)用技術(shù)研究后，有針對(duì)性地產(chǎn)品優(yōu)化、定型及系列化專用品種的研制，以滿足高端精密伺服電機(jī)需求。

3.4 多種涂層產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)

結(jié)合現(xiàn)階段市場(chǎng)發(fā)展及戰(zhàn)略用戶需求，鞍鋼高層間電阻涂層、自粘結(jié)涂層已立項(xiàng)研究，自粘結(jié)涂層已進(jìn)入常規(guī)用戶裝機(jī)及應(yīng)用研究階段，均已為精密伺服電機(jī)用高性能電工鋼材料的生產(chǎn)做好了技術(shù)準(zhǔn)備。

4 結(jié)語

伺服電機(jī)用高性能電工鋼產(chǎn)品的研發(fā)及定型，仍需上下游企業(yè)、設(shè)計(jì)、研發(fā)單位大量的技術(shù)投入。其雖屬“小眾”品種，但關(guān)系到國家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及智能化進(jìn)程，關(guān)鍵部件及重點(diǎn)材料國產(chǎn)化，不受限、不被卡、不受制約是各行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)及研發(fā)、設(shè)計(jì)人員協(xié)作創(chuàng)新，努力開拓的目標(biāo)及動(dòng)力。

伺服電機(jī)種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域及特性要求各有差異，先期高性能電工鋼產(chǎn)品應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合用戶要求，掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)要點(diǎn)后再以高端精密伺服電機(jī)需求為核心，進(jìn)行品種的系列化、專業(yè)化研制，為此需要做好以下方面的技術(shù)準(zhǔn)備工作。

（1）充分利用國家部門伺服電機(jī)“一條龍”項(xiàng)目推動(dòng)平臺(tái)，廣泛開展技術(shù)交流與合作；

（2）各企業(yè)、單位重視，加強(qiáng)技術(shù)力量投入及測(cè)試裝備、研發(fā)手段的建設(shè)；

（3）在工藝及技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，發(fā)揮工藝裝備能力的潛力，打破常規(guī)生產(chǎn)控制理念，以高性能高端產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)為契機(jī)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)能力、操控及技術(shù)水平的提升。