電機鐵芯的自粘接工藝與焊接工藝比較及性能研究

中圖分類號：TQ430.7 + 73 ;TG498 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）05-0005-04

Abstract：With the expansion of the market of new energy vehicles，the working eficiencyof the motor has received extensive atention.Focusing onthe enginering application of pre-coated silicon steel sheets to manufacture stator cores of motors，the influence of bonding parameters on the mechanical and magnetic properties of stator cores was explored，and the eddy current losses under different parameters were numerically simulated.Compared with the welding process，the pull-out force was increased by 388.26% ，and the bonding process showed beter mechanical properties.At the same time，dueto the significant increase in hysteresis loss and eddy current loss of the iron core caused bythe weld，the iron losscaused bythe welding processincreased significantly.Compared with the welding process，the iron loss of the bonded sample was reduced by 27.60% and 26.58% respectively under the conditions of 2.7μm and 3.55μm coating thickness and the magnetic properties showed good performance.The iron loss of the stator core made bythe bonding process decreased with the increase of the lamination pressre.Compared with the 85 N stacking pressure，the iron loss of the stator core made by the bonding process decreased by 0.75% and 1.91% under the pressure of 210N and 420N ，respectively.

Key words：self-bonding；iron core ；silicon steel sheet； mechanical properties ； magnetic properties 近年來電動汽車及混合動力汽車所占市場比例 愈來愈重，驅動電機作為電動汽車驅動系統的核心

部件，其性能受到廣泛關注[1]。驅動電機的鐵芯決定了電機工作的可靠性及能量轉換效率。硅鋼片作為堆疊鐵芯的軟磁材料[2]，其厚度小，表面涂敷有絕緣涂層，可以切斷層間渦流[3]

目前，硅鋼片的工藝連接方式分別為鉚接、焊接、粘接。疊鉚工藝通過扣點鉚接，沖床模具在上片中沖出凸起，與下片的凹槽形成自鎖連接[4]。鉚接工藝得到的鐵芯，不僅會破壞硅鋼片表面的絕緣涂層，鉚接部位引入額外應變，導致鐵芯的鐵損增加、磁性能降低[5]。焊接工藝主要包括氬弧焊接和激光焊接[6]，焊接后的鐵芯會破壞硅鋼片的邊緣結構，破壞絕緣性，產生殘余應力，使鐵損增加[]。粘接工藝絕緣性較好，振動小[8]，并在使用中表現出高導熱性[9]。雖然粘接涂層為非磁性材料，對鐵芯磁性能有一定影響[\"]，但是粘接工藝不破壞絕緣涂層和邊緣形貌，總體對鐵芯的磁性能劣化影響小，可有效提高電機效率[11]。但是，粘接工藝良品率低，成本高，因此從工藝方面，提高電機鐵芯性能，保證良品率具有重要意義。

然而，現階段國內外學者對電機鐵芯的自粘接工藝及其性能的研究較少。本研究采用預涂敷有膠粘劑的硅鋼片作為原材料，分析不同壓力和預涂敷的粘膠涂層厚度與拉伸強度、磁性能的關系，從定子鐵芯的力學強度和磁化性能方面進行測量和比較。同時，對比焊接工藝與粘接工藝制作的樣品拉伸強度和磁性能，探討影響電機鐵芯性能的機理。

1試驗材料與方法

1.1 試驗材料

硅鋼片采用的無取向電工鋼的化學成分見表1，機械性能見表2。硅鋼片的厚度為 0.2mm ，密度為 ，表面預涂敷一層半有機無鉻涂層Z。所用電工鋼由沖床及配套模具加工制成，其內徑 和外徑 分別為78mm、220mm 。

1.2 試樣制備

鐵芯層壓粘接工藝過程中影響鐵芯質量的因素主要包括層壓壓力、涂層厚度，針對上述因素進行實驗分析。采用3組壓力、2組涂層厚度，制作不同的樣品，工藝參數如表3所示。利用無錫怕捷科技有限公司生產的PHV701-D提供高溫環境，實現硅鋼片連接固化過程。工裝采用6個彈簧均勻分布，提供堆疊時所需要的壓力。

使用相同的硅鋼片，按照表4工藝參數制作焊接樣品，與粘接工藝方式制作的樣品進行對比。

1.3 測試方法

電機鐵芯在工作中會受到電磁力、機械力以及熱應力的綜合作用，為確保電機鐵芯工作的可靠性，需要電機鐵芯具有優異的力學性能。利用深圳萬測試驗設備有限公司生產的ETM504-D萬能試驗機進行拉伸強度試驗，預壓力為1000N，加載速率為 5N/s 6。

電機鐵芯的磁化性能與鐵芯效率相關，其性能優劣決定電機鐵芯的能量轉換效率以及發熱量。采用天恒TD8520電工鋼寬頻交流磁性能測量系統檢測鐵芯磁性能，進行鐵損檢測時忽略定子齒部影響，軛部參數為測試參數。定子鐵芯的軛部外徑為220mm ，軛部內徑為 185.9mm，磁路長度為637.59mm ，匝數為48。

粘接工藝與焊接工藝的明顯區別是焊接過程破壞硅鋼片的絕緣涂層，渦流可以通過焊縫區穿過疊片，導致渦流損耗增加。為了揭示粘接工藝的鐵損顯著低于焊接工藝的機理，選擇建立有限元模型來分析渦流分布，定量對比2種工藝中的渦流損耗。利用有限元分析軟件AnsysMaxwell3D建立渦流分析模型，通過求解麥克斯韋-法拉第方程并結合歐姆定律來模擬渦流。為了減少計算時間，只對鐵芯局部進行建模。有限元模型長度為 3mm ，寬度為3mm ，硅鋼片堆疊數量為6片。在幾何模型的四面分別施加切向H磁場，邊界頻率范圍在 50～400Hz 之間。數值模擬的一些假設包括：硅鋼片原材料涂敷的絕緣涂層，通過施加絕緣邊界條件模擬絕緣效果；為了降低有限元模型的復雜性，焊縫的幾何形狀簡化為半圓形；忽略由于焊接工藝導致材料性質的變化；磁場只考慮基波分量的影響。

2 結果與討論

2.1工藝參數對定子的力學性能影響分析

對比不同工藝方式以及不同粘接工藝參數下定子鐵芯的力學性能，如圖1所示。

圖1（a）展示了焊接樣品與粘接樣品的拉拔強度，拉拔力分別為538.92、2631.34N。可以看出，粘接樣品的力學強度遠高于焊接強度。焊接固定方式是電機鐵芯局部進行線固定，連接力不高，對緊固強度要求很高的情況難以滿足。粘接固定方式是在鐵芯整個面上進行固定，固定強度顯著提高[13]

由圖1（b）可知，隨著壓力增加，拉拔力呈增加趨勢。壓力增加，相鄰硅鋼片貼合更加緊密，膠層厚度降低，導致粘接強度變化。 420N 壓力下疊壓的粘接樣品比85N壓力下疊壓的粘接樣品拉拔力高 62.5% ，比210N壓力下疊壓的粘接樣品拉拔力高 18.18% 。

硅鋼片原材料兩面預涂敷有自粘接涂層，堆疊壓力提高，相鄰硅鋼片的自粘接涂層的內聚效果增強，導致粘接強度增強。另外，較厚的膠層更容易出現微裂紋和缺陷，如膠層中夾帶空氣[14]，另一方面，較厚的膠層固化過程產生的收縮應力要高于較薄的膠層[15]，所以粘接強度隨著壓力增大而增大。

2.2工藝參數對定子的磁性能影響分析

對比了粘接工藝與焊接工藝對磁性能的影響，以及不同參數下粘接定子鐵芯的磁性能，并討論了磁性能退化機理。圖2展示了焊接定子與不同預涂層厚度的粘接定子鐵芯的磁通密度與相對磁導率的關系。

由圖2可知，磁通密度分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2T，頻率為 400Hz 。隨著預涂層厚度增加，相對磁導率呈下降趨勢。相比焊接工藝，粘接涂層厚度分別為2.7和 3.55μm 時，最大相對磁導率分別提高了 118.80% ） 116.57% 。

圖3是焊接和粘接的鐵芯以及不同壓力下的粘接鐵芯對鐵芯磁滯特性的影響。

圖3（a）展示了焊接的鐵芯與不同粘接層厚度粘接的鐵芯對鐵芯磁滯特性的影響，粘接涂層厚度分別為2.7和 3.55μm 時，鐵芯的剩磁分別為0.9293、0.9225T，矯頑力分別為73.85、75.22A/m ；焊接的鐵芯剩磁為0.555T，矯頑力為110A/m 。相比焊接鐵芯，在2.7和 3.55μm 涂層厚度條件下，剩磁分別提高 67.44%.66.22% ，矯頑力分別降低 32.86%.31.62% 。相較粘接的鐵芯，焊接鐵芯的磁滯損耗增加和剩磁減少現象尤為顯著。

圖3（b）展示了不同壓力下的粘接鐵芯對磁滯特性的影響，在85、210和 420N 條件下，定子鐵芯的剩磁分別為0.922 5、0.923" 4、0.926 4T，矯頑力分別為75.22、74.11、73.60A/m 。不同壓力對鐵芯磁滯特性的影響，與不同粘接涂層厚度對鐵芯的磁滯特性的影響規律類似。

圖4為焊接工藝和粘接參數對定子鐵芯的鐵損的影響。

由圖4（a）可以看出，隨著磁通密度增加，鐵損增加，同時，粘接涂層厚度增加，鐵損呈增加趨勢。焊接工藝方式使鐵芯的鐵損急劇增加。相比焊接的定子鐵芯，在 2.7，3.55μm 涂層厚度條件下，鐵損分別降低 27.60%.26.58% 。

圖4（b）展示了不同壓力條件下，粘接鐵芯的鐵損。壓力增加，鐵損呈下降趨勢。相比壓力為85N條件下制作的的定子鐵芯，在 210N 和 420N 壓力條件下，鐵損分別降低 0.75% 、 1.91% 。

焊接過程會在焊縫區域和鄰近區域引起殘余應力[16]，絕緣涂層遭到破壞[17]，焊縫區域的渦流可以穿過相鄰的板材，導致鐵芯磁性能劣化。然而，粘接工藝并不會破壞絕緣涂層，不存在塑性變形，粘接過程對磁性能影響小。壓力越小和預涂敷的粘膠涂層厚度越大，導致相同體積下鐵芯的磁性材料占比小，鐵芯的磁性能減弱。

2.3 渦流損耗分析

圖5分別為頻率為 、表面磁通密度為1.2T時，6片 0.2mm 厚度的硅鋼片采用粘接工藝和焊接工藝連接后的磁通密度、渦流密度和渦流損耗分布。

圖5仿真模型的磁通密度、渦流密度和渦流損耗分布

Fig.5Flux density，eddycurrent densityand eddycurrent loss distributionof thesimulationmodel

由圖5（a）（c）、（e）可知，在每層硅鋼片上，外部的磁通密度、渦流密度和渦流損耗達到最大值，中心處下降到最小值。由圖5（b）、（d）（f可知，磁通密度、渦流密度和渦流損耗在焊縫的圓周處均達到最大值，焊縫的中心處減小到最小值。焊接工藝造成母材晶粒發生變化[18]，導致焊縫與母材之間的磁通密度、渦流密度和渦流損耗差異顯著。而在遠離焊縫的區域，磁通密度、渦流密度和渦流損耗分布與粘接的定子鐵芯的相似。

圖6顯示了不同頻率條件下，焊接工藝與粘接工藝對渦流損耗的影響。

由圖6可知，隨著頻率增加，焊接工藝連接的硅鋼片的渦流損耗增加越明顯，頻率從 50Hz 增加至400Hz ，相比焊接工藝，粘接工藝的渦流損耗分別降低 86.13% 90.68% .80.50% （2 86.37% 。

3結語

（1）相比焊接工藝，粘接工藝制造的電機鐵芯力學強度顯著提高；

（2）自粘接涂層厚度增加，鐵芯的磁滯損耗增加，剩磁減少，矯頑力增加，磁性能降低。與粘接工藝相比，焊接過程引起的殘余應力可能導致磁滯損耗增加，而通過焊縫區的渦流可能導致渦流損耗增加，從而導致定子鐵芯的鐵損顯著增加；

（3）電機鐵芯粘接成型的壓力對其力學性能和磁性能存在一定影響。隨著壓力增加，鐵芯獲得更優異的力學性能和磁性能；

（4）通過渦流損耗數值模擬，驗證了焊縫區的渦流損耗顯著增加。同等條件下，相比焊接工藝，粘接工藝的渦流損耗分別降低86. 13% 、90. 68% 、 80.50% ！86.37% ，粘接工藝對渦流損耗的影響顯著降低。

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（責任編輯：蘇慢）