快速成型制造技术实现流程(电机软磁的快速成型制造)

研究背景

近年来，越来越多的应用领域需要大功率电机包括运输（如混合动力/电力牵引、航空航天、航海）和可再生能源发电，尤其是风力发电。更多的电动无人机和全电动客机提出了挑战，在具体功率、效率、安全性和环境可持续性方面有着广泛的要求。

在舰船应用方面，商业舰船要实现收益最大化，军用舰船要有更多空间来承载关键任务组件，这些都是电气化组件采用更高功率密度设计的动机。另一方面，最大限度地降低风力发电的成本也是一个重要因素。发电行业需要大幅提高比转矩、效率和资本成本。

这些行业中的大多数企业都在大力发展轻型电机，但目前最先进的电机设计和制造技术却无法实现这一目标。特别是对于大型风力涡轮机而言，即使是设计最理想的低速直驱发电机，其物理尺寸和重量仍然超出预期。

例如，通用电气公司12兆瓦（MW）Haliade-X的径向通流直驱永磁发电机直径约为11米，机舱重量超过600公吨。

由于其复杂性、组装过程中的安全挑战（如人工搬运磁铁或转子稍有移动就会产生巨大的反向电动势）以及组装、吊装和运输所需的专业设备，这些发电机在出厂前就被组装成一个大型的完整系统，而且很可能还被预先安装在风力涡轮机机舱内，以便运输到安装地点。

因此，需要使用优化的制造工具、高性能低成本磁铁和非关键材料制成的钢制部件来实现轻型直接驱动发电机。大多数现代电机都是固有的复杂组合。因此，使用传统制造工艺很难实现设计上的颠覆性改变。

通常情况下，电机采用高导磁性的软铁磁材料，如钢或磁铁，以理想化的几何形状塑造和引导磁场，并提供有效的能量传递介质。最常用的磁性材料是由无取向电工钢薄片组成的叠层。

在为电机磁芯选择材料的过程中，需要考虑的典型材料参数包括：高磁饱和度和磁导率；低矫顽力、比损耗和磁致伸缩；高屈服强度和耐热循环性。适用于电机的功能性软磁材料通常是硅铁（FeeSi）合金。

材料的磁饱和度的影响

在给定额定功率的情况下，电机的功率密度取决于材料的磁饱和度，因此通常需要较高的磁饱和度，以减少引导机器铁芯内部磁通所需的材料。

当磁芯经历周期性的磁化和退磁循环时，部分能量会以铁损耗的形式散失，其余能量则来自与磁致伸缩效应相关的材料膨胀和收缩。由于能量损耗对效率有很大影响，因此材料应表现出窄磁滞行为和高电再电阻率。

为了实现这些特性，软磁材料需要与其他材料进行合金化和热处理，以优化微观结构。这一过程会引入缺陷、晶界和杂质，从而阻碍磁畴壁的运动，严重影响磁性能。上图显示了电机磁芯的传统生产流程图。

生产流程的第一步是绘制详细的计算机辅助设计（CAD）图纸，对机器磁芯进行仔细评估，以确定和开发用于模具成型和冲压的切割和冲模专用精密模具。

然后将FeeSi板材冷轧至层压所需的厚度，并切割至所需的尺寸。板材表面涂有绝缘材料，可抵御涡流。冲压和冲孔将板材加工成所需的几何形状。然后，通过销钉或焊接将板材堆叠在对齐夹具上。

上图展示了三井高科技公司在定子和铁芯制造中的自动化制造步骤和人力减少情况。快速成型制造（AM）既能减少零件数量，又能实现自动化。传统工艺生产的用于高效率和高动态电机的层压材料仍然会有明显的损耗。

使用较薄的层压材料可以最大限度地减少铁芯损耗；但是，较薄的材料需要更多的轧制步骤、进一步的去应力退火以及在给定叠层高度下更多的层压材料，因此制造成本更高。

此外，过度轧制会增加钢的脆性，从而对层压板的可用厚度施加了实际的下限。第二个主要限制是冲压和堆叠操作造成的毛刺和翘曲导致的尺寸精度损失。

冲压的替代方法是电火花线切割加工(EDM)，但这会增加模具成本，因此需要大量生产才能证明成本合理。此外，当层压板被塑造成复杂的设计时，会造成大量浪费。

含硅量较高的材料部分抵消了这一影响。然而，它们在延展性和导热性方面仍然受到限制。除损耗外，结构的机械稳定性对大型电机也非常重要，特别是在飞机和风力发电领域，重量是一个重要的考虑因素。大多数硅钙钛矿板的密度约为每立方米7800千克（kg/m3），而铁钴合金（FeeCo）板的密度约为每立方米8120千克（kg/m3），因此电机更重。

不过，FeeCo合金的高饱和磁化率可弥补这一影响，最多可减轻25%的重量。通常情况下，由于这些板材具有较高的饱和磁化率，因此产生相同的磁通量所需的材料较少，从而抵消了这一缺点。

然而，对于高比功率和高扭矩应用，这些薄片必须提供相同的磁通量，但轭和齿中的材料必须更少。因此，有必要改变电机的设计和制造方式，而AM无疑可以满足其中的一些需求。

主要软磁材料概览

所有传统上使用的软磁合金（即硅铁合金、镍铁合金、钴铁合金和SMC）都是电机AM的候选材料。软磁铁氧体只集成在变压器和天线中，由于其磁化率低和脆性大，不容易集成在转子中。然而，AM将开辟脆性材料的加工方法，软磁铁氧体的较高电阻使其成为电芯绝缘材料的替代材料。

我们将从软磁材料的基本术语入手，这些术语对于理解软磁材料在特定应用中的使用至关重要。软磁材料的关键参数包括饱和磁化(Ms)、矫顽力(Hc)、剩磁(Br)、相对磁导率(mr)、电阻率(r)、导热系数（k）和机械强度。

如上图所示，在软磁材料中，Br非常小（0.02T）。用于永磁体的硬磁性材料的剩磁可高达0.9Ms。对于单晶永磁体，理想情况下可高达Ms。由于样品中的静态退磁效应，第一象限（红色数据点）的原始磁化比第五象限磁化的增长速度要慢得多。

这种效应在某些硬铁磁材料中也很明显。磁化数据的X-截距提供了磁性材料的矫顽力(Hc)。磁滞回线越小，电机的磁芯损耗就越小。最后一个也是可以从磁化数据中提取的关键参数之一是相对磁导率(mr)，它是磁性材料的磁场强度。

表1列出了以初级合金元素为基础的最受欢迎的软磁材料系列，它们以不同的形式被广泛使用，如粉末、层压板、纳米晶、软质复合材料和/或无定形形式。

上图列出了它们的主要磁性能。在这些主要类别的软磁材料中，还有一些具有特定商业名称和特性的商业级材料子类别，包括在表1的子类别中。

由于专利权的原因，商业软磁材料通常以指定性能而非实际成分的商标名称出售。图中显示了七大软磁系列的饱和磁化率和磁导率。这两个关键参数可为特定应用提供快速参考指南。

块状粉末材料的特性对高磁感应强度（饱和磁化）非常有用，但它们只能提供最低的相对磁导率，而这正是软磁材料所需的关键特性。例如，50:50FeeNi粉芯提供的磁导率很低，而经过适当热处理以获得理想微观结构的高合金（约80%Ni:20%Fe）的磁导率则突然增加到100000倍。

因此，热处理、成分纯度和微观结构发展等加工模式，以及AM制造技术中适当的后处理对软磁材料磁性能的改善起着重要作用。制备电芯的主要步骤，如切割、冲孔、冲压以及与之相关的应力对软磁材料各种物理参数的影响如表2所示。

由于传统的电气材料和工具钢加工技术是先浇铸后热轧和冷轧，软磁材料中的相位偏析和结晶纹理限制了它们的应用。铸造技术的主要局限是缺乏对转子应用所需的晶界工程和微结构各向同性的控制。

为了克服这一限制，粉末冶金工艺利用了各向同性的颗粒分布，并优化了烧结和热处理周期，从而优化了转子应用所需的微观结构。

在选择电机材料时，需要仔细权衡其所需特性（磁性、机械和热性）和成本，以获得性能最佳的设计。从通过磁滞控制铁损耗的角度来看，降低本征矫顽力和磁滞内的面积是可取的。涡流损耗和与畴壁运动相关的过量损耗（Pexc）可以通过薄层来减少，薄层在较高频率下具有更强的抗集肤效应能力。

使用均匀的材料和较大的晶粒尺寸，并控制碳（C）、氮（N）、硫（S）、氧（O）和硼（B）等杂质的含量，可以防止畴壁位移受到阻碍，再加上较高的合金含量，可以大大提高饱和磁化率（Ms）；不过，这会降低矫顽磁场（Hc）。实现改进的传统方法是有限的，尤其是在合金含量方面。

通过AM，有可能更好地控制合金含量、晶粒大小，并消除退火处理中不希望出现的第二相杂质。

根据对用于多兆瓦电机的可快速成型的传统和新兴软钢的调查，表3定性地总结了现有材料的适用性。底部的颜色代码代表了材料参数对电机的适用性：红色代表不可接受，绿色代表性能理想。除这些候选材料外，技术需求和创新设计也将推动更新软磁的确定。

电机AM方法概览

SLM、FDM、BJT和LOM被认为是制造电子线路的潜在AM方法。在下文中，我们将讨论这些方法，包括工艺细节、可制造性和可扩展性。

我们的调查显示，AM在实现具有复杂核心几何形状的高性能电机设计方面存在若干早期机会。其中一个设计实例是对开关磁阻电机的电芯进行几何优化，以最大限度地提高磁阻转矩，从而消除或减少对关键高性能PM的要求。

LOM钢可与传统制造的钢材相媲美，而SLM磁芯则存在严重的磁芯损耗。BJT具有较低的涡流损耗和全烧结密度，但零件在后加工过程中会出现约20%的线性收缩。除了要达到所需的磁性、电性和机械特性外，制造较大的电气部件也是AM电机的一个挑战。

为了适合生产，这些大型机器通常具有混合制造的性质。首先，它们打印大型部件，而减法单元则保持机器的表面光洁度和公差。目前还没有专用于大型电气机械的打印机。随着该领域的成熟，将会开发出更多用于大型电机的专用打印机。

激光逐层烧结AM技术是金属AM中最常用的技术。这种方法包括使用高功率激光完全熔化合金粉末，并逐层熔化，以产生所需的近净形状和全密度。一些研究人员已经证明了使用SLM技术制造软磁。

在SLM技术中，如上图所示，将原料粉末在熔床上铺设一层，然后使用激光束熔化。然后将样品床降低，再铺一层粉末，并再次用激光熔化，直至完成整个构建。该工艺对粉末的关键形状要求是球形。

这一要求可能会限制某些合金成分的使用。与SLM类似，LENS也能提供实验样品的快速原型制造，尤其是在使用激光产生定向能沉积熔体的金属和陶瓷方面；然而，它在生产由高硅钢制成的大型电气部件（如风力涡轮发电机中使用的部件）方面能力有限。

迄今为止，已有一些研究人员尝试使用SLM为小型电机设计和打印转子铁芯；但迄今为止，打印出的钢材质量较低。上图显示了SLM打印转子铁芯的实例。SLM制造的转子铁芯最常用的材料包括FeeSi和FeeCo合金。

研究总结

与金属AM技术的总体趋势一样，SLM、FDM和BJT是用于电机的软磁材料AM的最流行方法。此外，还确定了适合AM的潜在软磁材料清单。软磁材料AM及其在电机中的集成正在快速发展。

对电机进行大规模打印的需求仍然是当务之急；例如，大规模示范对于实现世界上最先进、轻质、超高效、高扭矩密度且几乎不使用关键稀土永磁材料的电机至关重要。