铁芯热处理在小功率空调风扇电机中的应用研究

铁芯热处理在小功率空调风扇电机中的应用研究
卓祖德 陈志文 陈川礼 李 庆
（珠海凯邦电机制造有限公司 珠海 519110）
摘要：电机作为一个能量转换的机械装置，其能量转换效率的大小直接影响能源消耗多少。

对于高效率的电机，能以少量的能源消耗获得大的输出功率，因此对于如何以最优成本获得电机效率的提高，一直是电机生产厂家研究的课题。

对硅钢片进行热处理能够获得较好的磁性能及较低的铁芯损耗，在压缩机等领域均有较为广泛的应用。

本文将从热处理工艺的特点出发，对影响小功率空调单相异步电机的电机性能、噪音及过程工艺的相关因素展开论述。

关键词：热处理；电机性能；电机噪音
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｆｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．　Ｆｏｒ　ａｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｍｏｔｏｒ，　ｉｔ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｍａｌｌ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｈｏｗ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｃｏｓｔ　ｈａｓ　ａｌｗａｙｓ　ｂｅｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｕｂｊｅｃｔ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ．　Ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ｂｅｔｔｅｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｉｒｏｎ　ｃｏｒｅ　ｌｏｓｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆｉｅｌｄ．　Ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｗｉｌｌ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ａｆｆｅｃｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ，　ｔｈｅ　ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｅｃｈｎｏｌ－ｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；　ｍｏｔｏｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｎｏｉｓｅ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｉｒｏｎ　Ｃｏｒｅ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｎ　Ｌｏｗ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ
前言
随着空调产业愈加成熟，成本逐渐透明，且消费者对产品消费的观念愈加理性，性价比已经成为消费者对产品选用的重要考量标准。

对生产制造企业来讲，如何在现有成本条件下，满足消费者愈来愈高的消费要求，如何用最小的投入提升产品性能，进而提高市场竞争力，已经成为企业中科研攻关的重要研究课题。

本文重点论述空调风扇电机的定转子铁芯在导入热处理工艺后对产品性能、噪音、成本及制程工艺影响的分析与解决经验。

１铁芯热处理机理
从原理上讲，铁芯在电机中起主要作用的两个关键参数分别为铁损、磁性能。

因此电机硅钢片的热处理需要围绕这两个基本参数进行考虑，以便达到降低热处理之后的铁芯损耗及提高热处理之后铁芯磁性能的目的，所以选用连续退火中的发蓝工艺。

主要目的是为了使硅钢片在高温作用下，与氧化剂作用并在铁芯表面生成一层致密的氧化膜，以获得较高的绝缘电阻，减少铁芯的涡流损耗。

同时发蓝过程也是一个去应力过程，还能起到很好的防锈和防腐蚀的作用。

１．１发蓝原理
热处理过程中，各种氧化剂与加热的硅钢片相互作用，会形成一层氧化膜，这层膜可能是：①氧化亚铁ＦｅＯ膜：呈灰色，性能不稳定，易分解出游离铁，绝缘电阻低，当硅钢片弯折时很容易脱落。

②四氧化三铁Ｆｅ３Ｏ４膜：略带黑色，有较高的绝缘电阻及良好的附着力。

③氧化铁Ｆｅ２Ｏ３膜：呈红色，绝缘电阻最高，有良好附着力。

如果热处理方式得当，形成的氧化膜是由Ｆｅ３Ｏ４
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和Ｆｅ２Ｏ３一层盖一层的混合物组成，表面呈蓝黑色，所以这种热处理又叫发蓝处理。

另作为热处理的氧化剂有许多种，实践证明空气和水蒸气的混合气体较为适宜，成本也低。

在发蓝过程中，其化学反应式如下：
２Ｆｅ＋０２→２ＦｅＯ （１）６ＦｅＯ＋Ｏ２→２Ｆｅ３Ｏ４ （２）４Ｆｅ３Ｏ４ ＋０２→６Ｆｅ２Ｏ３ （３）Ｆｅ＋Ｈ２０→ＦｅＯ＋Ｈ２↑ （４）３Ｆｅ＋Ｈ２０→Ｆｅ３Ｏ４＋　Ｈ２↑ （５）２Ｆｅ３０４＋Ｈ２０→３Ｆｅ２Ｏ３＋　Ｈ２↑ （６）１．２热处理前后硅钢性能对比
我们选用８００牌号的硅钢片，按３００　ｍｍ＊３０　ｍｍ规格的标准块进行发蓝，发蓝后对铁损和磁性能进行测试，
检定点F(Hz)Ps(W/kg)Bm(T)Hm(A/m)Br(T)Hc(A/m)μm(mH/m)1.550 4.394 2 1.501 13827.314 10.971 4123.892 0 1.814 55 000
50
5.634 5
1.739 42
4 990.830 6
1.004 6
139.763 4
0.348 5
检定点F(Hz)Ps(W/kg)Bm(T)Hm(A/m)Br(T)Hc(A/m)μm(mH/m)1.550 3.683 8 1.500 88634.215 3 1.366 099.492 7 2.366 55 000
50
6.312 9
1.729 63
4 990.660 1
1.438 9
118.989 0
0.346 6
表1 热处理前
表2 热处理后
结果显示铁损有明显的降低，磁性能获得了提高。

具体见表１和表２。

２对整机的影响
选用我司一款空调壁挂机产品，暂命名为ＦＮ５０，根据客户的要求，需要加大电机输出功率Ｐ２到５６　Ｗ，同时效率η≥５４　％，转速ｎ≥１　３３０　ｒｐｍ，温升△Ｔ≤　７８　Ｋ，且不能大于现有电机结构：铁芯规格７９×４４，叠厚５０　ｍｍ，半定子燕尾槽拼合成圆结构。

我们尝试使用现有条件下的所有手段进行调整，均无法保证转速温升等性能达标的条件下，将电机输出提高６　Ｗ，因此对其建模，进行有限元分析，发现电机冲片齿部磁密趋于
饱和，所以降低铁芯损耗可以作为该电机提效的主要切
图1 磁密云和最大齿磁密
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入点。

适用于导入热处理工艺。

２．１性能影响
根据热处理后铁芯损耗降低及磁性能提高的程度，将该需求电机结构定为：铁芯规格７９×４４，叠厚４５　
ｍｍ，半定子燕尾槽拼合成圆结构，理论计算后的
结果见图２。

考虑到理论计算与实际有误差，将此方案进行制样及负载测试，测试结果为：Ｐ２＝５６．１　Ｗ，η＝５４．５９　％，ｎ＝１　３５３　ｒｐｍ，△Ｔ＜７３　Ｋ，性能完全符合要求并具有一定的余量优势，特性曲线对比也得到了提升。

图2 理论计算数据
图3 测功曲线和温升数据
图4 Eff 曲线对比图5 n
曲线对比
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２．２噪音的影响
空调电机中衡量噪音主要分两个部分，一个是电机本体的单机噪音，一个是负载噪音，单机噪音针对于该功率段的要求为不能高于４２　ｄｂ，负载噪音要求耳听和谐且峰值拉开１３　ｄｂ。

２．２．１单机噪音
使用悬挂法测试单机噪音，发现单机噪音明显高于非热处理方案，耳听空洞有压迫感，非常不舒服，总体类似于虚位不良的噪音。

拆机将转子更换为非热处理转
图6 T 曲线对比图8 整形前后单机噪音对比
图7 P2
曲线对比
子再进行复测，噪音明显改善。

拆机敲击转子，可以感觉到非热处理的转子音质明显实于热处理后的转子。

取热处理前后的转子铁芯全检尺寸，热处理后的转子铁芯虽然尺寸合格，但是叠高尺寸均走的公差上限。

因此，可以初步判定热处理过程高温，导致定转子铁芯微变形，从而影响叠压系数，最终引起噪音。

为验证上述判断，取热处理后的定转子铁芯，对其进行整形，根据以往经验，整形设备压力控制在≤４　Ｔ，然后制作样机复测噪音，发现单机噪音非常平稳，峰值低了１０　ｄＢ以上。

拆机后敲
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图9 230 V/50 Hz/3 Uf/800 rpm
图10 230 V/50 Hz/3 Uf/1 350 rpm 击转子，音质实且沉。

有鉴于此，可以得出结论：热处理后的定转子铁芯，需要再进行整形以保证后工序电机的噪音。

２．２．２负载噪音
将单机噪音合格的电机安装到负载中，对负载进行噪音测试，截取噪音频谱分析。

从频谱整体上看，负载运行平稳且峰值拉开１５　ｄｂ，耳听和谐且无明显杂音，初步可以判定正确处理后的热处理工艺的电机，对整机噪音无影响。

３成本影响
导入热处理工艺后，电机定子叠厚由原来的５０叠厚减少到了４５叠厚，由于叠厚的降低，进而节约了大量铁芯和铜线的使用，以及对应转子端环的铝用量，获得了较大的成本优势。

但因此部分涉及到公司的商业机密以及核心竞争力，因此不在此公示实际数据。

４对制程工艺的影响及解决思路
热处理虽然带来了比较明显的性能和成本优势，但是在热处理的高温过程中，原硅钢材料表面的油膜被挥发、定转子铁芯膨胀变形等，对电机后工序的生产加工制造，产生了一定的影响。

这里提出对应解决思路和办法。

４．１热处理铁芯变形问题
根据噪音部分所反馈的问题，电机在定转子铁芯热处理完后，增加一道整形工序，该点已经在上文中有具体陈述，在此不再重复。

４．２半圆定子铁芯拼合问题
由于热处理过程中，高温导致的铁芯微变形、毛刺影响及油膜挥发，半圆定子在绕完线后，拼合成整圆定子时，燕尾结构容易在拼合到一半的时候卡死，导致生产无法持续。

根据实际生产验证的经验，可以在燕尾结构处增加润滑来解决问题。

电机厂常见的，可以使用的润滑物料有冲压油、普马威克油等。

４．３入轴弯的问题
同样是由于高温导致的铁芯微变形、毛刺影响、油
膜挥发以及热处理后铁芯和转轴硬度变化的影响，转轴在入轴过程中，转子铁芯将转轴上的轴筋破坏，压入过程中从伤位开始拉丝最后卡死入轴过程，此时转轴依然承受设备压力的作用，最终弯曲变形导致生产无法进行。

根据实际生产验证的经验，该问题可以从减短轴筋、优化轴筋分布和位置进行解决。

转轴筋位在设计时，应放在靠近非入轴端，同时，在保证跌落合格的情况下，轴筋数量选择为２￣３
对。

轴筋长度则按公式进行选取。

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式中：
Ｌ１为轴筋长度；Ｌ为铁芯长度；Ｋ为经验系数；正常条件下，Ｋ值取５。

５结语
根据热处理应用领域的产品特性，只有在不断的验证、分析、调整，才能总结出适合工厂现场的热处理技术及工艺特性。

参考文献：
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张文达（1996-），男，硕士生，主要研究方向为永磁电机优化设计。

通讯作者:李争（1980-），男，博士，教授，主要研究方向为特种电机及其控制技术。

卓祖德（1982-），男，本科，工程师，主要从事交流电机的技术、基础工艺以及自动化等的研究工作。

动惯量及初始位置对电机起动过程对永磁体的影响，最大去磁工作点出现在接近同步速时。

永磁体去磁磁场的大小通过合成磁动势直轴分量能反映，负载越大，工作点越可能出现最低点，此时转速接近同步速。

３）在前期准备工作中，分析了永磁电机退磁机理及
退磁的主要原因，在分析完电机起动过程中各因素对电机永磁体的影响之后，简单给出了对应各个阶段防退磁措施。

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