用于直绕式应用的Fe–5.0 wt.%Si软磁复合定子铁芯绕组转角完整性的数值与实验评估

《Materials》：Numerical and Experimental Evaluation of Winding-Corner Integrity in an Fe–5.0 wt.%Si Soft Magnetic Composite Stator Core for Direct-Winding Applications

　　

本研究使磁导线与软磁复合（SMC）定子铁芯直接接触的直绕式绕组方式，使得绕组转角响应成为元件设计的重要因素。本研究通过有限元分析和转角加载试验，对一种Fe–5.0 wt.%Si SMC定子铁芯进行了评估。基于每匝1.44 N的导线张力和90°的绕线方向变化，产生的载荷为每匝2.04 N，19匝时为38.7 N。根据AI-EIW导线的平均名义0.2%屈服载荷，定义了一个工程验证载荷177 N。在38.7 N的等效分布模型和2.04 N的代表性单匝圆形接触模型中，均预测了弹性响应且无有效应变产生。在177 N条件下，最大有效应力和有效应变分别为876.9 MPa和0.0132，卸载后的最大合位移为0.85 μm。元件级测试显示，力持续增加至规定载荷。20倍光学显微镜观察发现，卸载后未出现压痕、裂纹、边缘崩缺、颗粒脱落或转角轮廓变化，尽管FEA预测的亚微米级局部变形未被光学评估直接量化。这些结果表征了在所定义的参考绕组条件和工程验证条件下的局部力学响应。

论文解读：用于直绕式应用的Fe–5.0 wt.%Si软磁复合定子铁芯绕组转角完整性的数值与实验评估

研究背景与目的

永磁同步电机（PMSM）因其高功率密度和高效率被广泛应用于汽车牵引系统和工业驱动等领域。软磁复合材料（SMC）是一种粉末冶金基软磁材料，通过在磁性粉末颗粒表面形成绝缘层并压实而成，能够制造具有复杂三维几何形状和多向磁通路径的铁芯，从而提升电机设计的灵活性。Fe–Si基SMC因其较高的饱和磁化强度和电阻率而被研究用于电机、电感器等部件。

然而，在直绕式应用中，磁导线直接缠绕在SMC定子铁芯上，导线张力会在铁芯转角处产生接触载荷。由于粉末压坯具有非均匀结构，包含颗粒间结合区、残留孔隙和绝缘层，其整体力学性能可能与实际构件在特定几何形状和接触条件下的局部变形行为存在差异。特别是在小圆角半径区域，载荷通过有限的接触面积传递，可能导致局部压痕、颗粒脱落、转角崩缺和微裂纹等问题。此外，现有研究多集中于SMC材料的整体压缩强度、弯曲强度等宏观力学性能，而针对实际制造的SMC定子铁芯在绕线诱导下的力学响应的直接评估，特别是将源自导线张力的载荷施加于绕组转角并将数值结果与元件级的载荷–位移响应及加载前后的表面状态进行关联的研究，尚未见报道。

因此，本研究旨在综合评估一种Fe–Si SMC的材料级力学性能以及定子铁芯绕组转角的变形行为，提出一种评估采用直绕式的径向磁通表贴式永磁同步电机（RF-SPMSM）的复杂形状SMC定子铁芯绕组载荷的方法，并在从实际绕组条件到基于导线名义0.2%屈服载荷的高载荷验证条件的范围内，定量评估绕组转角的变形和表面损伤情况。该论文发表在《Materials》期刊上。

关键技术与方法

研究人员采用了多种关键技术方法：首先，通过有限元分析（FEA） 使用DEFORM-3D v14.0软件建立三维模型，包括等效分布模型和代表性单匝圆形接触模型，模拟绕组转角在载荷下的应力应变分布。其次，进行了元件级转角加载试验，使用专用夹具固定定子铁芯，通过万能试验机施加等效参考绕组载荷（ERL）和高载荷验证载荷（HVL），记录力–横梁位移曲线。再次，利用光学显微镜在20倍放大倍数下观察加载前后绕组转角的表面形貌和轮廓变化。此外，还进行了压缩强度测试和维氏硬度测试以表征SMC材料的体力学性能，以及AI-EIW导线的拉伸测试以确定其名义0.2%屈服载荷。

研究结果

3.1 有限元分析结果

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  反应力–加载体位移响应：在等效分布模型中，反应力随加载体位移连续增加。ERL对应的位移为1.15 μm，HVL对应的位移为5.16 μm。
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  代表性单匝圆形接触模型：在每匝合成载荷2.04 N作用下，最大有效应力为22.9 MPa，有效应变为零，表明为弹性响应。
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  ERL条件下的应力分布：在等效分布模型的ERL条件下，最大有效应力为214.4 MPa，位于加载体与转角之间的局部接触区域，有效应变为零，表明无塑性变形。
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  HVL条件下的应力与应变分布：在HVL条件下，最大有效应力增至876.9 MPa，集中在接触区域；最大有效应变为0.0132，同样局限于接触区域。
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  卸载后位移分布：从HVL卸载后，最大合位移为0.85 μm，发生在局部接触区域内。

4.1 实验转角加载响应

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  在ERL和HVL条件下，所有测试曲线中力均连续增加至预定载荷，无中断迹象。达到预定载荷时的横梁位移，ERL条件为0.0120 ± 0.0025 mm，HVL条件为0.1485 ± 0.0184 mm。ERL条件下的位移变异性较大，主要归因于初始接触位置的差异。

4.2 加载前后光学检测

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  在ERL条件下，加载后绕组转角边缘轮廓连续，未观察到压痕、裂纹、边缘崩缺或颗粒脱落。
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  在HVL条件下，加载后转角边缘仍保持连续，同样未检测到任何可见的表面损伤或轮廓变化。尽管FEA预测了局部有效应变和0.85 μm的残余位移，但在20倍光学显微镜下未能识别出相应的可见变化。

总结与结论

本研究通过整合有限元分析、元件级转角加载试验和光学显微镜观察，评估了Fe–5.0 wt.%Si SMC定子铁芯在直绕式相关载荷下的局部力学响应。数值分析表明，在等效参考绕组载荷（ERL）下响应为弹性，而在高载荷验证载荷（HVL）下产生了局部有效应变，最大有效应变为0.0132，卸载后最大合位移为0.85 μm，变形集中在局部接触区域。元件级测试中，载荷施加过程无突然力降，20倍光学观察显示卸载后无压痕、裂纹、边缘崩缺、颗粒脱落或转角轮廓变化。这些结果表征了在所研究的制造工艺、目标密度、绝缘处理、转角几何形状、导线规格和加载条件下，该Fe–5.0 wt.%Si SMC绕组转角的局部力学响应。未来研究将扩展至不同槽口几何形状、齿形、转角半径和截面尺寸的定子铁芯，以考察其对局部接触应力和残余变形的影响，从而为直绕式SMC定子铁芯的绕组转角完整性设计标准提供支持。