伺服电机用高性能电工钢产品技术解析

高振宇，孟昭萍，陈春梅，罗理，刘文鹏，赵健，李亚东

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司，辽宁 鞍山 114021）

新时代产业技术革命进一步加速了制造业向自动化、智能化转变。作为智能化转型的基础产业，伺服电机系统在各行各业得到广泛应用，其中高分辨率传感器,高精度合金铸件、加工及装配，高性能电工钢及稀土永磁材料，成为伺服电机“一条龙”产业链条中的重要组成部分。特别是在机器人、数控机床等精密伺服电机应用行业中，高性能电工钢已成为提高效率，提升可靠性及响应性，推进数控及智能化升级的关键性材料。鞍钢作为工业强基工程中伺服电机应用项目的示范单位,负责高性能电工钢材料的研制开发，为国内伺服电机制造企业提供满足铁芯加工的高性能电工钢产品。

1 伺服电机对高性能电工钢产品的要求

高牌号无取向电工钢产品作为一种重要的功能性软磁材料，在电机旋转构件的设计中依然遵循着损耗低，磁感应强度高，磁各向异性小，冲片性良好，叠装系数高，绝缘涂层性能好，以及磁时效小等电工钢通用特性。而从需求上，伺服电机更多体现在对高牌号薄规格品种的个性化磁特性要求。依据其工作原理及运行技术特点[1]，从材料研发平台上，初步对应出伺服电机用高性能电工钢产品技术需求如下。

（1）产品小型化、高效化，封闭式运行——材料应力敏感性小，冲制特性优异，层间高绝缘性、自粘结特性（减少铆、扣、栓及焊接所带来的加工区对磁化区的影响）及低损耗低温升；

（2）矩频、变频及脉冲信号控制——材料具备高的最大磁导率、高的饱和磁极化密度指标；

（3）高磁密设计，高响应性要求——材料具有高的初始磁导率，磁化区间较高的磁导率和磁极化密度，抗变形能力强，在高场强、高转速、相对温升、大扭矩等复合应力作用下，能保持高的抗变形能力；

（4）低噪音要求——材料磁化进程快、磁滞伸缩及磁各向同性指标优异等。

高端精密伺服电机在铁芯材料设计上，针对高性能电工钢产品提出了更加严格的综合性能指标及要求。工信厅规函[2018]425号文件中，伺服电机铁芯制造所需硅钢应满足绝缘性能良好、自粘结特性、厚度精度高、屈服性能高、铁损低、磁感高、磁导率高等要求。伺服电机用高性能电工钢产品厚度规格以0.35 mm、0.30 mm为主，其通用技术条件如表1所示。

表1 伺服电机用高性能电工钢的通用技术条件

2 伺服电机专用高性能电工钢生产技术解析

高性能电工钢材料性能取决于冶金工艺下对电工钢成分、组织及晶体结构的控制。以高等级高牌号生产流程和工艺技术为基础，有针对性地进行钢种设计，提升钢质洁净度，加严工艺窗口，对宏观及微观组织进行调控，满足伺服电机基础性能需求；再通过应用技术研究，不断优化冶金生产工艺，满足高端精密伺服电机的发展需求。

2.1 产品设计要点

基于精密伺服电机工作特性及对高性能电工钢材料的要求，产品钢种体系设计选择以硅为主体合金元素。首要考虑因素为提升产品初始磁导率，增加电机铁芯运转响应性；辅以不同含量铝元素进行钢质电阻率的提升，以满足低损耗运转要求；再根据冶金工艺控制能力及铁芯加工特性，进行其它微量合金元素的添加及控制。

优异的电磁性能和磁化特性还体现在钢质洁净度，即对有害元素及残余元素含量的控制，这也是高性能电工钢材料研制及发展的基础[2]。高性能电工钢产品钢质洁净度控制指标如表2所示。

表2 高性能电工钢产品钢质洁净度控制指标（质量分数） %

2.2 工艺流程

伺服电机用高性能电工钢产品在钢铁联合生产企业中，现仍同于高等级高牌号钢的生产工艺流程，即铁水预处理—转炉冶炼—真空精炼—板坯连铸—热轧—常化及酸洗—冷轧—成品热处理及涂绝缘层—综合性能检验—切边分卷—包装入库。

2.3 冶金工艺技术研究

有效控制长流程冶金工艺参数是获得高性能电工钢产品的保障，为此，需进行全系统工序下各工艺技术参数的研究[3]。高性能电工钢产品主要工艺控制技术见表3。

2.4 冶金机理特征研究

冶金材料机理及内禀特性研究是产品开发的基础，可以指导产品在特定工序流程下的工艺设计及优化，伺服电机所需高性能电工钢材料的主要机理研究内容如下。

（1）主体合金及微合金设计，有害及残余元素对组织、磁化进程和磁特性的影响；

（2）冶金凝固及后续加工中组织与晶体结构的形成机制及演变规律；

（3）产品动力学、热力学参数与全流程工艺窗口控制关系；

（4）冶金全流程析出物与夹杂物的演变规律及对宏观、微观组织影响；

（5）高硅热轧板组织与冷轧加工硬化、脆塑性转变、裂纹形成与发展等规律。

表3 高性能电工钢产品主要工艺控制技术

2.5 产品应用技术研究

产品应用技术研究是产品研制过程中不可或缺的关键环节，产业链上下游企业所处平台不一，产品特性关注点不同。只有双方有效技术融合，在诸多矛盾的控制指标中寻求“共性”，才能发挥各自优势，促进产业链整体技术提升。

强基工程“一条龙”应用计划中也提倡上下游企业、研发及设计部门间的合作与推进。为此，需在以下几方面开展应用技术研究，促进产品定型，并结合双方潜在的发展需求及工艺能力相互协作，进行高端产品研制：

（1）产品冲制及加工特性，叠装性能，涂层自粘结工艺，材质加工应力敏感性，变速变转矩条件下功能因子变化等；

（2）不同品种、规格产品磁化特性——不同频率、场强下，磁化进程特性、耐磁偏转特性及铁芯损耗要求等；

（3）信号应答性及步进精度，过载及堵转温升，转速及功率等综合指标的对比分析；电控及铁芯再优化设计及材质磁化特性再改进。

3 鞍钢电工钢现状及伺服电机用钢原型产品性能分析

精密伺服电机所需高性能电工钢材料目前尚未形成相应的产品标准，现高技术领域（智能机器人、高精数控机床、精准注塑机等）往往采用进口专用电工钢产品进行伺服电机的设计及生产。针对其工作特征，拟初期在无取向高牌号薄规格硅钢品种的基础上，进行再设计及优化。

3.1 研究现状及存在的问题

2008年鞍钢高性能硅钢工程一期试验性产线试车，同期开始高牌号产品试制，现基本达到了国标产品牌号全覆盖。但因试验性产线各机组产能的不匹配和当期的产品定位，薄规格产品仅35AW270以下牌号进行了批量生产及市场推广，产品主要应用于变频压缩机制造领域。高级别高牌号系列产品尚未实现量产，0.35 mm规格产品电磁性能及力学性能典型值分别见表4和表5。

表4 0.35 mm规格产品电磁性能典型值

表5 0.35 mm规格产品力学性能典型值

对比同行业宝钢、武钢、太钢及首钢无取向高牌号硅钢品种，鞍钢在高牌号薄规格常规产品品种全覆盖方面及新能源汽车驱动电机专用高频高磁感型、高强型、低铁损型系列产品的起步、研制等方面均存在一定的差距。并且产品涂层方面现仅为半有机薄涂层，与同行业多种涂层类型产品存在明显差异。精密伺服电机用高性能电工钢材料因产品个性化（磁化特征所需）、规格非标准化（如机器人伺服电机）、产品综合质量“高精尖”化等因素限制，尚未形成专用产品的标准体系。

鞍钢常规品种（性能如前所述）与伺服电机行业需求仍存在较大差异，作为此项目中的示范企业，鞍钢在此应用领域更应加快步伐，不再跟随同行业，借此领域产品的研制，提升鞍钢无取向硅钢全系列产品的质量。

3.2 原型产品典型性能指标

针对精密伺服电机对高性能电工钢材料的需求，在高等级高牌号产品研发基础上，进行了两个原型产品的设计及工业试验。限于产品的检测手段，只进行了典型磁性能指标及磁化进程特征的测试分析。原型产品典型电磁性能及力学性能指标情况如表6、表7所示，主要性能指标（P1.5/50）已达到表1标准。

表6 原型产品典型电磁性能

表7 原型产品典型力学性能

结合整体工艺控制偏差，从表6磁性能上分析，产品铁损指标仍有设计调整余地，磁极化密度在成分微调及工艺窗口调整上还有提升空间。表7中力学性能指标上已达到高强磁轭设计要求，有待加工及进行高转速转子组装测试。

3.3 原型产品典型磁化特征

两种原型试验产品铁损曲线及磁化曲线分别如图1、图2所示，测量标准为GB/T3655 2008，密度为7.65 g/cm3。从磁化特征上分析仍未脱离现有高等级高牌号品种体系，对照表1中P1.5指标虽已达到要求，但初始磁导率及最大磁导率性征急需与伺服电机设计人员进行技术交流及铁芯测试验证。

图1 两种原型试验产品铁损曲线

图2 两种原型试验产品磁化曲线

试验工艺上，原型产品磁性指标及磁化特性虽有调整空间，但成分、组织与特定磁化条件下的磁性能关系、与磁化进程关系，仍需深入进行机理及应用技术研究后，有针对性地产品优化、定型及系列化专用品种的研制，以满足高端精密伺服电机需求。

3.4 多种涂层产品技术开发

结合现阶段市场发展及战略用户需求，鞍钢高层间电阻涂层、自粘结涂层已立项研究，自粘结涂层已进入常规用户装机及应用研究阶段，均已为精密伺服电机用高性能电工钢材料的生产做好了技术准备。

4 结语

伺服电机用高性能电工钢产品的研发及定型，仍需上下游企业、设计、研发单位大量的技术投入。其虽属“小众”品种，但关系到国家基础产业发展及智能化进程，关键部件及重点材料国产化，不受限、不被卡、不受制约是各行业领导及研发、设计人员协作创新，努力开拓的目标及动力。

伺服电机种类繁多，应用领域及特性要求各有差异，先期高性能电工钢产品应重点结合用户要求，掌握产品设计要点后再以高端精密伺服电机需求为核心，进行品种的系列化、专业化研制，为此需要做好以下方面的技术准备工作。

（1）充分利用国家部门伺服电机“一条龙”项目推动平台，广泛开展技术交流与合作；

（2）各企业、单位重视，加强技术力量投入及测试装备、研发手段的建设；

（3）在工艺及技术创新的同时，发挥工艺装备能力的潜力，打破常规生产控制理念，以高性能高端产品研发、生产为契机，带动产业能力、操控及技术水平的提升。