超薄电工钢片定子铁芯制造过程的尺度效应及控形控性方法

Ultra-thin non-oriented electrical steel sheet is the key soft magnetization material for the manufacturing of electrical motor of new power source vehicle. It has significant size effect due to its coarse grain size, ultra-thin thickness and small punching features. The commonly used manufacturing technology ignoring the size effect deteriorated the magnetic properties seriously and decrease the assembly accuracy. This proposal focuses on the key issues of material size effect, and also heat & mass transfer accumulation during punching and welding process for multi-layer ultra-thin electrical steel sheets. Firstly, the size-scale related constitutive model and fracture criteia are established. Then the numerical modeling method for punching of ultra-thin electrical steel sheet are proposed, and that of micro-contact , non-uniformly heat transfer and welding deoformation are also modeled for multi-layer electrical steel sheets. The plastic flow and fracture behavior during manufacturing process are accurately predicted based on the numerical models. By introducing the manufacturing effect into the magnetic properties prediction and evaluation models with mechanics-thermal-electricity-magnetic-coupled method, the deterioriation mechanism of manufacturing effect on the magnetic properties are discovered. At last, the control method on both dimensional and magnetic properties are systematically constructed at different size scales. The interrelationship among shear fracture, punching deformation, welding seam and microstructures at different manufacturing conditions are analyzed to comprehensively control the manufacturing accuracy and magnetic properties for multi-scale conditions.

超薄无取向电工钢片是定子铁芯制造的重要软磁材料，由于其晶粒尺寸大、厚度薄、冲裁特征尺寸小，表现出明显的尺度效应。忽略尺度效应的传统制造工艺加剧了定子铁芯电磁性能的恶化，制造精度差。本项目围绕“超薄电工钢片材料尺度效应及多层超薄电工钢片多接触界面间的传热传质特性”这一科学问题，建立尺度相关材料本构模型和断裂分离失效准则，提出大晶粒尺度下超薄电工钢片冲裁变形以及多层电工钢片焊接过程的微接触、不均匀传热和焊接变形累积的仿真建模方法，精确预测超薄电工钢片定子铁芯制造过程中材料流变特性及断裂行为。引入冲裁、焊接等制造效应，建立电工钢叠片电磁性能预测和评价的力、热、电、磁多场耦合模型，揭示电磁性能劣化效应的产生机理；建立多场耦合多尺度效应下成形成性一体化调控方法，揭示不同制造工艺条件下电工钢片剪切断裂、冲裁变形、焊缝形貌及组织结构的相互作用机制，实现面向不同尺度的铁芯制造精度与电磁性能的综合控制。

随着电机性能要求的提高，超薄无取向电工钢作为定子铁芯的核心磁性功能材料，具有薄规格化、大晶粒化的尺度特征，其铁芯制造工艺特征表现出明显的尺度效应。忽略尺度效应的传统制造工艺加剧了定子铁芯电磁性能的恶化，制造精度差，因而通过控制制造工艺过程来降低电机磁性能损耗已成为电机产业发展的重要突破口。本项目围绕“超薄无取向电工钢定子铁芯制造过程多尺度形性协同与电磁性能综合调控”这一科学问题，针对超薄电工钢片定子铁芯制造工艺过程的尺度效应及磁性能劣化机理进行深入研究。首先，本项目从磁滞特性和涡流损耗两方面出发，重点针对制造过程中引入的残余应力、塑性应变及绝缘特性变化来开展叠片磁性能劣化机理研究，建立了考虑制造效应的电工钢材料电磁性能劣化机理模型。然后，本项目针对超薄电工钢材料的本征尺度特征和冲裁过程的工艺条件尺度特征进行尺度效应建模和实验研究，一方面建立了考虑综合尺度效应的材料本构模型和考虑晶粒尺度效应的断裂评价准则，并通过建立Voronoi随机算法的晶粒几何结构仿真模型来预测和分析材料冲裁过程中的变形和断裂行为，进而提出考虑晶粒尺寸的最优冲裁间隙仿真确定方法；另一方面开发了精密柔性冲裁试验平台系统地开展了不同板厚、晶粒尺寸、间隙的冲裁实验，获得板材厚度与晶粒尺寸对冲裁质量影响规律，同时验证了晶粒特征的微观力学有限元模型的准确性。其次，本项目针对焊接过程中的多界面间传热问题，设计采用基于接触单元的“生-死”导热属性的界面演变算法，精确描述电工钢叠片多界面动态传热行为；并且建立了考虑界面演化行为的激光焊接过程热力耦合有限元仿真模型，获得了多界面熔化特性、温度场分布及波动特性、焊缝形貌与残余应力演变规律等。最后，本项目基于建立的理论模型及实验平台，确定了面向形性综合调控的晶粒尺度相关冲裁最优间隙确定经验性方程和激光焊接工艺窗口，并成功应用于新能源汽车驱动电机制造。