电机制造工艺的重要环节：铁心冲片详解以及中国电机市场分析

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一、冲片的类型

为了便于研究电机铁心的结构与工艺，按冲片的形状分为圆形冲片、扇形冲片和磁极冲片。

1. 圆形冲片

图1～4是交流电机定、转子冲片和直流机电枢冲片。电工钢板的最大宽度为1200mm，考虑冲制时的加工余量，整圆冲片的直径Φ≤1180mm。

图1 小型异步电动机定子冲片

图1所示为小型异步电动机定子冲片，其外圆冲有鸽尾槽，以便在铁心装压时安装扣片，将冲片紧固成整体。

图2所示为小型异步电动机转子冲片。转子冲片轴孔有键槽（其角起标记作用）和平衡槽。平衡槽为了减少转子不平衡量而设

图3所示是中型交流电机内装压结构的定子冲片，是直接叠压在机座内的整圆冲片。

图2-所示是直流电机电枢冲片，带有轴向通风孔（交流电机也有此结构冲片）。这种电枢冲片的槽口没有装置槽楔的小沟，而是一台铁心中有两种不同直径的冲片，直径较小的冲片设置在一定位置，嵌线后在小直径铁心段上绑扎非磁性钢丝或无纬玻璃丝带，以紧固垫条或绕组。

2. 扇形片

汽轮发电机、水轮发电机及其他大中型电机的铁心直径超过1180mm时，均需采用扇形冲片。考虑材料利用及现有设备状况，有的小型电机定子铁心也采用扇形片结构。

1）定子扇形冲片

这种冲片虽外形为相似的扇形，但因其叠压方式不同而有多种不同外观形式。常见的两种定子扇形冲片，如图5所示。

2）旋转扇形冲片

转子铁心直径大于1180mm时，采用扇形冲片拼装。图6所示为偶数槽转子扇形冲片（α为相邻两槽间夹角，ｚ为每张扇形片的槽数）。图7为奇数槽转子扇形片。图8所示为常用的三种旋转电枢扇形片结构。

3. 磁级冲片

磁级冲片一般选用较厚的（1～2mm）A3或16Mn钢板冲制，图9a为直流电机的一种主磁极冲片，b、c为旋转磁极冲片，d、e为涡流制动器磁极冲片

二、冲片的技术要求

1. 尺寸精度冲片上有多种尺寸，可以归类为“内部尺寸”和“配合尺寸”两种。内部尺寸如槽形尺寸，通风孔、标记槽以及磁极冲片上的孔径尺寸等，一般采用H10，更高的精度等级是没有必要的，因为冲片叠压后，里出外进所造成的误差，远大于冲片本身的误差。冲片内圆、外圆以及轴孔等与其他零件配合的“配合尺寸”，精度等级的选择与所采用的加工工艺有关。

中小型异步电动机定子冲片内外径尺寸精度与其装压方式有关。一般外装压定子冲片，内径一般采用H8，外径精度又与保证定子同轴度的工艺方案有关。

1）“光外圆”方案中冲片外径留有0.5mm加工余量，其精度为H8或H9。

2）“两不光”和“光止口”方案冲片外径的公差，按冲片和铁心的精度确定，由于铁心装压后，外径尺寸趋于增大。因此，冲片外径公差的上限值比相应的铁心外径的上限值小0.035～0.045mm（直径小的取0.035mm），其下限一般按H7公差确定。表1列出了JO2系列外装压小型异步电动机定子冲片及铁心外径公差。

内装压定子冲片一般外径采用H7，内径采用H8。表2列出了内装压定子铁心内径公差。

2. 冲片毛刺

1）定子冲片一般控制在0.05mm以内。对于复式冲个别部位（长度在30mm左右）控制在0.12mm以内，但应去毛刺处理，处理后应在0.08mm以内。

2）转子冲片毛刺控制在0.07mm以内，个别槽形部位不允许大于0.10mm。

3）对于涂漆后进行冲制的冲片，毛刺不得大于0.05mm。

3. 冲片翘曲

冲片经冲制后将出现不同程度的翘曲，单槽冲制的冲片翘曲值较大，特别是闭口槽的转子冲片，单槽冲制后，翘曲较严重，冲片外径在230mm以下者不允许超过2mm，230mm以上者不允许超过3mm。

4. 冲片内圆或轴孔与外圆的同轴度内外圆一次冲制时，一般控制在0.04～0.06mm以内，当内外圆两次冲制时，其同轴度应当适当放宽。

5. 冲片槽齿分布不均匀度（或称大小牙）即最大与最小齿宽度之差，应符合图纸及有关工艺文件的规定，如无明确规定，可参考表3中3级或4级精度检验。

有的工厂规定流动大小齿之差不超过0.12mm，固定大小齿之差不超过0.2mm。

6. 槽中心线应通过圆心，不应有明显的歪斜现象，检查时将正反两片的轴孔（或外径）对齐，以槽根的一端对齐后两片齿间的距离不大于0.8mm。

7. 冲片表面绝缘层应薄而均匀，有足够的介电、耐油、防潮及附着性能。

本田发布无稀土电机,中国车企该着急了？

电机制造工艺的重要环节 铁心冲片详解

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一、冲片的类型

为了便于研究电机铁心的结构与工艺，按冲片的形状分为圆形冲片、扇形冲片和磁极冲片。

1. 圆形冲片

图1～4是交流电机定、转子冲片和直流机电枢冲片。电工钢板的最大宽度为1200mm，考虑冲制时的加工余量，整圆冲片的直径Φ≤1180mm。

图1 小型异步电动机定子冲片

图1所示为小型异步电动机定子冲片，其外圆冲有鸽尾槽，以便在铁心装压时安装扣片，将冲片紧固成整体。

图2所示为小型异步电动机转子冲片。转子冲片轴孔有键槽（其角起标记作用）和平衡槽。平衡槽为了减少转子不平衡量而设

图3所示是中型交流电机内装压结构的定子冲片，是直接叠压在机座内的整圆冲片。

图2-所示是直流电机电枢冲片，带有轴向通风孔（交流电机也有此结构冲片）。这种电枢冲片的槽口没有装置槽楔的小沟，而是一台铁心中有两种不同直径的冲片，直径较小的冲片设置在一定位置，嵌线后在小直径铁心段上绑扎非磁性钢丝或无纬玻璃丝带，以紧固垫条或绕组。

2. 扇形片

汽轮发电机、水轮发电机及其他大中型电机的铁心直径超过1180mm时，均需采用扇形冲片。考虑材料利用及现有设备状况，有的小型电机定子铁心也采用扇形片结构。

1）定子扇形冲片

这种冲片虽外形为相似的扇形，但因其叠压方式不同而有多种不同外观形式。常见的两种定子扇形冲片，如图5所示。

2）旋转扇形冲片

转子铁心直径大于1180mm时，采用扇形冲片拼装。图6所示为偶数槽转子扇形冲片（α为相邻两槽间夹角，ｚ为每张扇形片的槽数）。图7为奇数槽转子扇形片。图8所示为常用的三种旋转电枢扇形片结构。

3. 磁级冲片

磁级冲片一般选用较厚的（1～2mm）A3或16Mn钢板冲制，图9a为直流电机的一种主磁极冲片，b、c为旋转磁极冲片，d、e为涡流制动器磁极冲片

二、冲片的技术要求

1. 尺寸精度冲片上有多种尺寸，可以归类为“内部尺寸”和“配合尺寸”两种。内部尺寸如槽形尺寸，通风孔、标记槽以及磁极冲片上的孔径尺寸等，一般采用H10，更高的精度等级是没有必要的，因为冲片叠压后，里出外进所造成的误差，远大于冲片本身的误差。冲片内圆、外圆以及轴孔等与其他零件配合的“配合尺寸”，精度等级的选择与所采用的加工工艺有关。

中小型异步电动机定子冲片内外径尺寸精度与其装压方式有关。一般外装压定子冲片，内径一般采用H8，外径精度又与保证定子同轴度的工艺方案有关。

1）“光外圆”方案中冲片外径留有0.5mm加工余量，其精度为H8或H9。

2）“两不光”和“光止口”方案冲片外径的公差，按冲片和铁心的精度确定，由于铁心装压后，外径尺寸趋于增大。因此，冲片外径公差的上限值比相应的铁心外径的上限值小0.035～0.045mm（直径小的取0.035mm），其下限一般按H7公差确定。表1列出了JO2系列外装压小型异步电动机定子冲片及铁心外径公差。

内装压定子冲片一般外径采用H7，内径采用H8。表2列出了内装压定子铁心内径公差。

2. 冲片毛刺

1）定子冲片一般控制在0.05mm以内。对于复式冲个别部位（长度在30mm左右）控制在0.12mm以内，但应去毛刺处理，处理后应在0.08mm以内。

2）转子冲片毛刺控制在0.07mm以内，个别槽形部位不允许大于0.10mm。

3）对于涂漆后进行冲制的冲片，毛刺不得大于0.05mm。

3. 冲片翘曲

冲片经冲制后将出现不同程度的翘曲，单槽冲制的冲片翘曲值较大，特别是闭口槽的转子冲片，单槽冲制后，翘曲较严重，冲片外径在230mm以下者不允许超过2mm，230mm以上者不允许超过3mm。

4. 冲片内圆或轴孔与外圆的同轴度内外圆一次冲制时，一般控制在0.04～0.06mm以内，当内外圆两次冲制时，其同轴度应当适当放宽。

5. 冲片槽齿分布不均匀度（或称大小牙）即最大与最小齿宽度之差，应符合图纸及有关工艺文件的规定，如无明确规定，可参考表3中3级或4级精度检验。

有的工厂规定流动大小齿之差不超过0.12mm，固定大小齿之差不超过0.2mm。

6. 槽中心线应通过圆心，不应有明显的歪斜现象，检查时将正反两片的轴孔（或外径）对齐，以槽根的一端对齐后两片齿间的距离不大于0.8mm。

7. 冲片表面绝缘层应薄而均匀，有足够的介电、耐油、防潮及附着性能。

本田发布无稀土电机,中国车企该着急了?

作者：新车新技术

7月12日，臭名昭著的南海仲裁案做出“最终裁决”当天，本田向外界宣布，其已经成功研制出无需依赖重稀土元素的驱动电机。

本田选在这一天发布这项声明，表面上与南海危机毫不相干，但背后这家公司极有可能是有意为之。因为本田新电机技术的关键点，是不再依赖重稀土，这也就意味着，未来本田发展新能源车将不用再时刻受到中国的掣肘。

看不明白？我们就从六年前的钓鱼岛危机说起。

什么土，曾让日本车企抓狂？

△被日本舰艇夹击的中国香港保钓船

业内提到2010年9月份的中日钓鱼岛事件，很多都会想到之后几年里日系车在中国遭受的销量颓势，实际上，当时对日本车企打击最大、影响最深远的并非一时的销量业绩，而是中国政府出台的削减稀土出口配额的政策。

稀土，顾名思义的话，不过是稀有的土，实际上它是一种稀有的金属元素，是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称。这种材料在当今时代应用范围极广，石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料都能看到它们的身影，有着“工业维生素”的称号。

而在汽车行业，稀土所扮演最关键的角色，便是作为永磁材料。用在什么地方呢？就是当今丰田、本田所擅长的混动车中的驱动电机，以及其它车企的插混、纯电动车驱动电机。永磁铁是这些汽车驱动电机中必不可少的部件，而稀土则是制作永磁铁必不可少的材料。

△永磁同步电动机

实际上，稀土的重要作用并不仅仅体现在民用产品，很多高精尖的军事武器如果离开了稀土，都会失去作用。战斗机发射的激光制导炸弹、军舰发射的巡航导弹以及美国最先进的隐形战机，都大量使用了从中国进口的稀土材料。

幸运的是，如此重要的稀土，在我们国土上有着庞大的储量，当今全球稀土总产量中，中国占的比重高达80%以上（一说90%以上）。科技发达的国家，不管是日本、美国还是欧洲，都是中国稀土资源的大客户。

△钓岛危机后镝（红线）与钕（蓝线）的价格趋势

正如中东国家曾发起三次石油危机一样，稀土在中国手中也是一个非常有力的武器，而我们第一次认真使用这项武器，便是在2010年的钓鱼岛危机之后。2010至2011年期间，中国的稀土出口配额削减了七成以上，同时稀土的价格也飙升了数倍以上，让丰田、本田、日产等依赖稀土的车企产生了巨大的危机。

钓鱼岛风波逐渐平息之后，中国的稀土出口量逐渐恢复，价格也慢慢回落到接近危机前的水平，但这件事情让日本车企及相关的其它产业意识到，过于依赖中国的稀土是有风险的。正是从那时开始，这些日本车企都下定决心，寻找不再依赖稀土的新技术。

本田示威中国的新技术，到底是啥？

先看看本田在声明中的表述：

7月12日，大同特殊钢（DaidoSteel）与本田一同宣布，两家公司首次实现了不依赖重稀土元素的磁铁电机，这款电动机采用了具有高耐热性和强磁性、且完全不含有重稀土成分的钕（nǚ）磁铁，其扭矩输出、耐热性等指标均达到了和传统电动机相同的性能。

从这段声明可以看出，本田是同供应商大同特殊钢一同研发的新电机技术，技术核心是在保证耐热性、强磁性及扭矩输出的前提下，通过钕磁铁摆脱了对重稀土的依赖。这里我们首先要注意到“重稀土”的描述，钕本身也是稀土元素，但和传统电动机中采用的镝（dí）和铽（tè）不同，钕属于轻稀土，而后两者属于重稀土。

既然都是稀土，本田依然依靠钕，岂不还要看中国政府的脸色？并非如此。中国虽然在稀土产出中占比很大，但澳大利亚、巴西、印度、斯里兰卡也都是稀土出口国，钕这种轻稀土材料可以比较轻松地在这些国家获取。也就是说，如果本田的钕磁铁确实能够在成本与性能上媲美传统磁铁，其将来在混动车方面确实可以大大减轻对中国的依赖。

不过，这里要注意的是，本田的钕磁铁技术是准备用在混动车型中，首款搭载的将是今年秋季上市的新一代Freed混动版。这款车与飞度共平台，搭载本田的i-DCD混动系统，未来其它本田的混动车型也将陆续换装新的钕磁铁电机。

△本田钕磁铁电机

假设这款新的钕磁铁电机确实能够在混动车中发挥良好的作用，但并不意味着插混或者纯电动汽车也能采用这种技术。因为与混动车型不同，插混或纯电动汽车的电机功率要大得多，而这又依赖于有着较高磁扭矩的磁铁材料，且这些车型的很多电机是直接安装在车轮上的，对体积要求非常高。目前通过较小的体积获得较大的磁力，最理想的材料依然需要重稀土元素。

目前本田的新能源车主要方向是混动车，即便这项技术能够满足本田近期的需求，将来纯电动汽车或插混车型份额扩大时，本田或其它日本车企能否研制出与传统电机性能、效率相当的技术，还很难说。

摆脱稀土，努力的不止日本人

日本车企近几年发力研究摆脱稀土的技术，主要是在钓鱼岛危机中看到风险之后才开始的。实际上，在更早的时候已经有人做出了这方面的努力，因为稀土除了资源紧俏、成本较高之外，自身的表现也并非完美无缺。

例如在零负载情况下，基于永磁电动机可能产生cogging（卡齿）现象，这是源自于电机转动中产生的扭矩波动，严重时会影响电机的平滑转动。具体的表现就是产生噪音。此外，稀土资源的开采与提取过程都会对环境产生危害。

△特斯拉直流感应式电机

率先采用无稀土电机的一个典型例子，是特斯拉。

传统驱动电机中所采用的磁铁，是依靠重稀土元素实现的强力永磁铁，因此这种电机被称为永磁电机。与之不同的是，特斯拉从第一款电动车Roadster开始，就采用了无需稀土元素的另一种方案——直流感应电机，更详细点说，是鼠笼式铜转子感应电机。实际上，丰田在美国推出的第二代RAV4电动版中，就借用了特斯拉的这种感应电机。

感应式电机中不含永磁铁材料，它们通过引导电机转子中导体的电流来进行运转，这些电流反过来会在转子中产生磁场，从而产生扭矩。这样一来，当关掉开关之后，电动机就不会产生电压或电流，从而避免了损耗及cogging扭矩。通过先进的控制技术，这种电机可以实现很高的性能。

△大陆绕线转子同步电机

绕线转子电机，是另一种无需稀土的方案，这种电机中，交流旋转磁场被作用在定子电机绕组上（这点同感应式电机和永磁式电机相同）。铜绕组代替了转子中的永磁铁，通过定子部位的绕组线圈中的电流产生磁场，这样一来，就需要一个装置来将定子与转子之间连通起来，这个装置就是集电环。集电环是一个导电旋转的环，上面安装了静止不动的碳刷，用来提供导电通路。

不过，这个装置缺点是，当碳刷随着时间的不断损耗，集电环的可靠性也受到影响。碳刷的损耗会在电机中产生积碳，并导致出现电路故障。解决这个问题，可以通过目前一些智能手机的无线充电类似的电传输系统，但这种技术目前尚未成熟，且效率可能并不高。目前雷诺通过与德国大陆集团的合作，在Fluence及Zoe等车型中采用了这种绕线转子电动机。

开关磁阻电机，是利用所谓的磁阻来产生扭矩的原理。由于磁通量有着沿最小磁阻通过的性质:“磁通总是沿着磁导最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁扭矩”，同时“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”，因此会产生磁阻扭矩。

这种方案被证实有着很低的成本以及很强的扭矩密度，其性能同当前现有的稀土磁电机非常接近。不过它的问题是容易产生很强的扭矩波动，和其它电动机相比也有着更高的噪声，对于电动汽车而言目前并不适用。但通过优化控制系统与电机的设计，将来这些负面因素可能得到减轻。

△i3混合式电动机结构示意图

其它车企的努力方向则是尽量减少对于稀土的应用，这方面投入实用的一个例子是宝马的i3电动车。这款车搭载的电机为混合式电动机（hybrid motor），原理是在凸极转子结构中加入少量的磁材料，并采用高凸极转子拓扑，从而通过大约1千克的磁铁实现了250 N·m的扭矩和125kW的功率。

哪种技术会成为主流？

那么，看到这里大家都会问，以上几种无需稀土或减少稀土应用的技术方案中，谁才有可能成为主流呢？其实，这个问题本身可能就是有问题的，就像当前的燃油动力系统中，汽油、柴油、涡轮增压、自然吸气都长期共存，虽然不同的方案有着不同的优缺点，但每个方案可能都有着足够的生存空间。

△基于铁氧体磁铁的驱动电机

在上述几种电动机方案中，铁氧体磁铁及开关磁阻电机在大规模生产时的成本最低，但厂商需要注意的是，尽量避免电力电子转换器及电池等系统部件中的额外成本，且两项技术目前都没有经过实际验证。每项技术都有着自己的优缺点，但它们也都有投入大规模实用的潜力。

稀土磁铁在未来很长时间预计还会扮演非常重要的角色，特别是在电动汽车中，每个车轮都需要安装一个独立的电机，这就对扭矩密度提出了非常高的要求。

△钕铁硼磁铁与驱动电机

当前基于钕铁硼的稀土磁铁依然是电动与混动车最广泛使用的技术，其极高的扭矩密度使得电动机可以实现较小的体积与重量，同时提供很高的效率。尽管如此，鉴于稀土的成本以及供应的不确定性，人们一定会努力探索其它解决方案。

雷诺与特斯拉已经分别应用了绕线转子电动机和感应式电动机，均摆脱了稀土磁铁。而磁阻电机与铁氧体技术将来有可能实现更高性能的驱动电机。

中国车企高枕无忧？

看到这里，大家可能会想到这样一个问题：国外车企努力研发各种无需稀土的电机技术，主要是担心中国稀土的供应是否会持续稳定。这样一来，中国本土车企是不是就天然避开了这个问题，以后岂不是可以继续在基于稀土的电机方案上占尽优势？

短期来看，确实如此。但我们也要明白，在上世纪90年代以前的数十年中，全球最大的稀土产出国不是中国，而是美国，中国大规模开始开采稀土，是在上世纪80年代末、90年代初才开始的。

也就是说，其它国家（特别是美国）并非没有稀土资源，只是因为种种原因（环保、成本、战略安全等）逐渐停止了开采。当市场需求足够强时，中国的稀土资源并非独一份。

△稀土开采“后遗症”

另外，目前来看，基于稀土的永磁铁电机虽然是最好的方案，但它本身并不完美，缺点包括原材料成本高、有一定的环境污染且在使用时有噪音大等缺点。而国外车企正努力研发的其它方案，虽然有的并不成熟、有的局限性高，但目前也都取得了可观的进展，特斯拉的感应式电机以及本田新公布的钕磁铁电机就是例子。

所以，长远来看，本土车企如果继续依赖基于稀土的永磁铁电机，将来同国外车企在新能源汽车时代的技术差距可能越来越大。而目前我们在这些比较新的技术研发中，已经被甩在了后面。

最后说两句

本田在南海危机时公布自己的新电机技术，确实有着向中国示威的嫌疑。但在两国竞争、甚至对抗的情况下，这种示威的效果比起我们在键盘后面的激昂口号要好得多。我们也不必在局势紧张时就高喊抵制日货、抵制美货，自身足够强大的，从来不用抵制。

吉利在直播拆解博瑞时，在旁边放了一台雅阁做对比，反倒让我第一次看到中国车企的自信。

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