取向硅钢阶梯搭接技术在永磁同步电机转子中如何应用？

阶梯式搭接工艺是指钢板一种重叠方式，取向硅钢在电力变压器铁心使用阶梯搭接工艺在工业中很常见。在变压器铁心的制造中，搭接工艺对于磁通的流动和整体性能至关重要。其中，交错搭接作为阶梯式搭接中一种基础形式，因其结构简单而被广泛采用。如图1所示，这种搭接的特点是磁通垂直于晶粒方向进出，因此会在晶粒方向上产生较高的损耗，尽管如此，由于制造成本较低，交错搭接特别适合用于小型变压器。

图1  电机定子采用交错接头（左）和混合接头（右）阶梯搭接技术

在变压器铁心的设计中，斜接是一种优化的搭接方式，将叠片以45度角切割，使变压器铁心的肢片和轭片边缘能够精确对接。这种精确的对接方式为磁通提供了一条顺畅的流动路径，从而在磁通通过晶粒方向时，损耗被降至最低。尽管采用斜接技术会增加一些制造成本，但对于电力变压器而言，由于其设计的主要标准是损耗最小化，因此这种额外的成本投入依然值得。斜接的使用，能够显著提高变压器的能效和性能，尤其在对效率要求极高的应用场景中。

电机转子铁心多由多层硅钢片叠压制成，这些硅钢片沿着轴向依次堆叠。为进一步优化接头设计，来自德国机械工程领域的Bertrandt Ingenieurbüro GmbH公司开发了一种最新的设计理念，使转子的奇数层和偶数层交替堆叠，形成了一种全新的结构布局，如图2所示。尽管这些奇数层和偶数层在几何形状上并不完全相同，但它们之间存在一种镜像关系，特别是在极中心线（橙色标示）处，这种设计使得转子的性能得到了优化。

图2 转子的奇数层和偶数层的设计

图3展示了一种结合使用取向硅钢和无取向硅钢制成的永磁同步电机转子铁心。从图中可以看出，取向硅钢（灰色部分）被嵌入无取向硅钢叠片中。可以清楚地看到，轴向相邻的取向硅钢之间存在一个重叠区域（绿色部分），这就是取向硅钢的阶梯搭接头。

图3 使用取向硅钢和无取向硅钢制成的永磁同步电机转子铁心搭接情况

这种创新的设计思路，使得转子结构有如下优势：

▶  这种设计利用了取向硅钢的特性，即磁通在冷轧方向上的流动阻力较小，使得转子能够在保持相同外径和相同数量硅钢片的条件下，与传统转子相比产生更大的扭矩。这种改进不仅提升了转矩密度和功率密度，还因为取向硅钢相较于无取向硅钢具有更低的铁损，从而有效减少了磁滞损耗和涡流损耗，进一步提高了电机的效率。

▶  电机效率的提升得益于在特定电流条件下能够产生更大的扭矩，且在达到同等扭矩时损耗降低。此外，硅钢片通过轴向的挤压或堆叠，形成了紧密的结构，其间唯一的空隙来自于硅钢片上部分绝缘层脱落，这样的设计既保证了电机的效率，也维持了结构的完整性。

▶  阶梯式搭接方式带来了与变压器相似的优势：它们能够在具有不同取向的多层之间高效地引导磁通线，且磁阻较低。这是因为磁通仅遇到两个轴向相邻硅钢片之间的磁阻和空气间隙，而不是面临更大的空气间隙或更高的磁阻，从而优化了磁通的流动路径，提高了电机的性能。

▶  即使采用了不同几何形状的奇数层和偶数层，转子的结构强度并未受到显著影响。这是因为在转子的无取向硅钢叠片部分“a”和“b”之间（见图4），仍然存在一个结构桥，它能够承受在高速旋转时产生的强大向心力。这样的设计确保了转子的整体一致性不受影响。

图4 变压器步接搭接工艺

此外，这种阶梯式搭接工艺下，接头的面积和几何形状是可以改变的。从图5和图6所示，以v形排列的磁铁数量和冷轧方向也可以改变。

表5 变体（一个磁极）

表6 变体（一个极点）