專利名稱：一種電機用非晶合金定子鐵芯的制造方法
技術領域：
本發明屬于電機的磁路零部件領域，具體涉及一種電機用高性能非晶合金定子鐵芯的制備方法，該定子鐵芯尤其適用于高頻電機。
背景技術：
目前越來越多的應用領域對電機的性能提出了更高的要求，例如航空航天、電動汽車、機器人、高速壓縮機、高速飛輪儲能、渦輪分子泵、高速機床、高速紅外掃描儀、高速離心分離機等應用領域，不僅要求電機具有高功率密度或者高轉速，還要求電機同時具有高效率。我們知道要實現電機的高功率密度或者高轉速必須提高電機的頻率，然而隨著電機頻率的提高電機的鐵芯損耗將會急劇增加，嚴重影響電機的效率。顯然傳統的硅鋼疊片 鐵芯不能滿足新型高頻高效電機的要求，非晶合金和硅鋼材料相比具有高磁導率、低損耗的特性，可以在聞頻電機中取代娃鋼鐵芯實現電機的聞效率。1998年6月美國Honeywell公司的發明專利W099/66624公開了一種高效徑向磁通電機的非晶金屬定子，該定子用不同長度的帶材疊加成弧形或C形，然后浸漆固化成帶有向內徑方向的齒狀定子。這種方法形成的定子結構在離散的非晶態金屬薄片之間包含大量的氣隙，因此增加了磁路的磁阻和運行電動機所需要的相應的電流。2004年日本日立公司(Hitachi)的發明專利US6737951B1公開了一種非晶定子鐵芯加工方法，該方法是將非晶帶材進行疊加，浸漆固化后再切割成一面甚至兩面具有弓形面的多面體非晶塊體，然后將這些非晶塊體重新排列構成完整的定子鐵芯。這種方法制作的鐵芯元件和相同規格的硅鋼元件相比，在效率方面具有更優異的性能，但是在每兩塊多面體非晶塊體的拼接處都存在著氣隙，在一定程度上影響了鐵芯的性能。2004年美國梅特格拉斯公司的發明專利W02004/070740公開了光刻蝕刻法切割疊片制備非晶鐵芯定子的方法。該方法工藝復雜、效率低、成本高，適合制作形狀復雜的小尺寸鐵芯。2008年安泰科技股份有限公司的發明專利CN101286676A公開了一種徑向非晶合金定子鐵芯的制備方法。該方法制備包括如下步驟將相同長度的非晶合金片堆疊成具有預定厚度的非晶合金片層疊體，對所述層疊體進行退火，再將退火后的所述非晶合金片層疊體進行浸漆、固化處理，最后切割成預定形狀和尺寸的定子鐵芯。該方法制備的非晶鐵芯性能較硅鋼鐵芯性能明顯提高，為非晶電機的批量生產奠定了技術基礎。以上電機鐵芯的制備工藝中，非晶薄片之間的連結都使用了浸漆后固化的粘接工藝。后續的定子切割和電機組裝過程都要求疊片間具有較高的粘接強度，然而粘接強度越高在非晶合金鐵芯中引入的應力越大，而非晶合金材料對應力非常敏感，這必然導致非晶定子鐵芯在可用磁通密度、磁導率和鐵芯損耗等方面的性能較非晶材料的性能明顯下降。因此非常有必要尋找一種新的電機用非晶合金定子鐵芯的制備方法，這種方法既要使非晶合金在高頻下優異的軟磁特性得以保留，又要適合非晶合金鐵芯的高效批量生產，從而滿足高頻高效電機日益增長的市場需求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種電機用高性能非晶合金定子鐵芯及其制備方法，該非晶合金定子鐵芯具有高磁導率和低損耗等優異的軟磁特性，并適合高效批量生產，以滿足聞頻聞效電機對聞性能定子鐵芯的需求。為了達到上述目的 ，本發明提供了如下技術方案一種電機用非晶合金定子鐵芯的制備方法，包含如下步驟a.橫向切割非晶合金帶材，得到多個形狀相同的矩形非晶合金片；b.將多個矩形非晶合金片堆疊為疊片體，在疊片體的兩端各放置一片和矩形非晶合金片形狀相同的固定板；c.對帶固定板的非晶合金疊片體進行壓實處理，并用卡具夾緊固定，然后對其進行整體切割，得到所需形狀和尺寸的非晶合金定子鐵芯，并在上述鐵芯上加工出用于機械固定的小孔或者槽；d.在所述小孔或者槽中穿入固定條，把固定條的兩端與所述非晶合金疊片體兩端的固定板固定在一起，形成完整的非晶合金定子鐵芯；e.對所述非晶合金定子鐵芯進行整體退火處理。所述定子鐵芯的材料選自鐵基、鐵鎳基、鈷基的非晶或者納米晶薄帶。所述固定板和固定條的材料選自鐵、鋁、銅、鈦及其合金，陶瓷、有機硅樹脂、尼龍、碳纖維。所述固定板和固定條的材料優選無磁不銹鋼。步驟c中的切割方法為電火花切割、火焰切割、等離子切割、激光切割、水切割和化學腐蝕切割中的一種。所述非晶合金定子鐵芯的整體退火處理是在氮氣或者氬氣的保護氣氛下，且在加磁場的條件下完成，退火溫度在300-560°C之間，保溫時間為0-5小時，強度20—500mT，磁場方向為沿鐵芯圓周方向。在切割非晶合金片的步驟之前，對非晶合金帶材進行至少一次絕緣涂層處理如下將成卷的非晶合金帶材由支承軸導入浸液槽，支撐軸浸沒在浸液槽中的絕緣涂層液中，然后經刮液板除去多余的絕緣涂層液，經過穿過干燥熱風的加熱管進行干燥，加熱管中的干燥溫度為150°C。絕緣涂層液的成分選自(I) 5% (wt. %) SiO2納米粉、90% (wt. % )的乙醇和5%(wt. % )的去離子水的混合物；(2)8% (wt. % )的正硅酸乙醋、87. 999% (wt. % )的酒精、4% (wt. % )的去離子水和0. 001% (wt. % )的鹽酸的混合液；(3)6% (wt. % )的MgO細粉、90% (wt. % )的乙醇和4% (wt. % )的去離子水的混合物。在步驟c壓實處理后，疊片體的疊片系數在0. 85 0. 98之間。該鐵芯的軟磁性能為勵磁強度在100A/m時磁通密度Bltltl為I. 40T以上，初始磁導率^為6000以上，最大磁導率50000以上；磁通密度B為I. 0T、頻率f為800Hz時損耗P為8. 023W/kg。本發明的有益效果在于
(I)本發明公開的非晶定子鐵芯制備方法省去了浸漆和固化工藝，只需一次切割成形和一次熱處理，就可以制備出磁性能和機械性能優異的非晶合金定子鐵芯，縮短了生產流程、節省了生產成本，使非晶定子鐵芯的生產更加環保節能；(2)本發明公開的非晶定子鐵芯制備方法采用機械法對各非晶薄片疊體進行層間固定，取代以往的非晶合金片層間粘接的固定方法，使非晶定子鐵芯的機械穩定性得到了保證，避免了因粘接不牢固而造成的層間開裂導致鐵芯損壞等問題；(3)本發明公開的非晶定子 鐵芯制備方法不使用粘結劑進行層間粘接，因而不會在非晶合金鐵芯內部引入粘接應力，避免了因粘結應力的存在而導致非晶合金鐵芯軟磁性能大幅度下降；(4)使用本發明所公開的方法制備的非晶定子鐵芯層片間不使用粘結劑，在鐵芯制備過程中如果使用電火花法加工，將使加工效率更高、加工面更加整潔平滑；(5)使用本發明所公開的方法制備的非晶定子鐵芯層片間不使用粘結劑，所以可以對加工成形的非晶合金定子鐵芯進行整體退火，進而可完全消除加工過程在非晶合金定子鐵芯中引入的各種應力，使非晶合金優異的軟磁性能得以最大程度的體現；(6)相比層間浸漆粘結方法制備的非晶合金定子鐵芯，使用本發明所公開的方法制備的非晶定子鐵芯損耗更低、磁導率更高，所以使用該非晶定子鐵芯的電機具有低溫升、高效率的優勢，尤其是在高頻下使用優勢更加顯著，因此本發明更適合應用于高轉速電機和高功率密度電機。(7)該鐵芯具有優異的軟磁性能勵磁強度為100A/m時磁通密度B■可達I. 40T以上,初始磁導率Ui可達6000以上，最大磁導率Uni可達50000以上，經涂層的非晶合金鐵芯損耗不到硅鋼鐵芯損耗的1/7，例如當磁通密度B為I. 0T、頻率f為800Hz時損耗P僅為 8. 023ff/kgo
圖I為本發明所述非晶合金疊片體示意圖；圖2為單片非晶合金片的示意圖；圖3為切割成形后將非晶合金切片固定成非晶合金定子鐵芯的過程示意圖；圖4為不同種類鐵芯在磁通密度為B = I. OT時損耗隨頻率變化的曲線圖(圖中I表不娃鋼鐵芯、2表不粘結法制備的非晶合金鐵芯、3表不機械固定法制備的非晶合金鐵芯、4表示先涂層再使用機械固定法制備的非晶合金鐵芯)；圖5為對非晶合金帶材進行絕緣涂層的設備示意圖。附圖標記I 非晶合金片2 固定板3 小孔4 固定條5 非晶合金帶材6 支承軸7 浸液槽8 刮液板9 加熱管10 支承軸11 支承軸12 浸液槽13 刮液板14 加熱管
15 支承軸16 非晶合金帶材卷
具體實施例方式根據本發明的制備方法，首先使用橫剪機等常規的切割裝置對成卷的非晶合金帶材進行橫向切割，以形成厚度為預定長度且形狀相同的非晶合金片I。對非晶合金帶材和得到該非晶合金帶材的方法沒有特別的限制。然后，對所得到的形狀相同的非晶合金片I進行整理疊片，在疊片體兩端各放置一片和非晶合金片形狀相同的固定板2。使用壓緊設備對非晶合金疊片體進行壓實處理，根據所需疊片系數的要求所加壓力一般在I 15MPa之間，保壓時間沒有要求，疊片系數一般控制在0.85 0.98之間。為了防止壓實的非晶合金疊片體松散，需要使用卡具，卡具的類型沒有具體要求，能保證壓實的非晶合金疊片體不松散即可，對其進行夾緊固定，從而形成
了兩端有固定板2保護的具有預定厚度的非晶合金疊片體，如圖I所示。根據預定形狀和尺寸對所述的非晶合金疊片體進行切割，形成所需形狀和尺寸的非晶合金定子鐵芯，且所述鐵芯具有用于固定的小孔或者槽3，如圖2所示。對于鐵芯的切割工具及方式沒有特別的限制，可以采用電火花切割、水切割、等離子束切割以及激光切割等方式。接下來，沿定子軸向對合金定子鐵芯進行機械固定。在上一步加工出的小孔或者槽3中穿入固定條4，并把固定條4的兩端與非晶合金疊片體兩端的固定板2固定在一起。對于機械固定方法不做特別限制，可以通過鉚釘或者焊接等手段。最后是對加工完整的非晶合金定子鐵芯進行退火處理。退火的目的是消除加工過程中在非晶合金定子鐵芯中引入的應力和提高鐵芯的軟磁性能。退火溫度一般在300-560°C之間，保溫時間一般為0-5小時。所述退火處理可以在氮氣或者氬氣等保護氣氛中完成，也可以且在加磁場的條件下完成，磁場強度在20-500mT之間，磁場方向為沿鐵芯圓周方向。至此，非晶合金定子鐵芯加工完畢。為了防止鐵芯表面氧化，可以在其表面做涂層處理，包含刷防銹漆、靜電噴涂或者鍍膜等處理方法。實施例I制作非晶合金定子鐵芯的帶材名義成份為Fe8tlSi9B11 (at. % )，帶材厚度為30±liim，寬為140mm，表面平整光潔。首先使用橫剪機將非晶帶材剪成長度也為140mm的方形非晶合金片1，再將這些方形非晶合金片I疊成高IOOmm的非晶合金疊片體，并且在疊片體上下兩面各放置一片形狀和非晶合金片I相同的厚度為1_的無磁不銹鋼板2，壓實卡緊后(疊片系數為0.95)按照圖2給出的圖紙進行電火花切割，切割完畢后在非晶疊片的6個小孔3中分別穿入無磁不銹鋼條4并且與兩端的無磁不銹鋼板進行焊接固定，最后將固定好的非晶合金鐵芯在氮氣保護下進行加磁場退火處理。所述的加磁場退火處理工藝如下I)在電爐中充入氮氣作保護氣體；2)以一定的升溫速率升溫至300°C時加強度為50mT的直流磁場，磁場方向沿鐵芯的圓周方向，再以相同的升溫速率升溫到380°C ；3)保持磁場方向及強度不變，在380°C保溫90min ；4)然后以一定的速率開始降溫，降溫至300°C時去掉磁場，再以相同的冷卻速度降溫至室溫，取出鐵芯。
通過上述方法制備的非晶合金定子鐵芯具有優異的軟磁性能，磁導率遠高于硅鋼鐵芯，損耗不到硅鋼鐵芯的一半，而且鐵芯的可用磁通密度明顯高于采用層片間粘接法制備的非晶合金鐵芯。為了對比方便，在表I和表2中分別給出了型號為DR255的娃鋼鐵芯(硅鋼片厚度為0. 35mm)、使用環氧樹脂進行層片間粘接制備的非晶合金鐵芯、機械固定法制備的非晶合金鐵芯和非晶合金帶材進行涂層后再使用機械固定法制備的非晶合金鐵芯的直流磁性能及耗損。從表I中可以看出，機械固定法制備的非晶合金鐵芯磁導率比硅鋼鐵芯高出10倍以上；勵磁強度僅為100A/m時其磁通密度就可達I. 43T(未涂層)，是相同勵磁強度下硅鋼鐵芯的2倍以上，是粘接法非晶合金鐵芯的3倍以上，可見相同勵磁強度下(0 2000A/m)機械固定法制備的非晶合金鐵芯 的磁通密度明顯高于硅鋼鐵芯，遠遠高于粘結法制備的非晶合金鐵芯。從表2可以看出，機械固定法制備的非晶合金鐵芯的損耗(未涂層)比粘結法制備的非晶合金鐵芯的損耗稍低，不到硅鋼鐵芯的一半。可見機械固定法制備的非晶鐵芯具有優異的軟磁特性，非常適合電機尤其是高頻電機的定子鐵芯使用。表I DR255硅鋼鐵芯、粘結法制備的非晶合金鐵芯、機械固定法制備的非晶合金鐵芯和先涂層再使用機械固定法制備的非晶合金鐵芯的直流磁性對比。
,B100 B400 B800 B2OOO
鐵芯種類 A/m A/m A/m A/m Br(T) (^m) Hi1 jum
__(T) (T) (T) (T)______
DR255 硅
鋼鐵芯 0.53 1.11 1.32 1.48 0.399 52.36 575 3242 (0.35mm)_________
粘接法非
二* 0.38 0.78 1.07 1.34 0.416 16.83 4890 11970
日曰鐵心
機械固定
非晶鐵芯 1.43 1.46 1.48 , 0.9038 8.387 6252 58180
(未涂層)_________
機械固定
非晶鐵芯 1.39 1.41 1.42 1.45 0.8895 9.024 6149 53027 (涂層)
I表2 DR255娃鋼鐵芯、粘結法制備的非晶合金鐵芯、機械固定法制備的非晶合金鐵芯和先涂層再使用機械固定法制備的非晶合金鐵芯的鐵芯損耗對比。
權利要求
1.一種電機用非晶合金定子鐵芯的制備方法，其特征在于包含如下步驟 a.橫向切割非晶合金帶材，得到多個形狀相同的矩形非晶合金片⑴； b.將多個矩形非晶合金片(I)堆疊為疊片體，在疊片體的兩端各放置一片和矩形非晶合金片(I)形狀相同的固定板(2); c.對帶固定板(2)的非晶合金疊片體進行壓實處理，并用卡具夾緊固定，然后對其進行整體切割，得到所需形狀和尺寸的非晶合金定子鐵芯，并在上述鐵芯上加工出用于機械固定的小孔或者槽(3)； d.在所述小孔或者槽(3)中穿入固定條(4)，把固定條(4)的兩端與所述非晶合金疊片體兩端的固定板(2)固定在一起，形成完整的非晶合金定子鐵芯； e.對所述非晶合金定子鐵芯進行整體退火處理。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于所述定子鐵芯的材料選自鐵基、鐵鎳基、鈷基的非晶或者納米晶薄帶。
3.如權利要求I所述的方法，其特征在于所述固定板(2)和固定條(4)的材料選自鐵、鋁、銅、鈦及其合金，陶瓷、有機硅樹脂、尼龍、碳纖維。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于所述固定板(2)和固定條(4)的材料優選無磁不銹鋼。
5.如權利要求I所述的方法，其特征在于步驟c中的切割方法為電火花切割、火焰切害I]、等離子切割、激光切割、水切割和化學腐蝕切割中的一種。
6.如權利要求I所述的方法，其特征在于所述非晶合金定子鐵芯的整體退火處理是在氮氣或者氬氣的保護氣氛下，且在加磁場的條件下完成，退火溫度在300-560°C之間，保溫時間為0-5小時，強度20—500mT，磁場方向為沿鐵芯圓周方向。
7.如權利要求I所述的方法，其特征在于在切割非晶合金片(I)的步驟之前，對非晶合金帶材進行至少一次絕緣涂層處理如下將成卷的非晶合金帶材(5)由支承軸(6)導入浸液槽(7)，支撐軸(6)浸沒在浸液槽(7)中的絕緣涂層液中，然后經刮液板(8)除去多余的絕緣涂層液，經過穿過干燥熱風的加熱管(9)進行干燥，加熱管(9)中的干燥溫度為150。。。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于絕緣涂層液的成分選自(1)5%(wt. %)SiO2納米粉、90% (wt. % )的乙醇和5% (wt. % )的去離子水的混合物；(2)8% (wt. % )的正硅酸乙醋、87. 999% (wt. % )的酒精、4% (wt. % )的去離子水和0. 001% (wt. % )的鹽酸的混合液；(3)6% (wt. % )的MgO細粉、90% (wt. % )的乙醇和4% (wt. % )的去離子水的混合物。
9.如權利要求I所述的方法，其特征在于在步驟c壓實處理后，疊片體的疊片系數在0. 85 0. 98之間。
10.一種如權利要求I所述方法所制備的電機用非晶合金定子鐵芯，其特征在于該鐵芯的軟磁性能為勵磁強度在100A/m時磁通密度Biqq為I. 40T以上，初始磁導率y t為6000以上，最大磁導率50000以上；磁通密度B為I. 0T、頻率f為800Hz時損耗P為8.023W/kg。
全文摘要
本發明屬于電機的磁路零部件領域，具體涉及一種電機用高性能非晶合金定子鐵芯的制備方法，包含如下步驟對非晶帶材進行橫向剪切，得到多個形狀相同的非晶切片；對非晶切片進行堆疊、壓實、卡緊，然后整體切割后沿定子軸向進行機械固定；最后對完整的非晶合金鐵芯進行整體退火處理。該方法用機械固定取代了非晶片層間粘接固定，解決了層間粘接法層間易斷裂、粘接應力無法消除導致鐵芯性能下降等問題，進而使非晶合金定子鐵芯的性能得到了很大的提高。
文檔編號H02K15/12GK102738976SQ201110093769
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月14日 優先權日2011年4月14日
發明者周少雄, 張廣強, 李山紅, 李潔瓊, 王立軍, 黃書林 申請人:安泰科技股份有限公司