CN101286676A - 一种用于高速电机的非晶合金定子铁芯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种低损耗且外观整齐完整的高速电机用非晶合金定子铁芯的制备方法。该制备方法包括如下步骤：切割非晶合金带材，以形成具有预定长度的多个非晶合金片；对非晶合金片叠片，以形成具有预定厚度的非晶合金片层叠棒；对所述层叠棒进行退火；将退火后的所述层叠棒用粘结剂浸渍；将浸渍后的层叠棒固化；以预定形状和尺寸切割所述层叠棒，形成所需形状和尺寸的定子铁芯。由此，只需一次最终切割成形，就可制备非晶定子铁芯。

Description

一种用于高速电机的非晶合金定子铁芯的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁芯的制备方法，尤其是涉及一种用于高速电机的非晶合金定子铁芯的制备方法。

背景技术

当前技术中的大量应用，如高速机床、航空发动机和激励器、计算机和其它微电子器件中用于数据存储的磁盘和光盘驱动器的主轴电动机，都需要能在高速下运转的电动机。

高的转速需要高的频率来实现，传统的硅钢片铁芯材料铁损太高导致铁芯在频率高于300Hz时过热而不可用。坡莫合金则因为高频下饱和感应降低(坡莫合金的0.6-0.9T，或更小如普通硅钢的1.8-2.0T)，使得由坡莫合金组成的磁性部件尺寸增加成为必然。

非晶合金与传统的硅钢片铁芯材料相比，在高频下使用时，在不降低饱和磁感应强度(1.5T)的前提下，铁芯损耗小得多，可以实现高效率的高频电机应用。

1998年6月美国Honeywell公司专利WO99/66624公开了一种高效径向磁通电机的非晶金属定子，该定子用不同长度的带材叠加成弧形或C形然后浸渍固化成带有向内径方向的齿状定子。这种方法形成的定子结构在离散的非晶态金属薄片之间包含大量的气隙，这增加了磁路的磁阻和相应的运行电动机所需要的电流。

德国专利DE2805435和DE2805438公开了一种制备非晶铁芯定子的方法，是将定子分成绕线片和极靴，非磁性材料被插入到绕线片和极靴之间的连接处，绕线片中的叠片通过焊接彼此连接。这种连接方法增加了有效间隙，并相应提高了磁路的磁阻和运行电动机所需要的电流。同时，这种方法使用热强化过程如焊接连接非晶态金属叠片将使非晶态金属在结合处和附近再结晶，从而增加定子中的磁损。

2004年美国梅特格拉斯公司专利WO2004/070740公开了光刻蚀刻法切割叠片制备非晶铁芯定子。该方法尤其适合切割小的形状复杂的叠片。这种方法得到的片表面光滑，形状整齐，但是由于单片非晶片不具有刚性，且由于形状复杂，后续的成型工艺比较复杂。

电机铁芯的性能要求是在一定频率及磁通密度下具有低的铁芯损耗，和在一定磁场强度下具有高的磁通密度，因此存在对于一种用于高速电机的非晶合金定子铁芯制备方法的需求，这种方法既要保留非晶合金在高频下低铁芯损耗、高磁导率的特点，又要克服非晶合金带材薄而硬致使定子铁芯加工困难的特点，从而满足对高速电动机日益增长的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低损耗且外观整齐完整的高速电机用非晶合金定子铁芯的制备方法。该制备方法包括如下步骤：

(1)切割非晶合金带材，以形成具有预定长度的多个非晶合金片；

(2)对非晶合金片叠片，以形成具有预定厚度的非晶合金片层叠棒；

(3)对所述层叠棒进行退火；

(4)将退火后的所述层叠棒用粘结剂浸渍；

(5)将浸渍后的层叠棒固化；

(6)以预定形状和尺寸切割所述层叠棒，形成所需形状和尺寸的定子铁芯。

由此，只需一次最终切割成形，就可制备非晶定子铁芯。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的制备方法的工艺简单、工艺时间较短、环保且易于控制，因此，本发明的制备方法有利于稳定、批量的生产；

(2)通过本发明制备的高速电机用非晶合金定子铁芯具有良好的磁性能，磁导率高于硅钢定子铁芯，损耗不到硅钢定子铁芯的一半，详见表1。非晶定子铁芯在较高的频率下使用时，能使铁芯损耗值降低很多，详见图4和图5。此外，当被用作电动机的定子时，与硅钢定子相比，当二者在相同的磁感应强度和频率下被磁化时，所述非晶定子发热较少，因而本发明的非晶定子铁芯尤其适用于高速电机。

(3)通过本发明制备的高速电机用非晶合金定子铁芯具有整齐完整的外观效果，避免离散的非晶态金属薄片之间产生大量的气隙而增加了磁路的磁阻和运行电机所的电流。同时也克服了采用现有技术中焊接的方法而造成层叠片在结合处再结晶的缺陷。

(4)使用所述非晶合金定子铁芯的电动机可以被设计成在以下条件下工作：1)较低的工作温度；2)较高的频率和转速；3)减少的体积和重量。

附图说明

图1为本发明所述层叠棒示意图；

图2为本发明切割非晶定子铁芯示意图；

图3为本发明实施例1所制备的非晶定子铁芯；

图4为硅钢定子铁芯的损耗随频率变化的曲线；

图5为非晶定子铁芯的损耗随频率变化的曲线；

图6为沿棒长度方向磁场退火方式的示意图；

图7为沿圆周方向的磁场退火方式；

图8为不同磁场退火方式退火后非晶定子铁芯与硅钢定子铁芯在Bm＝1.0T损耗随频率变化曲线，图中1表示普通退火，2表示沿棒长度方向磁场退火，3表示沿定子圆周方向磁场退火；

图9为涂层与未涂层非晶定子铁芯在Bm＝1.0T损耗随频率变化曲线，图中1表示沿棒长度方向磁场退火，2表示沿圆周方向磁场退火；

图10对非晶带材进行涂层的设备示意图。

具体实施方式

根据本发明的方法，首先在非晶带材生产线上，利用常规的切割装置例如飞剪机等将非晶合金带材切割成尺寸为预定长度且形状相同的多个非晶合金片；对于非晶合金带材和得到该非晶合金带材的方法没有特别的限制。

然后，对所获得的非晶合金片叠片，例如用两个硬质夹板将非晶合金片夹在夹板之间，并用螺钉将夹板固定，从而形成具有预定厚度的非晶合金片层叠棒，如图1所示。

接下来，对所述层叠棒进行退火，以消除应力和提高磁性能；退火温度可以为300℃-500℃，保温时间可以为0-5小时。所述退火可以为保护气氛退火，也可以为在加横向磁场或纵向磁场或同时加横纵向磁场的条件下退火。

将退火后的所述层叠棒用粘结剂浸渍；可选的粘结剂包括环氧树脂、清漆、厌氧粘合剂、氰基丙烯酸酯和室温硫化硅酮材料等；为了改善层间结合，一般可在浸渍过程中抽真空，以使层间浸渍液分布均匀；浸渍过程中一般不将非晶合金片固定在一起，这样可以充分浸渍。

将浸渍后的层叠棒固化，固化的温度和时间可根据选择的粘结剂的种类和配比确定。

然后，以预定形状和尺寸切割所述层叠棒，形成所需形状和尺寸的定子铁芯，如图2所示。对于切割的方式没有特别的限制，可以采用本领域技术人员所熟知切割方式，包括依靠机械能通过刀具切削工件，如用切割刀片、切割轮和喷射水流等方式；也包括以电、热、化学能等能量形式来加工工件，如电火花加工、电子束加工、等离子束加工、电解磨削等方式。

在铁芯切割成形后，可以在铁芯表面进行涂层处理，以防止其氧化。

实施例1

名义成份为Fe80Si9B11(at.％)的铁基非晶合金带材采用平面流铸带方法制备，带材厚度为30±1μm，宽为50mm，表面光洁。首先将50mm宽的非晶合金薄带剪成多个110mm长且形状相同的片，再将非晶合金片叠成宽50mm、长110mm和高66mm的非晶棒，然后再将非晶棒在罩式炉中退火，罩式炉中通氮气。所述退火工艺为：1)把所述非晶棒加热到380℃；2)在380℃左右保温90分钟；3)随炉冷却。将退火后的非晶棒放入环氧树脂与丙酮重量百分比为1∶5的浸渍液中浸渍1小时后在180℃保温两小时固化，最后采用线切割将非晶棒切割成外径为45.5mm、内径为22.2mm和长度为66mm的18槽定子铁芯。图3所通过所述方法制备的非晶定子铁芯。

通过本发明制备的高速电机用非晶合金定子铁芯具有良好的磁性能，磁导率高于硅钢定子铁芯，损耗不到硅钢定子铁芯的一半，见表1。

表1非晶和硅钢定子铁芯的损耗

实施例2：

为了提高非晶定子铁芯工作点的磁感应强度，根据磁场热处理炉的大小与非晶棒的尺寸，采取了以下两种方式的磁场退火：

(1)沿棒长度方向的磁场退火方式

沿棒长度方向的磁场退火方式的示意图如图6所示，将非晶棒沿长度方向和磁场方向一致的方向放置在恒温磁场热处理炉中。

将通过切割Fe80Si9B11(at.％)的铁基非晶合金带得到的50mm宽、110mm长的非晶片叠片成66mm高的非晶棒，共用非晶片2375g，将非晶棒在氮气氛围中进行退火，退火工艺为：1)升温至380℃，当温度升至300℃时加磁场40mT；2)在380℃保温90min；3)降温至300℃时去掉磁场。升温速率为6℃/min，降温速率为2℃/min。

(2)沿圆周方向的磁场退火方式

沿圆周方向的磁场退火方式的示意图如图7所示，此种退火方式的实现方法是在非晶棒叠片的夹板及层叠棒中心用电火花通孔，在孔中放入一根与层叠棒之间绝缘的通电的铜棍。

将通过切割Fe80Si9B11(at.％)的铁基非晶合金带得到的50mm宽、110mm长的非晶片叠片成66mm高的非晶棒，共用非晶片2375g，将非晶棒在氮气氛围中进行退火，退火工艺为：1)升温至380℃，当温度升至300℃时加磁场2mT；2)在380℃保温90min；3)降温至300℃时去掉磁场。升温速率为6℃/min，降温速率为2℃/min。

未涂层的情况下以不同磁场退火方式退火后非晶定子铁芯的性能：

非晶棒经过沿棒长度方向磁场退火和沿圆周方向磁场退火后切割得到的非晶定子铁芯的重量分别为426.7g、430.6g，叠片系数分别为0.88、0.89，定子铁芯的直流磁性能如表2所示，为对比方便，表2中同时给出硅钢定子铁芯和普通退火非晶定子铁芯的磁性能。由表2可知，沿棒长度方向磁场退火的非晶定子铁芯B_2000A/m(T)、Hc略高于普通退火非晶定子铁芯，而Br、μ值均低于普通退火的非晶定子铁芯；由此可以看出，沿棒长度方向磁场退火不能明显改善非晶定子铁芯的直流磁性能；而沿圆周方向磁场退火后非晶定子铁芯B_2000A/m(T)、Br、μ值均显著提高，Hc降低。由此可见，沿圆周方向磁场退火可以明显改善非晶定子铁芯的直流磁性能。

表2不同磁场退火后非晶定子铁芯的直流磁性能

	B2000A/m(T)	Br(T)	Hc(A/m)	μi	μm
						硅钢定子铁芯	1.47	0.399	52.36	575	3242
普通退火非晶定子铁芯	1.26	0.286	27.91	1911	4915
						沿棒长度方向磁场退火非晶定子铁芯	1.34	0.219	30.41	1447	3751
沿圆周方向磁场退火非晶定子铁芯	1.53	0.325	13.18	5093	11800

不同磁场退火方式退火后非晶定子铁芯与硅钢定子铁芯在Bm＝0.6T、1.0T频率为0.05-1.0kHz下的损耗如表3所示。

表3定子铁芯的损耗

不同磁场退火方式退火后非晶定子铁芯与硅钢定子铁芯在Bm＝1.0T损耗随频率变化曲线如图8所示，由图8可见，沿棒长度方向磁场退火后非晶定子铁芯的损耗显著低于普通退火的非晶定子铁芯，沿圆周方向磁场退火的非晶定子铁芯的损耗高于普通退火的非晶定子铁芯而低于硅钢定子铁芯的损耗。

从不同磁场退火后非晶定子铁芯的直流磁性能与损耗特性分析可知，沿棒长度方向磁场退火虽然可以显著降低非晶定子铁芯的损耗，但是不能提高非晶定子铁芯的直流磁性能，沿圆周方向磁场退火虽然可以提高非晶定子铁芯的直流磁性能，但是铁芯的损耗也随之增高。

有绝缘涂层的情况下对非晶定子铁芯磁性能的影响：

将涂层厚度为2μm的非晶合金带材切片后叠片成非晶棒，将非晶棒沿棒长度方向磁场退火和沿圆周方向磁场退火，然后浸渍、固化后切割成预定形状和尺寸的非晶定子铁芯。

涂层后非晶棒经过沿棒长度方向磁场退火和沿圆周方向磁场退火后切割得到的非晶定子铁芯的重量分别为414.7g、413.2g，叠片系数分别为0.86、0.86，与涂层前的非晶定子铁芯的直流磁性能对比如表4所示。由表4可见，涂层后的沿棒长度方向磁场退火的非晶定子铁芯与未涂层的非晶定子铁芯直流磁性能相差不大；涂层后沿圆周方向磁场退火的非晶定子铁芯与未涂层相比，B_2000A/m(T)略有降低，但仍与硅钢定子铁芯相当，Br略有增加，μ值仍保持较高，使得这种非晶定子铁芯非常适用于高速电机中。

表4硅钢定子铁芯和非晶定子铁芯的直流磁性能

	B2000A/m(T)	Br(T)	Hc(A/m)	μi	μm
						硅钢定子铁芯	1.47	0.399	52.36	575	3242
普通退火非晶定子铁芯	1.26	0.286	27.91	1911	4915
						沿棒长度方向磁场退火非晶定子铁芯	1.34	0.219	30.41	1447	3751
沿圆周方向磁场退火非晶定子铁芯	1.53	0.325	13.18	5093	11800
						沿棒长度方向磁场退火非晶定子铁芯(涂层)	1.37	0.246	28.45	1614	3880
沿圆周方向磁场退火非晶定子铁芯(涂层)	1.47	0.416	16.83	4890	11970

涂层与未涂层非晶定子铁芯在Bm＝0.6T、1.0T频率为0.05-1.0kHz下的损耗如表5所示。由表5可见，涂层后非晶定子铁芯经不同磁场退火后损耗与未涂层相比都有了显著降低。

表5涂层与未涂层非晶定子铁芯损耗

涂层与未涂层非晶定子铁芯在Bm＝1.0T损耗随频率变化曲线如图9所示，由图9可见，涂层后沿棒长度方向磁场退火定子铁芯与沿圆周方向磁场退火的定子铁芯损耗值很接近，都小于未涂层非晶定子铁芯，而沿圆周方向磁场退火后涂层定子铁芯损耗与未涂层非晶定子铁芯相比显著降低。

从不同磁场退火后涂层与未涂层非晶定子铁芯的直流磁性能与损耗特性分析可知，涂层非晶定子铁芯与未涂层非晶定子铁芯的直流磁性能相差不大，涂层后非晶定子铁芯的损耗小于未涂层非晶定子铁芯的损耗；涂层后沿圆周方向磁场退火的非晶定子铁芯具有优良的直流磁性能和低损耗，最符合高速电机对定子铁芯的需求。

硅钢定子铁芯和不同工艺得到的非晶定子铁芯的主要磁性能如表6所示，由表6可见，沿圆周方向磁场退火非晶定子铁芯的直流B_2000A/m(T)值较高，但是其损耗值没有明显优势，而涂层后沿圆周方向磁场退火非晶定子铁芯的直流B_2000A/m(T)值与硅钢定子铁芯相当，且P_1.0T/1kHz损耗值与硅钢定子铁芯相比降低了92.3％，可以实现高效率的高速电机的应用。

表6不同工艺非晶定子铁芯与硅钢定子铁芯磁性能比较

绝缘涂层的制备方法如下：

名义成份为Fe₈₀Si₉B₁₁(at.％)的铁基非晶合金带材采用平面流铸带方法制备，带材厚度为26±1μm，宽为50mm，表面光洁。绝缘涂层采用浸涂、烘干的方法制备，涂层所用设备示意图如图10所示。将非晶合金带材1从带材卷2以1m/s的速度输送通过浸液槽4，浸液槽4的材质为PVC。在浸液槽4中设有支撑辊5、6，带材1由支撑辊5、6支撑。浸液槽4中盛有浸涂溶液3，浸涂溶液3为正硅酸乙酯7.999％(wt.％)、酒精88％(wt.％)、去离子水4％(wt.％)和硝酸0.001％(wt.％)的混合溶液，带材1在该溶液中通过。然后带材1从浸液槽4中向上引出，由刮液板7去除多余的浸涂液，然后通过干燥箱8，在干燥箱8中带材在120℃烘干。烘干后的带材经导辊9而行进到最终的卷取设备，在此处卷绕成涂层后的带材卷10。需要指出的是，涂层溶液可以是任何适于使带材绝缘的溶液，例如还可以是水玻璃与水按一定比例配制的溶液，或是MgO粉和乙醇按一定比例配制的溶液。

Claims (7)

1.一种高速电机用非晶合金定子铁芯的制备方法，该方法包括如下步骤：

切割非晶合金带材，以形成具有预定长度且相同形状的多个非晶合金片；

对非晶合金片叠片，以形成具有预定厚度的非晶合金片层叠棒；

对所述层叠棒进行退火；

将退火后的所述层叠棒用粘结剂浸渍；

将浸渍后的层叠棒固化；

以预定形状和尺寸切割所述层叠棒，形成所需形状和尺寸的定子铁芯。

2.如权利要求1所述的方法，其中，非晶合金成分为Fe80Si9B11。

3.如权利要求2所述的方法，其中，退火步骤是在罩式炉中氮气气氛下进行的。

4.如权利要求1所述的方法，其中，最终定形切割步骤采用线切割。

5.如权利要求1所述的方法，其中，切割非晶片的步骤之前对非晶带材进行涂层处理。

6.如权利要求1、2或5所述的方法，其中，退火是在加磁场的条件下进行的。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所加磁场的方向是沿着层叠棒的长度方向，或沿着圆周方向。

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