CN102738976A - 一种电机用非晶合金定子铁芯的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机的磁路零部件领域，具体涉及一种电机用高性能非晶合金定子铁芯的制备方法，包含如下步骤：对非晶带材进行横向剪切，得到多个形状相同的非晶切片；对非晶切片进行堆叠、压实、卡紧，然后整体切割后沿定子轴向进行机械固定；最后对完整的非晶合金铁芯进行整体退火处理。该方法用机械固定取代了非晶片层间粘接固定，解决了层间粘接法层间易断裂、粘接应力无法消除导致铁芯性能下降等问题，进而使非晶合金定子铁芯的性能得到了很大的提高。

Description

一种电机用非晶合金定子铁芯的制造方法

技术领域

本发明属于电机的磁路零部件领域，具体涉及一种电机用高性能非晶合金定子铁芯的制备方法，该定子铁芯尤其适用于高频电机。

背景技术

目前越来越多的应用领域对电机的性能提出了更高的要求，例如航空航天、电动汽车、机器人、高速压缩机、高速飞轮储能、涡轮分子泵、高速机床、高速红外扫描仪、高速离心分离机等应用领域，不仅要求电机具有高功率密度或者高转速，还要求电机同时具有高效率。

我们知道要实现电机的高功率密度或者高转速必须提高电机的频率，然而随着电机频率的提高电机的铁芯损耗将会急剧增加，严重影响电机的效率。显然传统的硅钢叠片铁芯不能满足新型高频高效电机的要求，非晶合金和硅钢材料相比具有高磁导率、低损耗的特性，可以在高频电机中取代硅钢铁芯实现电机的高效率。

1998年6月美国Honeywell公司的发明专利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，然后浸漆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，因此增加了磁路的磁阻和运行电动机所需要的相应的电流。

2004年日本日立公司(Hitachi)的发明专利US6737951B1公开了一种非晶定子铁芯加工方法，该方法是将非晶带材进行叠加，浸漆固化后再切割成一面甚至两面具有弓形面的多面体非晶块体，然后将这些非晶块体重新排列构成完整的定子铁芯。这种方法制作的铁芯元件和相同规格的硅钢元件相比，在效率方面具有更优异的性能，但是在每两块多面体非晶块体的拼接处都存在着气隙，在一定程度上影响了铁芯的性能。

2004年美国梅特格拉斯公司的发明专利WO2004/070740公开了光刻蚀刻法切割叠片制备非晶铁芯定子的方法。该方法工艺复杂、效率低、成本高，适合制作形状复杂的小尺寸铁芯。

2008年安泰科技股份有限公司的发明专利CN101286676A公开了一种径向非晶合金定子铁芯的制备方法。该方法制备包括如下步骤：将相同长度的非晶合金片堆叠成具有预定厚度的非晶合金片层叠体，对所述层叠体进行退火，再将退火后的所述非晶合金片层叠体进行浸漆、固化处理，最后切割成预定形状和尺寸的定子铁芯。该方法制备的非晶铁芯性能较硅钢铁芯性能明显提高，为非晶电机的批量生产奠定了技术基础。

以上电机铁芯的制备工艺中，非晶薄片之间的连结都使用了浸漆后固化的粘接工艺。后续的定子切割和电机组装过程都要求叠片间具有较高的粘接强度，然而粘接强度越高在非晶合金铁芯中引入的应力越大，而非晶合金材料对应力非常敏感，这必然导致非晶定子铁芯在可用磁通密度、磁导率和铁芯损耗等方面的性能较非晶材料的性能明显下降。因此非常有必要寻找一种新的电机用非晶合金定子铁芯的制备方法，这种方法既要使非晶合金在高频下优异的软磁特性得以保留，又要适合非晶合金铁芯的高效批量生产，从而满足高频高效电机日益增长的市场需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机用高性能非晶合金定子铁芯及其制备方法，该非晶合金定子铁芯具有高磁导率和低损耗等优异的软磁特性，并适合高效批量生产，以满足高频高效电机对高性能定子铁芯的需求。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种电机用非晶合金定子铁芯的制备方法，包含如下步骤：

a.横向切割非晶合金带材，得到多个形状相同的矩形非晶合金片；

b.将多个矩形非晶合金片堆叠为叠片体，在叠片体的两端各放置一片和矩形非晶合金片形状相同的固定板；

c.对带固定板的非晶合金叠片体进行压实处理，并用卡具夹紧固定，然后对其进行整体切割，得到所需形状和尺寸的非晶合金定子铁芯，并在上述铁芯上加工出用于机械固定的小孔或者槽；

d.在所述小孔或者槽中穿入固定条，把固定条的两端与所述非晶合金叠片体两端的固定板固定在一起，形成完整的非晶合金定子铁芯；

e.对所述非晶合金定子铁芯进行整体退火处理。

所述定子铁芯的材料选自铁基、铁镍基、钴基的非晶或者纳米晶薄带。

所述固定板和固定条的材料选自铁、铝、铜、钛及其合金，陶瓷、有机硅树脂、尼龙、碳纤维。

所述固定板和固定条的材料优选无磁不锈钢。

步骤c中的切割方法为电火花切割、火焰切割、等离子切割、激光切割、水切割和化学腐蚀切割中的一种。

所述非晶合金定子铁芯的整体退火处理是在氮气或者氩气的保护气氛下，且在加磁场的条件下完成，退火温度在300-560℃之间，保温时间为0-5小时，强度20--500mT，磁场方向为沿铁芯圆周方向。

在切割非晶合金片的步骤之前，对非晶合金带材进行至少一次绝缘涂层处理如下：将成卷的非晶合金带材由支承轴导入浸液槽，支撑轴浸没在浸液槽中的绝缘涂层液中，然后经刮液板除去多余的绝缘涂层液，经过穿过干燥热风的加热管进行干燥，加热管中的干燥温度为150℃。

绝缘涂层液的成分选自：(1)5％(wt.％)SiO₂纳米粉、90％(wt.％)的乙醇和5％(wt.％)的去离子水的混合物；(2)8％(wt.％)的正硅酸乙醋、87.999％(wt.％)的酒精、4％(wt.％)的去离子水和0.001％(wt.％)的盐酸的混合液；(3)6％(wt.％)的MgO细粉、90％(wt.％)的乙醇和4％(wt.％)的去离子水的混合物。

在步骤c压实处理后，叠片体的叠片系数在0.85～0.98之间。

该铁芯的软磁性能为：励磁强度在100A/m时磁通密度B₁₀₀为1.40T以上，初始磁导率μ_i为6000以上，最大磁导率μ_m为50000以上；磁通密度B为1.0T、频率f为800Hz时损耗P为8.023W/kg。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明公开的非晶定子铁芯制备方法省去了浸漆和固化工艺，只需一次切割成形和一次热处理，就可以制备出磁性能和机械性能优异的非晶合金定子铁芯，缩短了生产流程、节省了生产成本，使非晶定子铁芯的生产更加环保节能；

(2)本发明公开的非晶定子铁芯制备方法采用机械法对各非晶薄片叠体进行层间固定，取代以往的非晶合金片层间粘接的固定方法，使非晶定子铁芯的机械稳定性得到了保证，避免了因粘接不牢固而造成的层间开裂导致铁芯损坏等问题；

(3)本发明公开的非晶定子铁芯制备方法不使用粘结剂进行层间粘接，因而不会在非晶合金铁芯内部引入粘接应力，避免了因粘结应力的存在而导致非晶合金铁芯软磁性能大幅度下降；

(4)使用本发明所公开的方法制备的非晶定子铁芯层片间不使用粘结剂，在铁芯制备过程中如果使用电火花法加工，将使加工效率更高、加工面更加整洁平滑；

(5)使用本发明所公开的方法制备的非晶定子铁芯层片间不使用粘结剂，所以可以对加工成形的非晶合金定子铁芯进行整体退火，进而可完全消除加工过程在非晶合金定子铁芯中引入的各种应力，使非晶合金优异的软磁性能得以最大程度的体现；

(6)相比层间浸漆粘结方法制备的非晶合金定子铁芯，使用本发明所公开的方法制备的非晶定子铁芯损耗更低、磁导率更高，所以使用该非晶定子铁芯的电机具有低温升、高效率的优势，尤其是在高频下使用优势更加显著，因此本发明更适合应用于高转速电机和高功率密度电机。

(7)该铁芯具有优异的软磁性能：励磁强度为100A/m时磁通密度B₁₀₀可达1.40T以上，初始磁导率μ_i可达6000以上，最大磁导率μ_m可达50000以上，经涂层的非晶合金铁芯损耗不到硅钢铁芯损耗的1/7，例如当磁通密度B为1.0T、频率f为800Hz时损耗P仅为8.023W/kg。

附图说明

图1为本发明所述非晶合金叠片体示意图；

图2为单片非晶合金片的示意图；

图3为切割成形后将非晶合金切片固定成非晶合金定子铁芯的过程示意图；

图4为不同种类铁芯在磁通密度为B＝1.0T时损耗随频率变化的曲线图(图中1表示硅钢铁芯、2表示粘结法制备的非晶合金铁芯、3表示机械固定法制备的非晶合金铁芯、4表示先涂层再使用机械固定法制备的非晶合金铁芯)；

图5为对非晶合金带材进行绝缘涂层的设备示意图。

附图标记

1    非晶合金片        2    固定板

3     小孔          4     固定条

5     非晶合金带材  6     支承轴

7     浸液槽        8     刮液板

9     加热管        10    支承轴

11    支承轴        12    浸液槽

13    刮液板        14    加热管

15    支承轴        16    非晶合金带材卷

具体实施方式

根据本发明的制备方法，首先使用横剪机等常规的切割装置对成卷的非晶合金带材进行横向切割，以形成厚度为预定长度且形状相同的非晶合金片1。对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，对所得到的形状相同的非晶合金片1进行整理叠片，在叠片体两端各放置一片和非晶合金片形状相同的固定板2。使用压紧设备对非晶合金叠片体进行压实处理，根据所需叠片系数的要求所加压力一般在1～15MPa之间，保压时间没有要求，叠片系数一般控制在0.85～0.98之间。为了防止压实的非晶合金叠片体松散，需要使用卡具，卡具的类型没有具体要求，能保证压实的非晶合金叠片体不松散即可，对其进行夹紧固定，从而形成了两端有固定板2保护的具有预定厚度的非晶合金叠片体，如图1所示。

根据预定形状和尺寸对所述的非晶合金叠片体进行切割，形成所需形状和尺寸的非晶合金定子铁芯，且所述铁芯具有用于固定的小孔或者槽3，如图2所示。对于铁芯的切割工具及方式没有特别的限制，可以采用电火花切割、水切割、等离子束切割以及激光切割等方式。

接下来，沿定子轴向对合金定子铁芯进行机械固定。在上一步加工出的小孔或者槽3中穿入固定条4，并把固定条4的两端与非晶合金叠片体两端的固定板2固定在一起。对于机械固定方法不做特别限制，可以通过铆钉或者焊接等手段。

最后是对加工完整的非晶合金定子铁芯进行退火处理。退火的目的是消除加工过程中在非晶合金定子铁芯中引入的应力和提高铁芯的软磁性能。退火温度一般在300-560℃之间，保温时间一般为0-5小时。所述退火处理可以在氮气或者氩气等保护气氛中完成，也可以且在加磁场的条件下完成，磁场强度在20-500mT之间，磁场方向为沿铁芯圆周方向。

至此，非晶合金定子铁芯加工完毕。为了防止铁芯表面氧化，可以在其表面做涂层处理，包含刷防锈漆、静电喷涂或者镀膜等处理方法。

实施例1

制作非晶合金定子铁芯的带材名义成份为Fe₈₀Si₉B₁₁(at.％)，带材厚度为30±1μm，宽为140mm，表面平整光洁。首先使用横剪机将非晶带材剪成长度也为140mm的方形非晶合金片1，再将这些方形非晶合金片1叠成高100mm的非晶合金叠片体，并且在叠片体上下两面各放置一片形状和非晶合金片1相同的厚度为1mm的无磁不锈钢板2，压实卡紧后(叠片系数为0.95)按照图2给出的图纸进行电火花切割，切割完毕后在非晶叠片的6个小孔3中分别穿入无磁不锈钢条4并且与两端的无磁不锈钢板进行焊接固定，最后将固定好的非晶合金铁芯在氮气保护下进行加磁场退火处理。所述的加磁场退火处理工艺如下：

1)在电炉中充入氮气作保护气体；2)以一定的升温速率升温至300℃时加强度为50mT的直流磁场，磁场方向沿铁芯的圆周方向，再以相同的升温速率升温到380℃；3)保持磁场方向及强度不变，在380℃保温90min；4)然后以一定的速率开始降温，降温至300℃时去掉磁场，再以相同的冷却速度降温至室温，取出铁芯。

通过上述方法制备的非晶合金定子铁芯具有优异的软磁性能，磁导率远高于硅钢铁芯，损耗不到硅钢铁芯的一半，而且铁芯的可用磁通密度明显高于采用层片间粘接法制备的非晶合金铁芯。为了对比方便，在表1和表2中分别给出了型号为DR255的硅钢铁芯(硅钢片厚度为0.35mm)、使用环氧树脂进行层片间粘接制备的非晶合金铁芯、机械固定法制备的非晶合金铁芯和非晶合金带材进行涂层后再使用机械固定法制备的非晶合金铁芯的直流磁性能及耗损。从表1中可以看出，机械固定法制备的非晶合金铁芯磁导率比硅钢铁芯高出10倍以上；励磁强度仅为100A/m时其磁通密度就可达1.43T(未涂层)，是相同励磁强度下硅钢铁芯的2倍以上，是粘接法非晶合金铁芯的3倍以上，可见相同励磁强度下(0～2000A/m)机械固定法制备的非晶合金铁芯的磁通密度明显高于硅钢铁芯，远远高于粘结法制备的非晶合金铁芯。从表2可以看出，机械固定法制备的非晶合金铁芯的损耗(未涂层)比粘结法制备的非晶合金铁芯的损耗稍低，不到硅钢铁芯的一半。可见机械固定法制备的非晶铁芯具有优异的软磁特性，非常适合电机尤其是高频电机的定子铁芯使用。

表1 DR255硅钢铁芯、粘结法制备的非晶合金铁芯、机械固定法制备的非晶合金铁芯和先涂层再使用机械固定法制备的非晶合金铁芯的直流磁性对比。

表2 DR255硅钢铁芯、粘结法制备的非晶合金铁芯、机械固定法制备的非晶合金铁芯和先涂层再使用机械固定法制备的非晶合金铁芯的铁芯损耗对比。

实施例2

制作非晶合金定子铁芯的带材名义成份为Fe₈₀Si₉B₁₁(at.％)，带材厚度为30±1μm，宽为140mm，表面平整光洁。

首先对成卷的非晶合金带材进行绝缘涂层处理，绝缘涂层采用浸涂、烘干的方法制备，图5是绝缘涂层设备的示意图。绝缘涂层设备共有两个浸液槽7和12，材质均为PVC。浸液槽7和浸液槽12中涂层液均为5％(wt.％)的SiO₂纳米粉、90％(wt.％)的乙醇和5％(wt.％)的去离子水的混合物。将成卷的非晶合金带材5先经过支承轴6进入浸液槽7，经由刮液板8除去多余的浸涂液，然后经过通有干燥热风的加热管9进行干燥，加热管9中的干燥温度为150℃。接着由支承轴10经过支承轴11将非晶带材引入浸液槽12，经由刮液板13除去多余的浸涂液，再经过通有干燥热风的加热管14进行干燥，加热管14的干燥温度为130℃。最后涂层完毕的带材经支承轴15再次卷成非晶合金带材卷16。需要指出的是，涂层过程可以是一次涂层，也可以是连续多次涂层，涂层液可以是任何可以使非晶带材绝缘的溶液，如SiO₂纳米粉配制的混合物，MgO粉体配制的溶液及混合液或者硅酸乙酯溶液及混合液等等。

再使用横剪机将涂层后的非晶合金带材剪成长度也为140mm的方形非晶合金片1，再将这些方形非晶合金片1叠成高100mm的非晶合金叠片体，并且在叠片体上下两面各放置一片形状和非晶合金片1相同厚度为1mm的无磁不锈钢板2，压实卡紧后(叠片系数为0.90)按照图2给出的图纸进行电火花线切割，切割完毕后在图2所示的小孔3的位置穿入无磁不锈钢条4并与两端的无磁不锈钢板2进行焊接固定，最后将固定好的非晶合金铁芯在氮气保护下进行退火处理。所述退火工艺为：1)电炉中充入氮气作保护气体；2)以一定的升温速率升温至300℃时加强度为50mT的直流磁场，磁场方向为沿铁芯圆周方向，再以相同的升温速率升温到380℃；3)保持磁场方向和强度不变，在380℃保温90min；4)然后以一定的速率降温，降温至300℃时去掉磁场，再以相同的冷却速度降温至室温，取出铁芯。

通过上述方法制备的非晶合金定子铁芯具有更优异的软磁性能，磁导率高于层片间粘接法制备的非晶合金铁芯，且远高于硅钢铁芯(表1)，可见磁通密度明显高于层片间粘接法制备的非晶合金铁芯(表1)；损耗不到硅钢铁芯的1/7(表2和图4)，不到层片间粘接法制备的非晶合金铁芯的1/2(表2和图4)，且小于未涂层的、机械固定制备的非晶合金定子铁芯。可见先进行绝缘涂层再经机械固定制备的非晶定子铁芯具有优异的软磁特性和更低的铁芯损耗，非常适合高频电机使用。

Claims (10)

1.一种电机用非晶合金定子铁芯的制备方法，其特征在于：包含如下步骤：

a.横向切割非晶合金带材，得到多个形状相同的矩形非晶合金片(1)；

b.将多个矩形非晶合金片(1)堆叠为叠片体，在叠片体的两端各放置一片和矩形非晶合金片(1)形状相同的固定板(2)；

c.对带固定板(2)的非晶合金叠片体进行压实处理，并用卡具夹紧固定，然后对其进行整体切割，得到所需形状和尺寸的非晶合金定子铁芯，并在上述铁芯上加工出用于机械固定的小孔或者槽(3)；

d.在所述小孔或者槽(3)中穿入固定条(4)，把固定条(4)的两端与所述非晶合金叠片体两端的固定板(2)固定在一起，形成完整的非晶合金定子铁芯；

e.对所述非晶合金定子铁芯进行整体退火处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述定子铁芯的材料选自铁基、铁镍基、钴基的非晶或者纳米晶薄带。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述固定板(2)和固定条(4)的材料选自铁、铝、铜、钛及其合金，陶瓷、有机硅树脂、尼龙、碳纤维。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述固定板(2)和固定条(4)的材料优选无磁不锈钢。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤c中的切割方法为电火花切割、火焰切割、等离子切割、激光切割、水切割和化学腐蚀切割中的一种。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述非晶合金定子铁芯的整体退火处理是在氮气或者氩气的保护气氛下，且在加磁场的条件下完成，退火温度在300-560℃之间，保温时间为0-5小时，强度20--500mT，磁场方向为沿铁芯圆周方向。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在切割非晶合金片(1)的步骤之前，对非晶合金带材进行至少一次绝缘涂层处理如下：将成卷的非晶合金带材(5)由支承轴(6)导入浸液槽(7)，支撑轴(6)浸没在浸液槽(7)中的绝缘涂层液中，然后经刮液板(8)除去多余的绝缘涂层液，经过穿过干燥热风的加热管(9)进行干燥，加热管(9)中的干燥温度为150℃。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：绝缘涂层液的成分选自：(1)5％(wt.％)SiO₂纳米粉、90％(wt.％)的乙醇和5％(wt.％)的去离子水的混合物；(2)8％(wt.％)的正硅酸乙醋、87.999％(wt.％)的酒精、4％(wt.％)的去离子水和0.001％(wt.％)的盐酸的混合液；(3)6％(wt.％)的MgO细粉、90％(wt.％)的乙醇和4％(wt.％)的去离子水的混合物。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤c压实处理后，叠片体的叠片系数在0.85～0.98之间。

10.一种如权利要求1所述方法所制备的电机用非晶合金定子铁芯，其特征在于：该铁芯的软磁性能为：励磁强度在100A/m时磁通密度B₁₀₀为1.40T以上，初始磁导率μ_i为6000以上，最大磁导率μ_m为50000以上；磁通密度B为1.0T、频率f为800Hz时损耗P为8.023W/kg。

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