CN102820743A - 非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心及其制造方法。所述制造方法包括以下步骤：对非晶、微晶或纳米晶合金带材进行横向切割，以形成多个形状和大小相同的矩形薄片；对横向切割得到的合金薄片进行退火处理；将多个经过退火处理得到的合金薄片进行树脂固化处理，得到具有预定厚度的非晶、微晶或纳米晶合金板；使用激光切割、等离子切割、水切割、电火花线切割、火焰切割和化学腐蚀中的任何一种方式对预定厚度的合金板进行切割，得到环状非晶、微晶或纳米晶合金拼接模块或者至少一个单齿圆弧状拼接模块；将环状拼接模块或者单齿圆弧状拼接模块层叠或拼接形成定子铁心。根据本发明的制造方法可以提高生产效率并降低成本。
Description
技术领域
本申请涉及一种电机的磁路零部件的制造方法，更具体地讲，本申请涉及一种高频电机用高性能非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心及其制造方法。
背景技术
近年来，很多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、高速机床加工、高速飞轮储能、高速压缩机、高速离心机等，不仅要求电机具有高的效率，还要求电机具有高功率密度、高转矩密度或者高转速。为了实现电机的高转速、高功率密度或者高转矩密度，经常需要将电机的电磁频率设计在400~1500Hz，甚至更高。
电机的铁损与频率的1.3~1.5次幂成正比，通过提高频率来提高电机的功率密度或者转速，必然导致电机铁损大幅度增加。作为传统的电机铁心材料的硅钢片在高频下涡流损耗很高，应用于高频电机时会严重影响电机效率。
新一代软磁材料-非晶、微晶以及纳米晶合金具有低损耗和高磁导率的特性，应用于高频电机定子铁心时可以在很大程度上提高电机效率。非晶、微晶以及纳米晶合金材料虽然具有优异的软磁性能，但是材料具有薄、脆且硬的特点，加工难度很大。为了解决非晶、微晶以及纳米晶合金定子铁心的加工难题，人们已经做了大量的研究工作。
在现有技术中，电机用非晶合金定子铁心的制作都需要对树脂热固化成型的非晶合金块体进行切割加工，预加工的非晶合金块体的厚度均与铁心的轴向高度相同。然而定子铁心的轴向高度一般较大，高效率的激光切割、等离子切割以及水切割等切割方式很难达到如此大的切割厚度，一般只能选用效率很低的电火花方式进行切割。
因此，探索一种制作电机用非晶、微晶以及纳米晶合金定子铁心的新方法，将高效率的激光切割、等离子切割以及水切割应用到铁心的切割加工中，对于非晶、微晶以及纳米晶合金铁心生产效率的大幅度提高以及生产成本的降低具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术中的上述问题，本发明提供了一种非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：对非晶、微晶或纳米晶合金带材进行横向切割，以形成多个形状和大小相同的矩形薄片；对横向切割得到的非晶、微晶或纳米晶合金薄片进行退火处理；将多个经过退火处理得到的非晶、微晶或纳米晶合金薄片进行树脂固化处理，得到具有预定厚度的非晶、微晶或纳米晶合金板；使用激光切割、等离子切割、水切割、电火花线切割、火焰切割和化学腐蚀中的任何一种方式对预定厚度的非晶、微晶或纳米晶合金板进行切割，得到环状非晶、微晶或纳米晶合金拼接模块或者至少一个单齿圆弧状拼接模块；将环状非晶、微晶或纳米晶合金拼接模块或者单齿圆弧状拼接模块层叠或拼接形成非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心。
可选地非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于所述非晶、微晶或纳米晶合金包含选自于铁基、铁镍基或钴基的材料。
当需要制作的定子铁心的外径小于合金带材宽度时，先制作具有预定厚度的合金板，然后将合金板切割形成拼接模块，最后将拼接模块轴向拼接得到定子铁心。
当需要制作的定子铁心的外径大于合金带材宽度时，先制作具有预定厚度的合金板，然后将合金板切割形成单齿圆弧状拼接模块，此后将单齿圆弧状拼接模块沿着轴向层叠形成大单齿拼接模块，最后将多个大单齿拼接模块拼接形成定子铁心。
当需要制作的定子铁心的外径大于合金带材宽度时，先制作具有预定厚度的合金板，然后将合金板切割形成单齿圆弧状拼接模块，此后将单齿圆弧状拼接模块拼接形成大环状拼接模块，最后将多个大环状拼接模块层叠形成定子铁心。
非晶、微晶或纳米晶合金薄片的叠片系数在0.75~0.95之间。
所述非晶、微晶或纳米晶合金板的厚度为3mm~30mm。
退火温度在300~580℃之间，保温时间为0~5小时。
在加磁场的条件下完成退火，磁场强度在0.02~1.50T之间，磁场方向和铸带方向垂直。
另外，本发明还提供了一种由以上任何一种方法制造的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心。
本发明提供了一种高频电机用高性能非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心及其制备方法，该方法具有高生产效率低成本的特点，而且制造的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心具有高磁导率和低损耗等优异的软磁特性。
附图说明
图1是根据本发明的定子铁心的轴向俯视示意图。
图2是根据本发明的使用树脂热固化成型法制备的非晶、微晶或者纳米晶合金板的示意图。
图3是根据本发明第一实施例的使用激光切割、等离子切割或者水切割的方法加工的含有内齿的环状拼接模块的示意图。
图4是根据本发明第一实施例的将环状拼接模块轴向拼接后得到的非晶、微晶或者纳米晶合金定子铁心的示意图。
图5是根据本发明第二实施例的使用激光切割、等离子切割或者水切割的方法加工而成的单齿圆弧状的拼接模块的示意图。
图6是根据本发明第二实施例的将单齿圆弧状的拼接模块进行轴向拼接后得到的轴向大拼接模块的示意图。
图7是根据本发明第二实施例的由单齿圆弧状的拼接模块拼接成的环形大拼接模块的示意图。
图8是根据本发明第二实施例的使用单齿拼接模块拼接而成的较大尺寸的非晶、微晶或者纳米晶合金定子铁心的示意图。
具体实施方式
将参照图1至图4来描述根据本发明第一实施例的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法。
首先，使用横剪机等常规的切割装置对成卷的非晶、微晶或纳米晶合金带材进行横向切割，以形成预定长度的矩形合金薄片。对非晶、微晶或纳米晶合金带材进行切割的方法以及制作该合金带材的方法没有特别的限制。
然后，对横向切割得到的相同形状的矩形非晶、微晶或纳米晶合金薄片进行退火处理。退火的目的是消除材料内部的应力进而提高材料的软磁性能。退火温度一般在300~580℃之间，保温时间一般为0~5小时。退火处理可以在氮气或者氩气等保护气氛中完成，也可以在加磁场的条件下完成，磁场强度一般在0.02~1.50T之间，磁场方向和铸带方向垂直。
具体地讲，上述退火步骤可以在下面的条件下进行：在氮气、氩气或氢气的保护气氛下，按照如下步骤完成的：(I)、以10~30℃/min的升温速率升温至200~250℃，保温时间为5min~300min；(II)、以10~60℃/min的升温速率升温至300~560℃，保温时间为5min~300min；(III)、再以10~30℃/min的降温速率降温至80℃以下。
此后，对经退火处理的矩形非晶、微晶或纳米晶合金薄片进行树脂热固化处理，制成厚度在3~30mm范围内的形状相同的非晶、微晶或纳米晶合金板2。优选地，非晶、微晶或纳米晶合金板2的厚度为10mm~20mm。在树脂热固化成型的过程中，非晶、微晶或纳米晶合金薄片的叠片系数一般控制在0.75~0.95之间。
这里，叠片系数是指叠片铁芯的有效面积系数，叠片系数越高，铁芯的有效面积越大。
然后，根据预定形状和尺寸对非晶、微晶或纳米晶合金板2进行切割，形成所需形状和尺寸的拼接模块3，如图3中所示。
这里，在现有技术中，由于非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的厚度通常为几十厘米，所以采用高效率的激光切割、等离子切割以及水切割等切割方式很难对如此大厚度的非晶、微晶或纳米晶合金进行切割来制造定子铁心，而电火花切割方式虽然能对此大厚度的材料进行切割，但是效率很低。
然而，在本发明中，由于此处需要切割的非晶、微晶或纳米晶合金板2的厚度为3~30mm，所以此时的切割方式可以采用高效率的激光切割、等离子束切割或者水切割等方式。另外，还可以采用电火花线切割、火焰切割和化学腐蚀中的任何一种方式进行切割。
最后，使用切割得到的环状拼接模块3拼接出具有径向齿槽结构的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心4。此时，拼接模块之间的接触面通过粘结剂进行粘结固定，粘结剂可以选用固化成型使用的环氧树脂，也可以选用其它类型的粘结剂，只要能保证粘结强度并且能承受电机稳定工作时的温度即可。
在本发明的第一实施例中，由于需要制造的铁心的外径小于带材宽度，所以可以根据上述方法切割出环状拼接模块3，再将这些环状拼接模块3进行轴向拼接便可得到定子铁心4。
图1示出了根据本发明的定子铁心的轴向俯视示意图。根据本发明制造的定子铁心可以为具有多个内齿1的环状体，所有内齿的端面位于一个圆柱面上。另外，定子铁心也可以没有内齿。其中，所述非晶、微晶或纳米晶合金可以包含选自于铁基、铁镍基或钴基的材料。
下面针对外径大于带材宽度的定子铁心来描述根据本发明第二实施例的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法。
参照图5至图8，根据本发明第二实施例的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法与根据本发明第一实施例的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法相似，区别仅在于：由于定子铁心的外径大于带材的宽度，所以如图5所示，将非晶、微晶或纳米晶合金板2切割形成单齿圆弧状拼接模块5。
然后，参照图6，将图5中的单齿圆弧状拼接模块5沿着轴向层叠形成图6中的大单齿拼接模块6。此后参照图8，将图6中的大单齿拼接模块6拼接形成定子铁心8。
可选地，参照图7，可以先将图5中的单齿圆弧状拼接模块5拼接形成图7中的大环状拼接模块7。然后参照图8，将图7中的大环状拼接模块7层叠形成定子铁心8。
实施例1
制作非晶合金定子铁心的带材成份为Fe80Si9B11(at.%)，带材厚度为30±1μm，宽为142mm，表面平整光洁。首先使用横剪装置将非晶带材横剪成长度也为142mm的方形非晶合金薄片，再将这些方形非晶合金薄片在氮气保护下进行磁场退火处理。所述的磁场退火处理工艺条件如下：
1)在电炉中充入氮气作保护气体；2)以20℃/min升温速率升温至250℃时，加强度为100mT的直流磁场，磁场方向与非晶合金带材的铸带方向垂直，在250℃保温120min，再以相同的升温速率升温到390℃；3)保持磁场方向及强度不变，在390℃保温120min；4)然后以10℃/min的速率开始降温，降温至250℃时去掉磁场，再以相同的冷却速度降至室温，取出带材。
此后，对经退火处理的矩形非晶合金薄片进行树脂热固化处理。取一定层数的非晶合金片在真空的环境下浸渍在环氧树脂中，待浸渍充分后压实(叠片系数控制在0.92)，进行热固化处理制成厚度为15mm的非晶合金板。
使用激光切割设备将15mm厚的非晶合金板进行切割，切割出外径为100mm的8齿槽的环状拼接模块，如图3所示。
此后，将7块环状拼接模块进行轴向拼接，便可制得外径为100mm、高度为105mm的非晶合金定子铁心。各模块之间的拼接面之间均使用与热固化成型相同的环氧树脂进行粘接。
对上述方法制备的非晶合金定子铁心的损耗与硅钢(牌号DR255，厚度为0.35mm)铁心进行了对比，数据见表1。从表1中数据可以看出，非晶合金铁心的损耗值比硅钢降低65%以上，可见本发明制作的非晶合金定子铁心具有很低的铁心损耗，非常适合应用于高频电机。
表1
磁密B=1.0T、频率在0.05~1.00kHz范围内时，本发明的实施例1制备的非晶合金定子铁心与牌号为DR255硅钢定子铁心的损耗值
实施例2
制作非晶合金定子铁心的带材成份为Fe80Si9B11(at.%)，带材厚度为30±1μm，宽为142mm，表面平整光洁。首先使用横剪机将非晶带材剪成长度也为142mm的方形非晶合金薄片，再将这些方形非晶合金薄片在氮气保护下进行磁场退火处理。所述的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20℃/min的升温速率升温至280℃时加强度为100mT的直流磁场，磁场方向与非晶合金带材的铸带方向垂直，再以相同的升温速率升温到390℃；3)保持磁场方向及强度不变，在390℃保温120min；4)以10℃/min的速率开始降温，降温至280℃时去掉磁场，再以相同的冷却速度降至室温，取出带材。
此后，对经退火处理的矩形非晶合金薄片进行树脂热固化处理。取一定层数的非晶合金片在真空的环境下浸渍在环氧树脂中，待浸渍充分后压实(叠片系数控制在0.92)，进行热固化处理制成厚度为20mm的非晶合金板。
使用激光切割设备将厚度为20mm的非晶合金板进行切割，切割出如图5所示的单齿圆弧状拼接模块5。
此后，将7块单齿圆弧状拼接模块5进行轴向拼接便可构成轴向为140mm的大单齿拼接模块6。此后参照图8，将8块大单齿拼接模块6沿圆周方向拼接便可拼接成外径为360mm、高度为140mm的非晶合金定子铁心8。
可选地，可以先将8块单齿圆弧状拼接模块5沿圆周方向拼接构成大环状拼接模块7，再将7块大环状拼接模块7进行轴向拼接构成外径为360mm、高度为140mm的非晶合金定子铁心。各模块之间的拼接面之间均使用和热固化成型相同的环氧树脂进行粘接。
对上述方法制备的非晶合金定子铁心的损耗与硅钢(牌号DR255，厚度为0.35mm)铁心进行了对比，数据见表2。从表2中数据可以看出，实施例2中制作的非晶合金铁心的损耗值也比硅钢降低65%左右，可见实施例2中拼接法制作的非晶合金定子铁心也具有很低的铁心损耗。
表2
磁密B=1.0T、频率在0.05~1.00kHz范围内时，本发明的实施例2制备的非晶合金定子铁心与牌号为DR255硅钢定子铁心的损耗值
由于微晶和纳米晶合金软磁材料与非晶合金软磁材料一样，都是具有一定宽度的长度方向连续的薄带状金属合金材料，用来制作电机用定子铁心时的制作方法和非晶合金定子铁心完全一致，所以不再重复给出制作“微晶”和“纳米晶”铁心的具体实施例。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制备方法首先将非晶、微晶或纳米晶薄带制成适当厚度的板状合金块体，将激光、等离子或者水切割等高效率的切割方式非常方便的应用于非晶、微晶或纳米晶定子铁心的切割加工，避免了铁心整体切割时由于轴向厚度较大必须使用效率较低的电火花线切割方式，进而大幅度提高了非晶、微晶或纳米晶定子铁心的生产效率；
(2)本发明提供的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制备方法可以通过拼接的方式制作大尺寸非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心，解决了制作定子铁心的最大外径受到非晶、微晶或纳米晶合金带材宽度限制的问题；
(3)本发明提供的制造方法用于大尺寸非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制作时，首先使用激光切割、等离子切割或者水切割等加工方式将具有一定厚度的非晶、微晶或纳米晶合金板切割成含有一个齿或者多齿的圆弧状拼接模块后再进行圆周方向及铁心轴向的拼接，该制作方法生产效率高，并且制得的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心结构稳定、磁路气隙小；
(4)本发明的非晶、微晶或纳米晶定子铁心与硅钢定子铁心相比具有更高的磁导率和更低的铁心损耗，取代硅钢铁心应用于400Hz以上的高频电机时更能发挥其节能、高效及低温升的优势。
Claims (10)
1.一种非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：
对非晶、微晶或纳米晶合金带材进行横向切割，以形成多个形状和大小相同的矩形薄片；
对横向切割得到的非晶、微晶或纳米晶合金薄片进行退火处理；
将多个经过退火处理得到的非晶、微晶或纳米晶合金薄片进行树脂固化处理，得到具有预定厚度的非晶、微晶或纳米晶合金板；
使用激光切割、等离子切割、水切割、电火花线切割、火焰切割和化学腐蚀中的任何一种方式对预定厚度的非晶、微晶或纳米晶合金板进行切割，得到环状非晶、微晶或纳米晶合金拼接模块或者至少一个单齿圆弧状拼接模块；
将环状非晶、微晶或纳米晶合金拼接模块或者单齿圆弧状拼接模块层叠或拼接形成非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心。
2.根据权利要求1所述的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于所述非晶、微晶或纳米晶合金包含选自于铁基、铁镍基或钴基的材料。
3.根据权利要求1所述的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于：当需要制作的定子铁心的外径小于合金带材宽度时，先制作具有预定厚度的合金板，然后将合金板切割形成拼接模块，最后将拼接模块轴向拼接得到定子铁心。
4.根据权利要求1所述的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于：当需要制作的定子铁心的外径大于合金带材宽度时，先制作具有预定厚度的合金板，然后将合金板切割形成单齿圆弧状拼接模块，此后将单齿圆弧状拼接模块沿着轴向层叠形成大单齿拼接模块，最后将多个大单齿拼接模块拼接形成定子铁心。
5.根据权利要求1所述的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于：当需要制作的定子铁心的外径大于合金带材宽度时，先制作具有预定厚度的合金板，然后将合金板切割形成单齿圆弧状拼接模块，此后将单齿圆弧状拼接模块拼接形成大环状拼接模块，最后将多个大环状拼接模块层叠形成定子铁心。
6.根据权利要求1所述的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于，非晶、微晶或纳米晶合金薄片的叠片系数在0.75~0.95之间。
7.根据权利要求1所述的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于，所述非晶、微晶或纳米晶合金板的厚度为3mm~30mm。
8.根据权利要求1所述的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于，退火温度在300~580℃之间，保温时间为0~5小时。
9.根据权利要求1所述的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心的制造方法，其特征在于，在加磁场的条件下完成退火，磁场强度在0.02~1.50T之间，磁场方向和铸带方向垂直。
10.根据权利要求1-9中的任何一项所述的方法制造的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁心。
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