CN105118653A

CN105118653A - 一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法

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Publication number: CN105118653A
Application number: CN201510569644.7A
Authority: CN
Inventors: 王新
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2015-12-02

Abstract

本发明公开了一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，包括如下步骤：用无机绝缘耐高温粘结剂对非晶合金带材双面涂覆，烘干带材；切割带材，将相同形状的非晶合金片在模具中以直线或弧线方式层叠，垂直压制成直线或弧线层叠体铁芯胚；或者将非晶合金带材紧绕成圆环体铁芯胚；或者将非晶合金带材紧绕成跑道体铁芯胚；将不同种类的铁芯胚固定在用透微波、耐高温材料制作的不同结构和形状的夹具中；在微波炉中对铁芯胚加热/退火/固化；对铁芯胚进行后续加工、表面涂层处理，形成所需形状和尺寸的铁芯或铁芯部件。该方法可用于制备径向、横向、轴向磁通电机以及变压器的非晶合金铁芯。

Description

一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法

技术领域

本发明涉及电机、变压器铁芯的制备方法，特别涉及用于电机、变压器的非晶合金铁芯的制备方法。

背景技术

与传统的电机、变压器中所用的硅钢片铁芯材料相比，非晶合金带材具有低损耗、高磁导率、较高电阻率以及良好的温度稳定性。非晶合金带材铁芯在电机、变压器的应用对提高效率、节能降耗意义重大，正受到世界各国的高度重视。

以现有技术制备电机、变压器用非晶合金铁芯仍面临诸多挑战性困难：

第一，由于非晶合金与硅钢片带材在厚度、硬度、抗拉强度方面的巨大差别，对非晶合金带材的加工，难于使用对硅钢片加工中普遍使用的冲裁工艺。在中国专利CN201110336946《轴向磁通电机用非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯及其制造方法》中，仍旧采用冲裁工艺来加工非晶合金带材，然后绕制成轴向磁通电机非晶合金定子铁芯的绕组槽。对比非金合金带材与硅钢片带材的物理特性：非晶合金带材厚度为30μm，而硅钢片厚度为300μm以上；非晶合金带材的抗拉强度达3000MPa以上，目前，铁基非晶合金带材的最大抗拉强度已经超过4000MPa，相当于碳纤维的抗拉强度，而硅钢片的抗拉强度为340MPa；非晶合金带材的维氏硬度900HV，而冷轧硅钢片为180HV。实际试验也反复证明，对于非晶合金带材，若使用现有的冲裁工艺，很容易产生冲切不断或冲件变形等故障。即使提高了冲模的精度和硬度，最终实现了冲裁，其冲裁次数也是相同层叠厚度硅钢片铁芯的十几倍。所以，用现有的冲裁工艺加工非晶合金带材，其对模具的高要求、高损耗以及低效率是难以接受的。

第二，由于非晶合金的材料特性，难于使用在硅钢片铁芯制备中常用的压制成型和氩弧焊接定型工艺，通常只能选择层叠粘结的方法。中国专利CN200810007282《一种用于高速电机的非晶合金定子铁芯的制备方法》提出的方法是：用两个硬质夹板将非晶合金叠片夹在夹板之间，对所述层叠棒进行气氛保护下的退火，退火使层叠棒定型为整体形状；退火后用粘结剂浸渍层叠棒，为改善浸渍效果，解除对层叠棒的夹板固定，抽真空，以使浸渍液在叠层间分布均匀；将浸渍粘结剂的层叠棒固化。这种先退火成型，后用粘结剂浸渍固化的方法需要用2～3道工艺步骤完成，为防止工件高温氧化，需要气氛保护。该方法对设备要求高，加工成本高；抽真空并不能保证粘结剂在叠层间分布均匀，这使得层叠棒的层间粘结状况不佳，强度不高，经不起后续机械加工的冲击。电力变压器的非晶合金铁芯的制作方法也是先将非晶合金铁芯退火定型，然后浸渍粘结剂固化。上述两种非晶合金铁芯的明显缺点是噪声大，这正是非晶合金铁芯层叠间粘结剂分布不均匀、粘结强度不高的必然反映。

第三，热处理退火工艺是非晶合金铁芯制作过程中关键和难以控制的工序。目前各种用于非晶合金铁芯的热处理方法，就其对工件加热形式而言，都是由外向内的热传导方式。由外向内的热传导容易在工件内部形成温度梯度，导致难以控制退火温度及保温时间，可能造成非晶合金铁芯胚体脆化，而铁芯胚体脆化对后续加工极为不利。因为退火前非晶合金带材两面没有用粘结剂涂覆和封闭，为防止高温氧化，必须提供气氛保护。

综上所述，现有电机、变压器非晶合金铁的制备技术未能克服上述挑战性困难。在大量实验成果的基础上，本发明克服了上述挑战性困难，提供了一种高效且质量稳定的电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种高效且质量稳定的电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法。该方法包括如下步骤：

(1)使用无机绝缘耐高温粘结剂对非晶合金带材进行双面涂层处理；

(2)烘干经涂层处理的非晶合金带材；

(3)切割非晶合金带材，将相同形状的非晶合金片在模具中以直线或弧线方式层叠，垂直压制成直线或弧线层叠体铁芯胚；或者将非晶合金带材紧绕成圆环体铁芯胚；或者将非晶合金带材紧绕成跑道体铁芯胚；

(4)将直线或弧线层叠体或圆环体或跑道体铁芯胚固定在透微波材料制作的夹具中；

(5)在微波炉中对直线或弧线层叠体或圆环体或跑道体铁芯胚加热/退火/固化；

(6)对铁芯胚进行加工，表面涂层处理，形成所需形状和尺寸的铁芯或铁芯部件。

本发明非晶合金铁芯的制备方法进一步概述如下：

非晶合金带材的材料包括铁基、铁镍基、鈷基非晶合金。

制作径向磁通电机铁芯用直线层叠体铁芯胚；制作横向磁通电机铁芯用弧线层叠体铁芯胚；制作轴向磁通电机铁芯用圆环体铁芯胚；制作变压器铁芯用跑道体铁芯胚。

无机绝缘耐高温粘结剂是由SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SiC、水玻璃、硅烷或钛酸酯偶联剂及水混合而成，其中各种固体材料粉末的粒度均为纳米级；其成分组成为(重量％)：SiO₂：10％～15％，Al₂O₃：10％～15％，ZrO₂：2％～5％，SiC：5％～8％，水玻璃溶液：30％～35％，硅烷或钛酸酯偶联剂10％～15％，其余为水。

烘干经涂层处理的非晶合金带材，其温度控制范围为60℃～120℃。

对直线或弧线层叠体垂直压制成型，压力采用20～30t/cm²。

在微波热处理前，将直线或弧线层叠体或圆环体或跑道体铁芯胚固定在用Al₂O₃或ZrO₂等透微波、耐高温材料制作的夹具中。

专用微波炉的外壳与炉膛为嵌套矩形箱体结构，顶部中心设有红外测温孔，正前面设有炉门，炉膛内底部设有载物转盘；炉膛壁由两层金属板间夹一层陶瓷保温材料制成；炉膛左、右侧分别设置多个磁控管并分别垂直对齐，左侧与右侧磁控管对齐垂直线所在平面要平行错开一个间距，该间距为炉膛前后深度的10％～20％；磁控管微波频率为890～940MHz。

微波炉内的保温盒用Al₂O₃或ZrO₂等透微波、耐高温材料制作，分为上、下两个部件，其壁厚通常小于10mm。

在专用微波炉中，对非晶合金铁芯胚加热/退火/固化同时进行；温度控制范围为230℃～380℃，在预定高温，保温20～30分钟。

对微波热处理后的非晶合金铁芯胚的加工方式，包括各种机械能形式的加工，也包括以电、激光、热、化学能等形式的加工。

本发明的优点：

对于非晶合金带材的加工，回避了冲裁工艺。有关非晶合金铁芯外部形状的加工都推移到非晶合金铁芯胚通过微波炉的加热/退火/固化之后。

采用对环境友好的无机绝缘耐高温粘结剂。采用该粘结剂的好处在于：利用该粘结剂的耐高温特性，能够在退火成型之前就用粘结剂对非金合金带材的两面进均匀涂覆，避免了现有技术是在铁芯退火成型之后，再对其抽真空浸渍粘结剂，导致粘结剂在层叠面上分布不均匀的弊端；非金合金带材两面涂覆和封闭在无机绝缘耐高温粘结剂之中，使得铁芯胚体在微波热处理退火时，无需提供气氛保护措施；粘结剂在微波场中高温固化，提高了非晶合金片叠层间的粘结强度。

在微波场中对铁芯胚的加热/退火/固化一步完成，制得整块坚固的铁芯胚体；使用较低的微波频率890～940MHz扩大了微波加热深度；与由外向内的热传导方式不同，微波加热产生分子内电介质的电磁功率损耗，导致分子内部和分子间的热运动，有利于快速消除非晶合金材料的内应力，降低所需退火温度，因此，微波加热温度可设置在非晶合金材料脆化临界温度之下，或者，为了确保热处理退火的可靠性，可设置加热温度稍高于材料脆化临界温度；微波热处理提高了非晶合金铁芯胚体的致密性；微波加热的高效能和快速升温节省了加工时间，降低了能源消耗。

制得整块坚固的铁芯胚体之后，可以使用各种现有技术加工非晶合金铁芯。

本方法制备的非晶合金铁芯噪声远低于相关指标。

附图说明

图1径向、横向、轴向磁通电机、变压器非晶合金铁芯制备流程示意图。

图2专用微波炉结构图。

图3专用微波炉顶视图。

图4微波炉内保温箱结构图。

图5实施例1，非晶合金带材经涂覆、烘干、切割、直线压制，形成整体的直线层叠体铁芯胚。

图6实施例1，微波炉中直线层叠体铁芯胚及其固定夹具。

图7实施例1，径向磁通电机直线层叠体铁芯胚加工前后对比，由径向磁通电机定子铁芯部件粘结组合成整个定子铁芯。

图8实施例2，非晶合金带材经涂覆、烘干、切割、弧线压制，形成整体的弧线层叠体铁芯胚。

图9实施例2，微波炉中弧线层叠体铁芯胚及其固定夹具。

图10实施例2，横向磁通电机弧线层叠体铁芯胚加工前后对比，横向磁通电机中，1相离散的4极定子与转子铁芯空间结构示意图。

图11实施例3，非晶合金带材经涂覆、烘干、紧绕形成圆环体铁芯胚。

图12实施例3，微波炉中圆环体铁芯胚及其固定夹具。

图13实施例3，轴向磁通电机定子圆环形铁芯胚体加工前后对比。

图14实施例4，非晶合金带材经涂覆、烘干、紧绕形成跑道体铁芯胚。

图15实施例4，微波炉中跑道体铁芯胚及其固定夹具。

图16实施例4，变压器跑道体铁芯胚加工前后对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。

图1是径向、横向、轴向磁通电机、变压器非晶合金铁芯制备流程示意图。

图2是专用微波炉结构图。图中，微波炉外壳60，左侧磁控管61，右侧磁控管62，红外测温孔63，炉膛壁64，载物转盘65。

图3是专用微波炉顶视图，说明左侧与右侧多个磁控管纵列平行错开一个间距。该间距为炉膛前后深度的10％～20％。

图4是微波炉内保温箱结构图。图中，保温箱下半部70，保温箱上半部71，红外测温孔72。微波炉内的保温盒用Al₂O₃或ZrO₂等透微波、耐高温材料制作，其壁厚通常小于10mm。

实施例1径向磁通电机非晶合金铁芯制备步骤：

如图5所示，非晶合金带材经涂覆、烘干、切割、直线压制，形成整体的直线层叠体铁芯胚。图中，装有制动器的带材盘1，非晶合金带材2，涂料槽3，粘结剂涂料4，槽内导向辊5，搅拌器6，搅拌器电机7，涂料槽盖板8，刮液板9，烘箱10，加热管11，烘箱上方导向辊12，夹棍13，滚剪切割位置14，切割检测位置15，切割后下落的带材片16，带材片收集箱17，收集的带材片层叠体18，直线层叠体20，压制力21，压板22，压制台23，上压铁24，侧面压模25和26。

无机绝缘耐高温粘结剂组成为(重量％)：SiO₂：12％，Al₂O₃：13％，ZrO₂：3％，SiC：5％，水玻璃溶液：32％，硅烷偶联剂12％，其余为水。将该涂料的组成材料混合搅拌均匀后加入涂料槽3，启动电动搅拌器6，10分钟后方可开始作业。电动搅拌器6在涂覆过程中持续转动，搅拌速度可调。

利用非晶合金带材抗拉强度达3000MPa以上的特性，由6对夹棍13夹持输送带材2，利用带材盘1的制动力，使带材保持适当张力，带材连续输送速度可为设定为1m～1.5m/s；带材经过涂料槽3，经刮液板9刮去多余涂液，进入烘箱10，烘箱温度设定为120℃；当切割检测位置15检测到带材首端到达信号，夹棍13中止转动，带材输送暂停，滚剪机在位置14处剪切带材；夹棍13恢复转动，带材输送重新开始；切割后的非晶合金片被输送，落料到带材片收集箱17中。上述过程重复进行。当切割并落料到收集箱17中的非晶合金片计数达到预定值，暂停作业，将预定层叠厚度的层叠体20移送到压制台23上。

采用丝杆、液压或气动力驱动侧面压模25和26，对层叠体20的两对侧面进行直线整形；通过压板22和上压铁24，以30t/cm²的压力将直线层叠体20压制成型，使得直线层叠体20成为整块铁芯胚体。

如图6所示，微波炉中直线层叠体铁芯胚及其固定夹具。图中，直线层叠体铁芯胚20，直线层叠体铁芯胚夹具27。直线层叠体铁芯胚夹具27由ZrO₂材料制作，由上、下两块压板、4根螺柱以及8个螺母组成。调节上压板上方的4个螺母，放入直线层叠体铁芯胚20；再次调节上压板上的4个螺母，使上压板固定直线层叠体铁芯胚20。

磁控管的微波频率为890～940MHz。微波加热温度控制在280℃，在此高温保温20分钟。

加工径向磁通电机的非晶合金定子铁芯的绕组槽，比较有效的工艺手段是电火花线切割，但是，普通电火花线切割机床只能加工导体材料。非晶合金带材的电阻率是130μΩ.cm，非晶合金带材本身用电火花线切割加工没有问题。但是，非晶合金层叠之间含有固化的粘结剂绝缘层，其厚度虽仅有3～5μm，也会给电火花线切割造成困难。采用辅助电极法加工绝缘陶瓷材料的新技术已经开始推广应用。选择能够用辅助电极法加工绝缘陶瓷材料的新型电火花线切割机床，或者将现有电火花线切割机床进行相关技术改造，采用辅助电极法加工非晶合金铁芯胚是可以实现的。

如图7所示，径向磁通电机定子直线层叠体铁芯胚加工前后对比，由铁芯部件粘结组合成径向磁通电机的整个定子铁芯。图中，直线层叠体铁芯胚20经微波加热/退火/固化。用电火花线切割加工后的径向磁通电机定子铁芯部件28。受生产技术限制，目前国内生产的非晶合金带材宽度最宽也就200mm多。为了制作直径超过200mm的径向磁通电机的定子铁芯，本例采用部件拼接的办法。使用本发明的无机绝缘粘结剂，将加工后的6个定子铁芯部件28粘结成为整个径向磁通电机的定子铁芯29，并在专用微波炉中将定子铁芯29固化。

实施例2横向磁通电机非晶合金铁芯制备步骤：

如图8所示，非晶合金带材经涂覆、烘干、切割、弧线压制，形成整体的弧线层叠体铁芯胚。图中，弧线层叠体30，压制力31，上压板32，压制台33，上压铁34，侧面弧线压模35和36。

涂覆用无机绝缘耐高温粘结剂的组成(重量％)与实施例1相同。

横向磁通电机铁芯通常是以相分段，每相段中定子或转子的各个铁芯是离散的，并排列成圆周阵列。对层叠体的弧线压制是为了在后续切削加工中减少材料的浪费。非晶合金片层叠体的弧线压制通常采用与电机定、转子间的气隙中线直径相等的圆弧线作为压制弧线。

横向磁通电机非晶合金铁芯制备步骤，其中的涂覆、烘干、切割步骤与径向磁通电机的直线层叠体相同。切割后收集到非晶合金片层叠体30，将其放置到压制台33上。采用丝杆、液压或气动力31驱动侧面压模35与36，对层叠体30的1对侧面进行弧线整形，另一对侧面仍采用直线整形；通过压板32和上压铁34，以20t/cm²的压力将弧线层叠体30压制成型，使得弧线层叠体30成为整块的弧线层叠体铁芯胚。

如图9所示，微波炉中弧线层叠体铁芯胚及其固定夹具。图中：弧线层叠体铁芯胚30，弧线层叠体铁芯胚夹具37。弧线层叠体铁芯胚夹具37的形状、结构以及固定方法与直线层叠体铁芯胚夹具27类似。

加工横向磁通电机定子铁芯，可以对弧线层叠体铁芯胚采用车削、铣削等机械加工工艺，也可以采用辅助电极法的电火花线切割加工方式。

如图10所示，横向磁通电机弧线层叠体铁芯胚加工前后对比，横向磁通电机中，1相离散的4极定子与转子铁芯空间结构示意图。图中，弧线层叠体铁芯胚30，加工后的横向磁通电机1相的4个定子铁芯38，4个转子铁芯39。4个定子铁芯38，4个转子铁芯39分别沿电机定转子气隙的定子侧与转子侧排列成圆周阵列。

实施例3轴向磁通电机非晶合金铁芯制备步骤：

如图11所示，非晶合金带材经涂覆、烘干、紧绕形成圆环体铁芯胚。图中，圆环体铁芯胚40，圆环体铁芯胚内环夹具41。

无机绝缘耐高温粘结剂组成(重量％)与实施例1相同。

烘箱温度设定为80℃，经过烘箱的带材表面可以保留一定程度的粘性，便于绕制。加大带材盘1的制动力，实现圆环体铁芯胚的紧绕。连续紧绕，带材绕制速度为1m～1.5m/s。

如图12所示，微波炉中圆环体铁芯胚及其固定夹具。图中，圆环体铁芯胚40，圆环形铁芯胚体内环夹具41，圆环体铁芯胚外环夹具42。

加工轴向磁通电机定子铁芯，可以采用车削、铣削等机械加工工艺，也可以采用辅助电极法的电火花线切割加工方式。

如图13所示，轴向磁通电机圆环体铁芯胚加工前后对比。圆环体铁芯胚内环夹具41，圆环体铁芯胚外环夹具42与加工后的轴向磁通电机的圆环体铁芯43一起构成轴向磁通电机的定子非晶合金铁芯。

实施例4变压器非晶合金铁芯制备步骤：

如图14所示，非晶合金带材经涂覆、烘干、紧绕成跑道体铁芯胚。图中，跑道体铁芯胚50，跑道体铁芯胚内夹具51。

无机绝缘耐高温粘结剂组成(重量％)与实施例1相同。

烘箱温度设定为80℃，经过烘箱的带材表面可以保留一定程度的粘性，便于绕制。加大带材盘1的制动力，实现跑道体铁芯胚的紧绕。连续紧绕，带材绕制速度为1m～1.5m/s。

如图15所示，微波炉中跑道体铁芯胚及其固定夹具。图中：跑道体铁芯胚50，跑道体铁芯胚内夹具51，跑道体铁芯胚外夹具52。

对变压器跑道形铁芯胚的后续加工的主要目的是要将整个跑道形铁芯胚切割为两部分，便于安装变压器绕组。采用辅助电极法电火花线切割加工是合适的。

如图16所示，变压器跑道形铁芯胚体加工前后对比。加工前变压器跑道形铁芯胚体50，加工后的变压器铁芯下半部分53，加工后的变压器铁芯上半部分54。

Claims

1.一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，该方法包括如下步骤：

(2)烘干经涂层处理的非晶合金带材；

2.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，所述的非晶合金带材的材料包括铁基、铁镍基、鈷基非晶合金。

3.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，制作径向磁通电机铁芯用直线层叠体铁芯胚；制作横向磁通电机铁芯用弧线层叠体铁芯胚；制作轴向磁通电机铁芯用圆环体铁芯胚；制作变压器铁芯用跑道体铁芯胚。

4.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，所述无机绝缘耐高温粘结剂是由SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SiC、水玻璃、硅烷或钛酸酯偶联剂及水混合而成，其中各种固体材料粉末的粒度均为纳米级；

其成分组成为(重量％)：SiO₂：10％～15％，Al₂O₃：10％～15％，ZrO₂：2％～5％，SiC：5％～8％，水玻璃溶液：30％～35％，硅烷或钛酸酯偶联剂10％～15％，其余为水。

5.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，所述烘干经涂层处理的非晶合金带材，其温度控制范围为60℃～120℃。

6.根据权利要求1所述电机、变压器非晶合金铁芯制备方法，其特征在于，对直线或弧线层叠体垂直压制成型，压力采用20～30t/cm²。

7.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，在微波热处理前，将直线或弧线层叠体或圆环体或跑道体铁芯胚固定在用Al₂O₃或ZrO₂等透微波、耐高温材料制作的夹具中。

8.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，专用微波炉的外壳与炉膛为嵌套矩形箱体结构，顶部中心设有红外测温孔，正前面设有炉门，炉膛内底部设有载物转盘；炉膛壁由两层金属板间夹一层陶瓷保温材料制成；炉膛左、右侧分别设置多个磁控管并分别垂直对齐，左侧与右侧磁控管对齐垂直线所在平面要平行错开一个间距，该间距为炉膛前后深度的10％～20％；磁控管微波频率为890～940MHz。

9.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，微波炉内的保温盒用Al₂O₃或ZrO₂等透微波、耐高温材料制作，分为上、下两个部件，其壁厚通常小于10mm。

10.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，在专用微波炉中，对非晶合金铁芯胚的加热/退火/固化同时进行；温度控制范围为230℃～380℃，在预定高温，保温20～30分钟。

11.根据权利要求1所述一种电机、变压器用非晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，对微波热处理后的非晶合金铁芯胚的加工方式，包括各种机械能形式的加工，也包括以电、激光、热、化学能等形式的加工。