CN105743296B - 一种用于高速电机的纳米晶合金定子铁芯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速电机用纳米晶合金定子铁芯的制备方法。该制备方法包括如下步骤：切割纳米晶合金带材，以形成具有预定长度的多个纳米晶合金片；对纳米晶合金片叠片，以形成具有预定厚度的纳米晶合金片层叠棒；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。该方法制备的纳米晶定子铁芯低损耗且外观整齐完整。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速电机用纳米晶合金定子铁芯的制备方法，该方法获得的定子铁芯具有优异的磁性能和整齐完整的外观。
背景技术
在高技术领域中，如高速机床、航空发动机、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，都需要能在高速或超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)使得由坡莫合金组成的磁性部件尺寸增加成为必然。
非晶合金材料尽管优于以上两种材料，但是在高频下使用时，铁芯损耗还是比较大，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，因此需要进一步降低铁芯损耗，提高电机效率。
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纳米晶合金定子铁芯制备方法的需求，这种方法既要保留纳米晶合金在高频下低铁芯损耗、高磁导率的特点，又要克服纳米晶合金带材薄而硬使得定子铁芯加工困难的特点，制备出低损耗且外观整齐完整的纳米晶合金定子铁芯。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于高速电机的纳米晶合金定子铁芯的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于高速电机的纳米晶合金定子铁芯的制备方法，包括如下步骤：
切割纳米晶片的步骤，切割纳米晶合金带材，以形成具有预定长度且相同形状的多个纳米晶合金片；
叠片步骤，对所述纳米晶合金片叠片，以形成具有预定厚度的纳米晶合金片层叠棒；
退火步骤，对所述层叠棒进行退火；
浸渍步骤，将退火后的所述层叠棒用粘结剂浸渍；
固化步骤，将浸渍后的层叠棒固化；
最终定形切割步骤，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。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述纳米晶合金为Fe基纳米晶，更优选地，Fe基纳米晶为FeCuNbSiB，采用该种铁基纳米晶合金铁芯磁性能更为优异。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述退火是在立式炉或罩式炉中氮气气氛下进行的。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，最终定形切割步骤采用线切割。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述切割纳米晶片的步骤之前对纳米晶带材进行涂层处理。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述退火是在加磁场的条件下进行的；更优选地，所述磁场的方向是纵磁、横磁或横纵复合磁场；进一步地，所述磁场的方向是横磁。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述退火的温度为300℃-600℃，保温时间为10小时以下。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述粘结剂为环氧树脂与乙酸乙酯的混合物，所述环氧树脂与所述乙酸乙酯的重量比为1:3-5。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述浸渍的时间为15分钟以上，更优选地，所述浸渍的时间为1h以下。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明首次提出用于高速电机的纳米晶合金定子铁芯的制备方法，且本发明的制备方法工艺简单、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纳米晶合金定子铁芯具有良好的磁性能，损耗与非晶定子铁芯相比低得多，详见表1。本发明的纳米晶合金定子铁芯在较高的频率下使用时，能使铁芯损耗值大幅度降低，详见图4、图5和图6。此外，当被用作电动机的定子时，与非晶定子相比，当二者在相同的磁感应强度和频率下被磁化时，所述纳米晶定子发热较少，因此本发明的纳米晶定子铁芯尤其适用于高速及超高速电机。
(3)使用所述纳米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为本发明切割后的纳米晶定子铁芯示意图；
图3为本发明实施例1所制备的纳米晶定子铁芯示意图；
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为纳米晶定子铁芯的损耗随频率变化的曲线。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加详细、清楚，下面采用具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不限于此。
一种用于高速电机的纳米晶合金定子铁芯的制备方法，包括如下步骤：
(1)切割纳米晶片的步骤，切割纳米晶合金带材，以形成具有预定长度且相同形状的多个纳米晶合金片；对于纳米晶合金带材和得到该纳米晶合金带材的方法没有特别的限制。然而更加优选地，纳米晶合金为Fe基纳米晶，进一步地，Fe基纳米晶为FeCuNbSiB，采用该种铁基纳米晶合金铁芯磁性能更为优异。
(2)叠片步骤，对所述纳米晶合金片叠片，以形成具有预定厚度的纳米晶合金片层叠棒，如图1所示；本发明所述的层叠棒实际上就是将多层纳米晶合金片叠置在一起后形成的具有一定厚度的层积体；
(3)退火步骤，对所述层叠棒进行退火；所述退火是在立式炉或罩式炉中氮气或其它可以防止带材氧化的气氛下进行的，所述退火可以为普通退火，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。优选地，所述退火是在加磁场的条件下进行的；更优选地，所述磁场的方向是横向磁场。所述退火的温度优选为300℃-600℃(比如310℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、590℃)，保温时间优选为10小时以下(比如0h、3h、5h、7h、9h)。
(4)浸渍步骤，将退火后的所述层叠棒用粘结剂浸渍；所选用的粘结剂没有特别的限制，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。优选地，所述粘结剂为环氧树脂与乙酸乙酯的混合物，该粘结剂在不降低所述层叠棒的基础上将层叠棒粘接在一起，所述环氧树脂与所述乙酸乙酯的重量比为1:3-5。所述浸渍的时间为15分钟以上，优选浸渍时间低于1h。
(5)固化步骤，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。
(6)最终定形切割步骤，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，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。优选地，最终定形切割步骤采用线切割。
实施例1
名义成份为Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7(at.％)的铁基纳米晶合金带材采用平面流铸带方法制备，带材厚度为22±1μm，宽为55mm，表面光洁。首先将55mm宽的纳米晶合金薄带剪成75mm长的段，再将这片状纳米晶带叠成宽55mm、长75mm和高27mm的纳米晶层叠棒，然后再将纳米晶棒在立式炉中退火，退火过程中通循环氮气以防止纳米晶棒氧化。所述退火工艺为：1)把所述纳米晶棒加热到565℃；2)在565℃左右保温120分钟，未加磁场。将退火后的纳米晶棒放入环氧树脂与乙酸乙酯重量百分比为1:4的浸漆液中浸漆1小时后在125℃保温4小时固化，最后将纳米晶棒切割成外径为48mm、内径为26mm和高度为27mm的12槽定子铁芯，叠片系数为0.87，如图3所示。
本发明制备的铁芯具有良好的磁性能，具体参见表1。
在进行本实施例的同时，还设置了成分为Fe80Si9B11的非晶合金和硅钢DR255作为对比例。
图3-5分别为采用本实施例方法并以硅钢DR255、Fe80Si9B11的非晶合金和Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7(at.％)的铁基纳米晶合金材料作为原料制成的定子铁芯的损耗随频率变化的曲线；从图中可知，以Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7(at.％)的铁基纳米晶合金带材制成的定子铁芯的损耗远低于Fe80Si9B11的非晶合金和硅钢DR255。
表1纳米晶、非晶和硅钢定子铁芯的损耗
实施例2
除退火工艺与实施例1不同以外，本实施例铁芯的其他制备工艺与实施例1相同。本实施例的退火工艺分为如下三组：1)把所述纳米晶棒加热到565℃，但在加热至400℃时开始加纵向(即纳米晶带材的长度方向)磁场50mT；之后，在565℃左右保温120分钟，然后降温至400℃时撤掉磁场。2)把所述纳米晶棒加热到565℃，但在加热至400℃时开始加横向(即纳米晶带材的宽度方向)磁场50mT；之后，在565℃左右保温120分钟，然后降温至400℃时撤掉磁场。3)把所述纳米晶棒加热到565℃保温120分钟，不加磁场退火。制备的铁芯损耗具体参见表2。由表可知，横向磁场退火获得的铁芯损耗值最低。
表2实施例2第1-3组铁芯的磁性能
实施例3
除浸渍步骤的浸渍液不同于实施例1以外，本实施例铁芯的其他制备工艺与实施例1相同。本实施例是将退火后的晶体棒分别放入不经稀释的环氧树脂浸渍液、重量比为1:1的环氧树脂与乙酸乙酯混合液、以及重量比为1:4的环氧树脂与乙酸乙酯混合液中，当进一步提高乙酸乙酯的用量时纳米晶定子铁芯散片，无法保持其结构的完整性。制备的纳米晶定子铁芯损耗参见表3，由表可知，重量比为1:4的环氧树脂与乙酸乙酯混合液获得的铁芯损耗值最低。
表3实施例3纳米晶定子铁芯的磁性能
Claims (7)
1.一种高速电机用纳米晶合金定子铁芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
切割纳米晶片的步骤，切割纳米晶合金带材，以形成具有预定长度且形状相同的多个纳米晶合金片；所述纳米晶合金为Fe基纳米晶合金FeCuNbSiB；
叠片步骤，对所述纳米晶合金片叠片，以形成具有预定厚度的纳米晶合金片层叠棒；
退火步骤，对所述层叠棒进行退火；所述退火是在加横向磁场的条件下进行的；
浸渍步骤，将退火后的所述层叠棒用粘结剂浸渍；所述粘结剂为环氧树脂与乙酸乙酯的混合物，所述环氧树脂与所述乙酸乙酯的重量百分比为1:3-4；
固化步骤，将浸渍后的层叠棒固化；
最终定形切割步骤，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纳米晶合金定子铁芯。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于，所述退火是在立式炉或罩式炉中氮气气氛下进行的。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于，最终定形切割步骤采用线切割。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，切割纳米晶片的步骤之前对纳米晶带材进行涂层处理。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为300℃-600℃，保温时间为10小时以下。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的时间为15分钟以上。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的时间为1h以下。
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