CN106026425A - 具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机及制备方法，该开关磁阻电机包括具有定子凸极的定子铁心、与所述定子铁心适配的具有转子凸极的转子铁心、电机转轴、线圈绕组和电机机壳，所述转子铁心与所述电机转轴连接以在所述电机转轴的带动下绕所述电机转轴的轴线转动，所述线圈绕组缠绕在所述定子铁心的定子凸极上，所述定子铁心和所述转子铁心置于所述电机机壳内，所述定子铁心和所述转子铁心均由纳米晶合金制成。相对于非晶合金和硅钢，纳米晶合金材料厚度更薄，磁滞损耗、涡流损耗更小，且具有更高的初始磁导率和磁导率，更适合开关磁阻电机向高频高速、高效、调速范围更宽的方向发展。

Description

具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机及制备方法

技术领域

本发明涉及发动机和发电机领域，特别涉及一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机及制备方法。

背景技术

开关磁阻电机是利用磁阻最小原理形成磁拉力，电机转子没有线圈和永磁体，因此具有结构坚固，启动电流小，调速范围宽广，系统可靠性高、成本低等特点。电机本体的定子铁心和转子铁心都由导磁材料组成，定子和转子铁心一般使用硅钢材料，铁损大、温升高，限制了其向高频高速、高效率、高功率密度方向的发展。

与硅钢材料相比，非晶合金材料(比如Fe₈₀Si₉B₁₁)具有高磁导率、低剩磁，高电阻率的特点，尤其是在高频磁通下低损耗特性可使具有非晶合金铁心的电机在高效节能、高频高速、高功率密度方面有很大优势。在美国专利US7018498B2、中国专利CN103296792A中，LE公司和深圳华任兴公司均将非晶态合金应用于盘式结构永磁电机，可显著提升电机效率。但是，非晶态合金铁心饱和磁感较硅钢铁心低，在传统电机电流超过其额定电流的工况下(比如启动或短时大负载)铁心易饱和，输出扭矩减小，抗饱和能力差，从而限制了其大规模替代硅钢材料直接应用于现有机型的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机及制备方法，以至少能够解决现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机，包括具有定子凸极的定子铁心、与所述定子铁心适配的具有转子凸极的转子铁心、电机转轴、线圈绕组和电机机壳，所述转子铁心与所述电机转轴连接以在所述电机转轴的带动下绕所述电机转轴的轴线转动，所述线圈绕组缠绕在所述定子铁心的定子凸极上，所述定子铁心和所述转子铁心置于所述电机机壳内，所述定子铁心和所述转子铁心均由纳米晶合金制成。

进一步地，在上述具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机中，所述纳米晶合金为Fe基纳米晶。

进一步地，在上述具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机中，所述Fe基纳米晶合金为FeCuNbSiB。

本发明还公开一种制备上述具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机的方法，包括如下步骤：

具有定子凸极的所述定子铁心和具有转子凸极的所述转子铁心均采用纳米晶合金带材经卷绕成空心柱体或叠片成块体，再经整体退火、环氧树脂粘接、烘干固化后，然后再采用线切割或铣削的方式加工出齿槽和轮廓；

将所述线圈绕组缠绕在所述定子铁心的定子凸极上；

所述电机转轴安装在所述电机机壳上；

所述定子铁心和所述转子铁心通过压入、热装、间隙嵌合三种之中的任一种方法被分别装配在所述电机机壳内，组装成所述具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机。

进一步地，在上述方法中，还包括抽真空的步骤，即在所述环氧树脂粘接步骤中，当所述定子铁心和所述转子铁心浸入装有环氧树脂的容器后，整体抽真空，以排出所述纳米晶合金带材之间的气泡。

进一步地，在上述方法中，在采用线切割或铣削的方式加工出齿槽和轮廓步骤之后，对所述定子铁心和转子铁心的表面进行绝缘处理以形成绝缘层。

进一步地，在上述方法中，所述开关磁阻电机采用径向磁场结构，所述定子铁心和所述转子铁心的齿槽和轮廓是用线切割方法从同一块由适当宽度的纳米晶合金带材叠成的块体上切出。

进一步地，在上述方法中，所述开关磁阻电机采用轴向磁场结构，所述定子铁心和所述转子铁心的齿槽是采用由适当宽度的纳米晶合金带材卷绕成的空心柱体上通过线切割或铣削方式加工。

本发明还公开另外一种制备上述具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机的方法，包括如下步骤：

所述定子铁心和所述转子铁心均采用纳米晶合金带材经冲槽卷绕加工成端面具有齿槽的空心柱体，再经整体退火、环氧树脂粘接、烘干固化后，然后修整齿槽，从而形成具有定子凸极的定子铁心和具有转子凸极的转子铁心；

将所述线圈绕组缠绕在所述定子铁心的定子凸极上；

所述电机转轴安装在所述电机机壳上；

所述定子铁心和所述转子铁心通过压入、热装、间隙嵌合三种之中的任一种方法被分别装配在所述电机机壳内，组装成所述具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机。

进一步地，在上述方法中，所述开关磁阻电机采用轴向磁场结构。

分析可知，本发明公开一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机，相对于非晶合金和硅钢，纳米晶合金材料(如Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_15.5B₇)厚度更薄，磁滞损耗、涡流损耗更小，且具有更高的初始磁导率和磁导率，更适合开关磁阻电机向高频高速、高效、调速范围更宽的方向发展。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为具有纳米晶合金铁心的径向开关磁阻电机示意图(以8/6结构为例)；

图2为具有纳米晶合金铁心的径向开关磁阻电机示意图(以8/6结构为例)；

图3为轴向磁场开关磁阻电机纳米晶合金铁心加工示意图一(以8齿定子铁心为例)；

图4为图3中A-A剖视示意图；

图5为轴向磁场开关磁阻电机纳米晶合金铁心加工示意图二(以8齿定子铁心为例)；

H1为合金带材的带宽，L1为合金带材的长度方向；

H2为齿槽的深度，L2为齿槽的宽度；

注：H1、L1、H2、L2的数值根据电机铁心结构参数确定，相互匹配、制约。就目前工艺水平，H1最大值为100mm左右，限制了铁心的轴向尺寸，L1根据电机铁心的内、外径确定，H2、L2可由轴向尺寸和外径计算得出。

图6为具有纳米晶合金铁心的轴向磁场开关磁阻电机示意图(以8/6结构为例)；

图7为图6中C-C剖视示意图；

图8为硅钢、非晶合金、纳米晶合金的在50-2000Hz频率下的动态磁滞回线对比；

图9为硅钢、非晶合金、纳米晶合金的磁化曲线对比。

附图标记说明：1定子铁心，2转子铁心，3线圈绕组，4电机机壳，5电机转轴。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1至图7所示，一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机，包括具有定子凸极的定子铁心1、与定子铁心1适配的具有转子凸极的转子铁心2、电机转轴5、线圈绕组3和电机机壳4，转子铁心2与电机转轴连接以在电机转轴的带动下绕电机转轴5的轴线转动，线圈绕组3缠绕在定子铁心1的定子凸极上，定子铁心1和转子铁心2置于电机机壳4内，定子铁心1和转子铁心2均由纳米晶合金制成。在开关磁阻电机中，定子凸极的数量为n，转子凸极的数量为m，n和m均为正整数，且满足：

LCM(n，m)＝qm，

LCM(n，m)＞n＞m，

符号LCM为取最小公倍数，q为电机相数。

为最小化各相绕组接线的互感，转子磁极数取偶数。一般说来，三相6/4结构，四相8/6结构和五相10/8结构最为常用。每相邻q个定子极分属不同的相并依次排列。

纳米晶合金在高磁导率、低损耗特性方面性能要优于非晶合金和硅钢，应用在开关磁阻电机可充分发挥其材料特点，通过优化的定子铁心1、转子铁心2结构，进而实现在高频高速、高效节能方面表现优异的开关磁阻电机。

进一步地，纳米晶合金为Fe基纳米晶；更优选地，Fe基纳米晶合金为FeCuNbSiB；优选地，Fe基纳米晶为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_15.5B₇。

如图8所示为硅钢(以35W310为例)、非晶合金(以Fe₈₀Si₉B₁₁为例)、纳米晶合金(如Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_15.5B₇为例)在50Hz至200Hz频率下的动态磁滞回线对比，每条曲线所包围面积即代表在此频率下铁心损耗的大小，可以看出非晶合金、纳米晶合金的损耗显著低于硅钢材料，纳米晶合金铁心的损耗更低于非晶合金铁心，更适用于高频高速工况下工作的电机降低铁损、降低温升、提高效率。

如图9所示为硅钢(以35W310为例)、非晶合金(以Fe₈₀Si₉B₁₁为例)、纳米晶合金(如Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_15.5B₇为例)的磁化曲线对比，曲线上每个点的斜率即材料的磁导率，由图可看出纳米晶合金、非晶合金的初始磁导率远大于硅钢的初始磁导率、且纳米晶合金的初始磁导率和最大磁导率最高，下述表1中所列为3种材料的具体数值。在开关磁阻电机中，电磁扭矩正比于每相每个通电周期内电流有效值的平方和相电感相对于转角的变化率，对于相同结构的纳米晶合金铁心电机，高初始磁导率可减少导通时间，增大相电流有效值，从而增大输出扭矩，尤其是在在高速开关磁阻电机中应用可在保证一定输出扭矩的情况下扩大电机调速范围。

表1硅钢、非晶合金、纳米晶合金铁心磁导率对比

本发明还公开一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机的方法，包括如下步骤：

具有定子凸极的定子铁心1和具有转子凸极的转子铁心2均采用纳米晶合金带材经卷绕成空心柱体或叠片成块体，再经整体退火、环氧树脂粘接、烘干固化后，再采用线切割或铣削的方式加工出齿槽和轮廓；

将线圈绕组3缠绕在定子铁心1的定子凸极上，具体的根据相数和定子极数连接各线圈绕组；

电机转轴5安装在电机机壳4上；

定子铁心1和转子铁心2通过压入、热装、间隙嵌合三种之中的任一种方法被分别装配在电机机壳4内，组装成具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机。

优选地，还包括抽真空的步骤，即在所述环氧树脂粘接步骤中，当所述定子铁心1和所述转子铁心2浸入装有环氧树脂的容器后，整体抽真空，以排出所述纳米晶合金带材之间的气泡。

优选地，将加工后的定子铁心1和转子铁心2的表面均绝缘处理，可以在两者的表面分别涂绝缘漆以形成绝缘层，也可以将两者浸泡在绝缘漆内，以使在绝缘漆内浸泡后被包裹一层绝缘漆，可避免铁心掉渣现象。

进一步地，开关磁阻电机采用径向磁场结构，定子铁心1和转子铁心2的齿槽和轮廓是用线切割方法从同一块由适当宽度的纳米晶带材叠成的块体上切出。开关磁阻电机采用径向磁场结构，材料利用率较高，为了保证定子铁心1或转子铁心2在高速旋转时不松散，定子铁心1和转子铁心2采用非导磁金属条在相应铁心圆周至端面上箍紧，或在相应铁心两端通过压板进行轴向压紧固定。纳米晶合金铁心应用于径向开关磁阻电机结构受到纳米晶合金带材带宽的影响，也可采用分块加工再拼接方式完成，基本工艺相似。此种结构电机启动电流小、调速范围宽、可靠性高，可应用于采油、纺织、航空、家电及通用工业等行业，也适用于高速离心机等。

进一步地，开关磁阻电机采用轴向磁场或盘式结构，定子铁心1和转子铁心2的齿槽是采用由适当宽度的纳米晶合金带材卷绕成的空心柱体上通过线切割或铣削方式加工。开关磁阻电机采用横向磁场结构，空心柱体的端面上加工出齿槽，加工效率较高，定、转子铁心均通过浸泡在绝缘漆内浸泡后包裹了一层绝缘漆，定、转子铁心通过压入、热装、间隙嵌合的任一种方法被分别装配在电机机壳4内，此种方法材料利用率高，自动化程度高，生产效率较高。

本发明还公开另一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机的方法，此方法尤其适用于开关磁阻电机采用轴向磁场或盘式结构，其包括如下步骤：

具有定子凸极的定子铁心1和具有转子凸极的转子铁心2也可以在冲卷机上通过开卷、冲槽和卷绕的方法加工成端面具有齿槽的空心柱体，实际中一般为空心圆柱体，再将其经整体退火，环氧树脂粘，再经烘干固化后修整齿槽。定、转子铁心通过压入、热装、间隙嵌合的任一种方法被分别装配在电机机壳内。

优选地，还包括抽真空的步骤，即在所述环氧树脂粘接步骤中，所述定子铁心1和所述转子铁心2浸入装有环氧树脂的容器后，整体抽真空，以排出所述纳米晶合金带材之间的气泡。

优选地，将加工后的定子铁心1和转子铁心2的表面均绝缘处理，可以在两者的表面分别涂绝缘漆以形成绝缘层，也可以将两者浸泡在绝缘漆内，以使在绝缘漆内浸泡后被包裹一层绝缘漆，可避免铁心掉渣现象。

此轴向磁场结构可大幅度提高其材料利用率，提升生产效率，降低生产成本，且电机功率不受纳米晶合金带材宽度影响，适用范围宽。此种结构电机启动扭矩大、启动电流小、调速范围宽、可靠性高等特点，可应用于采油、纺织、航空、家电及通用工业等行业，也适用于飞轮储能、风电等行业。

轴向磁场结构的开关磁阻电机铁心内外径不受带材宽度限制，可满足中等或大功率机型设计需求。

熟悉该领域的专业技术人员都熟悉，开关磁阻电机的扭矩正比于相电感的变化率，本发明的优点在于纳米晶材料较非晶材料有更好的磁导率，因此在高频情况下相电感的动特性更加优良。

对于传统的径向磁场开关磁阻电机，具体实施方式如下：

如图1至图2所示，根据电机铁心尺寸，采用100mm宽纳米晶合金宽带通过剪成100mm段后叠片呈块体(或称定尺横剪步骤)，由夹板固定夹持后进行整体退火，再浸入环氧树脂中粘接、烘干固化后形成纳米晶叠块，然后在通过线切割方式在同一块坯料上分两次将定子铁心1、转子铁心2切下，加工成定子铁心1、转子铁心2，其包括8个定子凸极和6个转子凸极。将加工好的定子铁心1、转子铁心2包裹一层绝缘漆层。电机采用四相绕组，每相绕组包含1个极对数，相邻4个极分别属不同的四个相。将转子铁心2以压入、热装、粘接任意一种方式嵌入转子盘中，并通过键连接装配至电机轴上。转子铁心2在绝缘漆中浸泡后固化，以防止转子铁心2松散及掉渣。

对于轴向磁场开关磁阻电机，具体实施方式如下：

如图3至图5所示，根据电机铁心尺寸，采用带宽40mm的纳米晶合金宽带卷绕成环形柱体(即空心柱体)，采用纳米晶合金带材通过卷绕方式卷成环形铁心柱体，以模具或夹板固定后整体退火，在浸入环氧树脂中粘接、烘干固化后采用铣削出凸极或切割出齿槽，加工出8个定子凸极的定子铁心1和6个定子凸极的转子铁心2。将加工好的定子铁心1包裹一层绝缘漆层。电机采用四相绕组，每相绕组包含1个极对数。相邻4个极分别属不同的四个相。将转子铁心2以压入、热装、粘接任意一种方式嵌入转子盘中，并通过键连接装配至电机轴上。转子铁心2在绝缘漆中浸泡后固化，以防止转子铁心2松散及掉渣。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提供一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机，定子铁心1、转子铁心2齿数较少，加工精度和成本较低，既可采用传统的径向磁通结构，也可采用轴向磁场的盘式结构。该电机定子和铁心均采用纳米晶铁合金合金带材采用卷绕、冲槽后卷绕或叠片成型，经热处理、环氧树脂浸渍、固化后，再采用线切割或铣削的方式加工出定子或转子齿槽。相对于非晶态合金，纳米晶软磁合金材料在高磁导率、高频损耗等方面优异电磁特性会使得开关磁阻电机在涡流损耗小、高频特性优良、温升低、效率高、功率密度和转矩密度大等方面有更大优势。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机，其特征在于：包括具有定子凸极的定子铁心、与所述定子铁心适配的具有转子凸极的转子铁心、电机转轴、线圈绕组和电机机壳，所述转子铁心与所述电机转轴连接以在所述电机转轴的带动下绕所述电机转轴的轴线转动，所述线圈绕组缠绕在所述定子铁心的定子凸极上，所述定子铁心和所述转子铁心置于所述电机机壳内，所述定子铁心和所述转子铁心均由纳米晶合金制成。

2.根据权利要求1所述的具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机，其特征在于，所述纳米晶合金为Fe基纳米晶。

3.根据权利要求2所述的具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机，其特征在于，所述Fe基纳米晶合金为FeCuNbSiB。

4.制备如权利要求1-3任一项所述的具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：

具有定子凸极的所述定子铁心和具有转子凸极的所述转子铁心均采用纳米晶合金带材经卷绕成空心柱体或叠片成块体，再经整体退火、环氧树脂粘接、烘干固化后，然后再采用线切割或铣削的方式加工出齿槽和轮廓；

将所述线圈绕组缠绕在所述定子铁心的定子凸极上；

所述电机转轴安装在所述电机机壳上；

所述定子铁心和所述转子铁心通过压入、热装、间隙嵌合三种之中的任一种方法被分别装配在所述电机机壳内，组装成所述具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括抽真空的步骤，即在所述环氧树脂粘接步骤中，当所述定子铁心和所述转子铁心浸入装有环氧树脂的容器后，整体抽真空，以排出所述纳米晶合金带材之间的气泡。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在采用线切割或铣削的方式加工出齿槽和轮廓步骤之后，对所述定子铁心和转子铁心的表面进行绝缘处理以形成绝缘层。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述开关磁阻电机采用径向磁场结构，所述定子铁心和所述转子铁心的齿槽和轮廓是用线切割方法从同一块由适当宽度的纳米晶合金带材叠成的块体上切出。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述开关磁阻电机采用轴向磁场结构，所述定子铁心和所述转子铁心的齿槽是采用由适当宽度的纳米晶合金带材卷绕成的空心柱体上通过线切割或铣削方式加工。

9.制备如权利要求1-3任一项所述的具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述定子铁心和所述转子铁心均采用纳米晶合金带材经冲槽卷绕加工成端面具有齿槽的空心柱体，再经整体退火、环氧树脂粘接、烘干固化后，然后修整齿槽，从而形成具有定子凸极的定子铁心和具有转子凸极的转子铁心；

将所述线圈绕组缠绕在所述定子铁心的定子凸极上；

所述电机转轴安装在所述电机机壳上；

所述定子铁心和所述转子铁心通过压入、热装、间隙嵌合三种之中的任一种方法被分别装配在所述电机机壳内，组装成所述具有纳米晶合金铁心的开关磁阻电机。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述开关磁阻电机采用轴向磁场结构。