CN106191501A

CN106191501A - 一种无刷直流电动机及其制备工艺

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Publication number: CN106191501A
Application number: CN201610662421.XA
Authority: CN
Inventors: 王成勇
Original assignee: NINGBO SHUNCHENG ELECTROMECHANICAL Co Ltd
Current assignee: Thatcher (Ningbo) precision electromechanical Limited by Share Ltd
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: CN106191501B

Abstract

本发明提供一种无刷直流电动机，属于机电领域，所述无刷直流电动机由铝合金材料制成，包括第一端盖、第二端盖构成的壳体，所述壳体内部设有定子组立、与定子组立连接的转子，所述定子组立固定设置在第一轴承和第二轴承上，其中铝合金的成分按质量百分比为：Mg0.45％～0.9％，Si0.2％～0.6％，Mn0.1％～0.2％，Cr0.1％～0.2％，Fe0.1％～0.2％，Ti0.1％～0.2％，Zr0.18％～0.2％，Sc0.5％～0.6％，余量为Al。本发明通过合理的元素配比和熔炼、烧结、电镀工艺得到的无刷直流电动机具有高强度，耐磨耐蚀的特性。

Description

一种无刷直流电动机及其制备工艺

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，具体的涉及一种无刷直流发电机及其制备工艺。

背景技术

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品，无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用细长的结构，无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少39％—50％左右。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。但是此种电机运行时会有震动，工作环境有时会比较恶劣，经常会在高温高湿，甚至酸碱腐蚀环境中工作，因此，电机的材料需要有较强的强度和良好的导热性能，现有的电机材料一般使用普通的不锈钢或者铸铝材料，普通的材料的力学性能不高容易损坏，导热不好还会导致电机内部温度过高造成电机性能下降。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种强度高，导热性能好，耐蚀的无刷直流电机。

本发明的技术方案为：一种无刷直流电动机，由铝合金材料制成，包括第一端盖、第二端盖构成的壳体，所述壳体内部设有定子组立、与定子组立连接的转子，所述定子组立固定设置在第一轴承和第二轴承上，其中所述铝合金的成分按质量百分比为：Mg0.45％～0.9％，Si0.2％～0.6％，Mn0.1％～0.2％，Cr0.1％～0.2％，Fe0.1％～0.2％，Ti0.1％～0.2％，Zr0.18％～0.2％，Sc0.5％～0.6％，余量为Al。

本发明的无刷直流电机的材料采用合理元素配比的铝合金材料制成，提高铝合金的性能。在铝合金中杂质元素、合金元素以析出态而非固溶态存在于金属中，其电阻越小，电子越容易通过，金属的导电、导热性能就越好，而稀土Zr的加入具有除气和除杂的作用，能与氢生成稳定的稀土氢化物(ReH2，ReH3)，改变氢在铝液中的存在形态，抑制气泡的形核，因此，添加有Zr的铝合金凝固后针孔率下降；稀土还可与铁等原固溶在铝中的有害杂质形成稳定的金属间化合物(如FeRe5)在晶界析出，从而降低了杂质元素在基体中的固溶量；而微量Zr对铝导电性的损害小于Cr、Mn、Ti，Al在平衡凝固条件下铝在室温下几乎不固溶Zr，可在非平衡凝固时Zr在铝中的固溶度扩大，激冷的条件下甚至可达4.9％。利用固溶Zr原子扩散激活能大，在铝晶格中的扩散非常慢，来钉轧位错，可以提高Al合金的耐热性能。但随着稀土加入量的增加，铝合金的导电、导热性能会再出现降低倾向，一方面是稀土的加入，引起了铝合金晶粒组织的细化，增加了电子通过的难度，另一方面稀土量的增加导致部分稀土固溶于铝合金晶体中因此需要合适的添加量才能保证性能的最大化。

655℃时Sc在铝中的固溶度为0.27％，随着温度的降低，Sc的溶解度急剧降低，所以能析出密度极高的Al3Sc相。Al3Sc相是一种LI2型相，与母相铝共格，有着极大的共格错配，因此对位错及亚晶具有强烈的钉扎作用，从而阻碍晶粒长大，使合金始终保持细晶粒状态。在含钪铝合金中稳定存在的Al3Sc相，其弥散度极高(15～20μm)，是均质形核，所以又有强烈的弥散强化作用，并能显著提高铝合金的再结晶温度，因此，Sc能显著提高铝合金的强度、耐蚀性。

在本发明铝合金中同时加入Sc和Zr，能形成组成更复杂的三元化合物Al3(Sc、Zr)，使Sc的有益作用提高。如Al-Sc-Zr三元合金除生成尺寸大的Al3Sc质点外，还有尺寸更小的含锆Al3Sc或Al3(ScZr)相，其结构也是Ll2型，并与基体共格，能有效阻止位错的迁移和亚晶的形成、长大或合并。因此，这种尺寸小，密度高和分布均匀的AlScZr相的存在，能进一步显著细化晶粒和提高再结晶温度，得到未再结晶的组织，还能强烈抑制沿晶断裂倾向，有利于提高合金的强度、塑性。

进一步地，所述铝合金中Mg与Si的比值为1.5～1.7:1，当镁硅比值为1.5～1.7:1时，铝合金中过剩的微量Si刚好与Fe弥散分布于铝基体中，从而减少了Si、Fe元素在铝基体中的固溶度。当硅元素过剩较多时，过剩的硅不仅固溶于铝基体中，还与铁极易形成粗大相，因此导致导热能力有所下降。

本发明的另一个目的是提供一种无刷直流电机的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

S1、配置所需成分的原料，将原料混合、熔化为铝液，然后进行精炼；

S2、将精炼后的铝液通过喷管滴出，使用压强为3～4Mpa气体将滴出的铝液吹落至粉末状，气体吹出方向与溶液滴出方向成45～60°夹角；

S3、经粉末经筛选、热压烧结、挤压成锭，再经固溶处理、时效处理得到铝合金，将铝合金加工成型得电机半成品；

S4、将电机半成品电镀得表面有镀层的无刷直流电机。

铝合金的熔炼难度大，非铝元素与铝的比重相差较大，易造成偏析，高温下搅拌铝液又很易产生大量氧化夹杂，所以铝合金质量很难保证稳定，往往要经重熔去除氧化夹杂和使成分均匀，使用熔炼后气体吹落成粉，然后再烧结的工艺可以保证合金成分均匀，最后成品力学性能好。

进一步地，S1中所述精炼工艺为升温至690～710℃，添加质量比为2.3～2.5:1的六氯乙烷和二氧化钛的混合物，精炼20～25min，添加合适配比的六氯乙烷和二氧化钛可以兼有精炼和变质的作用，减少合金元素的熔炼损耗。

进一步地，S3中所述筛选粉末的粒度分布为粒度2μm以下含量9％～11％、2～4μm含量39％～41％、4～6μm含量39％～41％、6μm以上含量9％～11％。铝粉粒度较细会改善烧结强度，但是会降低流动性且会与模壁发生冷焊，因此需要配比合适粒度分布的铝粉进行烧结。

进一步地，S3中所述热压烧结工艺为：对粉末进行压胚，压胚密度2.4～2.5g/cm³，在保护气的气氛下，以10～13℃/min的速度升温至595～597℃，然后保温30～32min，在烧结时，温度过低不能形成较多的液相铝，温度过高，过多的液相铝液会使胚体变形，甚至坍塌，不利于烧结的进行。

进一步地，S4中电镀中电镀时间为0～5min时，电流密度1.5～1.6A.dm^-2；5～15min时，电流密度3～3.2A.dm^-2；15～20min时，电流密度4.7～5A.dm^-2。在不同的阶段采用不同的电流密度有利于膜的均匀沉积，防止沉积不均匀导致的脱落现象。

进一步地，所述电解液为浓度为0.25～0.3mol/L的Na₂SiO₃·9H₂O和NaOH混合溶液，其中Na₂SiO₃·9H2O与NaOH的摩尔比为1:1。

进一步地，电镀在5～15min时，电解液中加入粒径0.2～0.3μm的石墨颗粒。电解液中加入粒径0.2～0.3μm的石墨颗粒，沉积在膜层中的石墨分子作为天然的电子击穿通道促进了微弧放电紧致层的形成，石墨的高导电性使得膜层表面平整光滑，因此膜层的摩擦系数较小，提高了耐磨性能，添加浓度适宜的石墨时，石墨的高导电性提高了微弧氧化反应速率，使电子通道温度瞬间升高，促进了耐蚀的α-Al2O3晶型生成，同时又保证了氧化膜紧密层的厚度，所以提升了铝合金的耐蚀性。

本发明相对于现有技术的优点为：

(1)无刷直流电机的材料为铝合金材料，铝合金的成分配比合理，通过各成分之间的作用，提高电机的力学性能、导热导电性能，有效延长其使用寿命；

(2)通过合理的熔炼和烧结工艺保证合金成分均匀，提高烧结强度，进一步提高力学性能；

(3)在电镀过程中添加石墨颗粒，使得膜层表面平整光滑，进一步提高电机的耐磨性能，同时提高电机的耐蚀性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

一种无刷直流电动机，由铝合金材料制成，包括第一端盖、第二端盖构成的壳体，所述壳体内部设有定子组立、与定子组立连接的转子，所述定子组立固定设置在第一轴承和第二轴承上

实施例1

配置所需成分的原料：Mg0.6％，Si0.4％，Mn0.1％，Cr0.1％％，Fe0.1％，Ti0.1％，Zr0.18％，Sc0.5％，余量为Al，将原料混合、熔化为铝液，然后进行精炼，精炼温度为690℃，精炼剂为质量比为2.3:1的六氯乙烷和二氧化钛，精炼时间20min；

将精炼后的铝液通过喷管滴出，使用压强为3Mpa气体将滴出的铝液吹落至粉末状，气体吹出方向与溶液滴出方向成45°夹角；

筛选粉末，得到粒度分布为颗粒2μm以下含量9％％、2～4μm含量39％％、4～6μm含量39％％、6μm以上含量9％的粉末、然后对粉末进行压胚，压胚密度2.4g/cm³，在保护气的气氛下，以10℃/min的速度升温至595℃，然后保温30min，挤压成锭，再经固溶处理、时效处理得到铝合金，将铝合金加工成型得电机半成品；

将电机半成品进行电镀：电镀时间为0～5min时，电流密度1.5A.dm^-2；5～15min时，电解液中加入粒径0.2μm的石墨颗粒，电流密度3A.dm^-2；15～20min时，电流密度4.7A.dm^-2，最后得到表面有镀层的无刷直流电机。

实施例2

配置所需成分的原料：Mg0.9％，Si0.6％，Mn0.2％，Cr0.2％，Fe0.2％，Ti0.2％，Zr0.2％，Sc0.6％，余量为Al，所述铝合金中Mg与Si的比值为1.7：1，将原料混合、熔化为铝液，然后进行精炼，精炼温度为710℃，精炼剂为质量比为2.5:1的六氯乙烷和二氧化钛，精炼时间25min；

将精炼后的铝液通过喷管滴出，使用压强为4Mpa气体将滴出的铝液吹落至粉末状，气体吹出方向与溶液滴出方向成60°夹角；

筛选粉末，得到粒度分布为颗粒2μm以下含量9％、2～4μm含量39％、4～6μm含量39％、6μm以上含量9％的粉末、然后对粉末进行压胚，压胚密度2.5g/cm³，在保护气的气氛下，以13℃/min的速度升温至597℃，然后保温32min，挤压成锭，再经固溶处理、时效处理得到铝合金，将铝合金加工成型得电机半成品；

S4、将电机半成品电镀，电镀时间为0～5min时，电流密度1.6A.dm^-2；5～15min时，电解液中加入粒径0.3μm的石墨颗粒，电流密度3.2A.dm^-2；15～20min时，电流密度5A.dm^-2，最后得到表面有镀层的无刷直流电机。

实施例3

配置所需成分的原料：：Mg0.8％，Si0.5％，Mn0.1％，Cr0.1％，Fe0.1％，Ti0.1％，Zr0.18％，Sc0.5％，余量为Al，将原料混合、熔化为铝液，然后进行精炼，精炼温度为700℃，精炼剂为质量比为2.4:1的六氯乙烷和二氧化钛，精炼时间22min；

将精炼后的铝液通过喷管滴出，使用压强为3Mpa气体将滴出的铝液吹落至粉末状，气体吹出方向与溶液滴出方向成50°夹角；

筛选粉末，得到粒度分布为颗粒2μm以下含量9％％、2～4μm含量40％、4～6μm含量40％、6μm以上含量11％的粉末、然后对粉末进行压胚，压胚密度2.45g/cm³，在保护气的气氛下，以12℃/min的速度升温至596℃，然后保温30min，挤压成锭，再经固溶处理、时效处理得到铝合金，将铝合金加工成型得电机半成品；

S4、将电机半成品电镀，电镀时间为0～5min时，电流密度1.5A.dm^-2；5～15min时，电解液中加入粒径0.3μm的石墨颗粒，电流密度3.2A.dm^-2；15～20min时，电流密度4.8A.dm^-2，最后得到表面有镀层的无刷直流电机。

实施例4

配置所需成分的原料：：Mg0.5％，Si0.3％，Mn0.1％，Cr0.1％，Fe0.1％，Ti0.1％，Zr0.18％，Sc0.5％，余量为Al，将原料混合、熔化为铝液，然后进行精炼，精炼温度为710℃，精炼剂为质量比为2.5:1的六氯乙烷和二氧化钛，精炼时间24min；

筛选粉末，得到粒度分布为颗粒2μm以下含量9％、2～4μm含量41％、4～6μm含量40％、6μm以上含量10％的粉末、然后对粉末进行压胚，压胚密度2.5g/cm³，在保护气的气氛下，以11℃/min的速度升温至595℃，然后保温30min，挤压成锭，再经固溶处理、时效处理得到铝合金，将铝合金加工成型得电机半成品；

将电机半成品电镀，电镀时间为0～5min时，电流密度1.5A.dm^-2；5～15min时，电解液中加入粒径0.3μm的石墨颗粒，电流密度3A.dm^-2；15～20min时，电流密度4.7A.dm^-2，最后得到表面有镀层的无刷直流电机。

实施例5

配置所需成分的原料：：Mg0.65％，Si0.4％，Mn0.1％％，Cr0.1％，Fe0.1％，Ti0.2％，Zr0.18％，Sc0.5％，余量为Al，所述铝合金中Mg与Si的比值为1.6：1，将原料混合、熔化为铝液，然后进行精炼，精炼温度为690℃，精炼剂为质量比为2.3:1的六氯乙烷和二氧化钛，精炼时间23min；

将精炼后的铝液通过喷管滴出，使用压强为4Mpa气体将滴出的铝液吹落至粉末状，气体吹出方向与溶液滴出方向成45°夹角；

筛选粉末，得到粒度分布为颗粒2μm以下含量9％、2～4μm含量41％、4～6μm含量39％％、6μm以上含量11％的粉末、然后对粉末进行压胚，压胚密度2.5g/cm³，在保护气的气氛下，以10℃/min的速度升温至597℃，然后保温30min，挤压成锭，再经固溶处理、时效处理得到铝合金，将铝合金加工成型得电机半成品；

将电机半成品电镀，电镀时间为0～5min时，电流密度1.6A.dm^-2；5～15min时，电解液中加入粒径0.2～0.3μm的石墨颗粒，电流密度3.2A.dm^-2；15～20min时，电流密度4.7A.dm^-2，最后得到表面有镀层的无刷直流电机。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅为，合金成分按质量百分比为：Mg0.45％，Si0.2％，Mn0.1％，Cr0.1％％，Fe0.1％，Ti0.1％，余量为Al。

对比例2

本对比例与实施例1的区别仅为，合金成分中Mg与Si的比值为2：1。

对比例3

本对比例与实施例1的区别仅为，精炼过程中，不加入精炼剂。

对比例4

本对比例与实施例1的区别仅为，精炼时间为30min。

对比例5

本对比例与实施例1的区别仅为，烧结的温度为610℃。

对比例6

本对比例与实施例1的区别仅为，在电镀时，不加入石墨颗粒。

表1实施例与对比例性能对比数据

从表中实施例与对比例的对比可以看出，本发明制备的无刷直流电机具有较好的力学强度和耐磨性能，同时具有较高的导热系数。

鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近，故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以上述部分实施例作为代表说明本发明申请优异之处。在涉及同一指标的不同测试方案时，采用本发明方案指出的任一均可以，并且均不超出本发明要求保护的范围内。

Claims

1.一种无刷直流电动机，由铝合金材料制成，其特征在于：包括第一端盖、第二端盖构成的壳体，所述壳体内部设有定子组立、与定子组立连接的转子，所述定子组立固定设置在第一轴承和第二轴承上，其中所述铝合金的成分按质量百分比为：Mg0.45％～0.9％，Si0.2％～0.6％，Mn0.1％～0.2％，Cr0.1％～0.2％，Fe0.1％～0.2％，Ti0.1％～0.2％，Zr0.18％～0.2％，Sc0.5％～0.6％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机，其特征在于：所述铝合金中Mg与Si的比值为1.5～1.7：1。

3.一种根据权利要求1或2所述的无刷直流电机的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺包括如下步骤：

S4、将电机半成品电镀得表面有镀层的无刷直流电机。

4.根据权利要求3所述的一种无刷直流电机的制备工艺，其特征在于：S1中精炼温度为690～710℃，精炼剂为质量比为2.3～2.5:1的六氯乙烷和二氧化钛的混合物，精炼时间20～25min。

5.根据权利要求3所述的一种无刷直流电机的制备工艺，其特征在于：S3中所述筛选粉末的粒度分布为粒度2μm以下含量9％～11％、2～4μm含量39％～41％、4～6μm含量39％～41％、6μm以上含量9％～11％。

6.根据权利要求3所述的一种无刷直流电机的制备工艺，其特征在于：S3中所述热压烧结工艺为：对粉末进行压胚，压胚密度2.4～2.5g/cm³，在保护气的气氛下，以10～13℃/min的速度升温至595～597℃，然后保温30～32min。

7.根据权利要求3所述的一种无刷直流电机的制备工艺，其特征在于：S4中电镀中电镀时间为0～5min时，电流密度1.5～1.6A.dm^-2；5～15min时，电流密度3～3.2A.dm^-2；15～20min时，电流密度4.7～5A.dm^-2。

8.根据权利要求3所述的一种无刷直流电机的制备工艺，其特征在于征在于：所述电解液为Na₂SiO₃·9H₂O和NaOH的混合溶液，浓度为0.25～0.3mol/L，其中Na₂SiO₃·9H2O与NaOH的摩尔比为1:1。

9.根据权利要求7所述的一种无刷直流电机的制备工艺，其特征在于：电镀在5～15min时，电解液中加入粒径0.2～0.3μm的石墨颗粒。