CN106602754A - 径向磁场电机用非晶‑硅钢复合定子铁芯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种径向磁场电机用非晶‑硅钢复合定子铁芯及其制造方法，该复合定子铁芯是由硅钢片层与非晶合金片层交替堆叠且固化后而成的块体；其制造方法包括复合料卷的卷制步骤、横剪及堆叠步骤、退火步骤、浸漆及固化步骤、加工步骤。该铁芯兼具低损耗、高饱和磁感应强度和高机械强度。

Description

径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯及其制造方法
技术领域
本发明属于电机的磁路零部件领域，具体涉及一种径向磁场电机用由非晶-硅钢复合制备的定子铁芯及其制造方法，该种定子铁芯适合应用于50Hz至3kHz频率范围的径向磁场电机。
背景技术
电机作为最重要的动力设备，应用广泛、耗能巨大，我国电机用电量约为全社会总用电量的60％，2015年超过3.3万亿千万时。可见，降低电机损耗、提高电机效率，对节能减排意义重大。
非晶软磁材料与传统硅钢材料相比，由于具有低矫顽力、高电阻率(约为硅钢的3倍)和很薄的厚度(0.02～0.03mm)，进而具有很低的损耗，而且还具有高磁导率，所以应用于电机铁芯可使电机铁损降低85％以上，能够大幅度提高电机效率。
鉴于此，关于非晶电机定子铁芯的研发引起了美日等发达国家的高度重视。2003年，美国Honeywell公司的专利US6462456B1提出经树脂铸型的非晶块体切割出一面或者多面有弧形面的非晶合金模块，再拼接制作完整非晶合金定子铁心的制作方法。2005年，美国Metglas公司的专利US6960860B1中也提出使用切割得到的非晶合金模块，拼接制造非晶定子铁心的方法。2006年，美国莱特专利US7018498B2中公开了一种采用铣削加工制作非晶定子铁芯的方法。2010年，日本株式会社的专利CN101741153A中也公开了一种电机用非晶合金定子铁芯的制作方法。
近几年，安泰科技股份有限公司在非晶电机定子铁芯的加工制造方面也做了大量研究，并在2008年的发明专利CN101286676A、2012年的发明专利CN 102361374A和CN102820743 A、以及2013年的发明专利CN 102868241 A中公布了多种制造径向磁场非晶合金定子铁心的方法。此外，2010年华任兴(深圳)科技有限公司的发明专利CN101882816A也提出拼接制造径向磁场非晶电机定子铁心的方法。
以上非晶电机铁芯的制造均单一地采用非晶材料，与硅钢相比非晶材料虽然具有很低的铁损，但是饱和磁感应强度明显低于硅钢。目前，市场上大规模生产的非晶材料饱和磁感应强度Bs仅为1.56T，然而硅钢的饱和磁感应强度可以达到2.0-2.1T，相差20％以上。而且非晶材料经退火后比较脆，导致非晶铁芯的机械强度相比硅钢铁芯也存在差距。这些问题在一定程度上影响了非晶材料在电机铁芯中的大规模应用。如果采用无取向硅钢带材和非晶带材复合进行制造径向磁场非晶定子铁芯，可以实现优势互补、扬长避短。目前非晶-硅钢复合制备电机铁芯的报道很少，仅有合肥工业大学2015年在发明专利CN105119396 A中提出采用经拆卸的废旧电机的硅钢叠片铁芯与铁基非晶合金铁芯在轴向相互间隔叠压而成混合叠压定子铁芯的方法。但是该方法在实际应用中会存在一定问题，首先是硅钢铁芯与非晶铁芯在轴向非均匀分布，容易造成电机高速旋转时因径向电磁力分布不均导致轴承等转动部件磨损等问题；其次废旧硅钢铁芯的齿槽结构是按照硅钢铁芯的电磁性能设计得到的，然而废旧硅钢叠片铁芯与非晶铁芯轴向相互间隔叠压后的混合叠压铁芯的磁性特征发生变化，继续沿用本来硅钢铁芯的结构设计，必然出现铁芯软磁性能与电机电磁方案不匹配，不仅无法发挥非晶材料的节能优势，甚至电机性能不如原来的硅钢电机。
鉴于以上，本发明采用硅钢材料与非晶材料复合制备径向磁场电机用定子铁芯，其性能可以兼具低损耗、高饱和磁感应强度和高机械强度，比单独使用非晶材料或者硅钢材料制备的定子铁芯具有更优异的综合性能，并且可以适合更宽的频率范围。
发明内容
针对现有技术中存在的以上问题，本发明的目的在于提供一种径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯及其制造方法，该复合定子铁芯使用无取向硅钢带材和非晶软磁薄带复合制备，该方法制造的非晶-硅钢复合定子铁芯不仅具有低损耗、高饱和磁感应强度，还具有高机械强度，能够保证电机兼具高效率、高功率密度性能和高稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯，是由硅钢片层与非晶合金片层交替堆叠且固化后而成的块体；所述复合定子铁芯包括：轭部；和齿部，均匀分布于所述轭部内壁面上，由所述轭部内壁面向所述轭部中轴线方向延伸，且各所述齿部的水平中心线的延长线相交于所述轭部的中心。
在上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯中，作为一种优选实施方式，所述非晶合金片层是单层非晶合金片材或是由多层非晶合金薄带材层叠而成的非晶合金复合片材；更优选地，为了尽量消除电磁力偏差，所述硅钢片层为单层硅钢片材，所述非晶合金片层为1-100层非晶合金薄带材层叠而成的非晶合金复合片材，进一步地，为了方便生产，所述非晶合金片层为1-50层非晶合金薄带材层叠而成的非晶合金复合片材。
在上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯中，作为一种优选实施方式，所述复合定子铁芯的两端面均为硅钢片层，这种结构的复合定子铁芯在下线时不容易损坏。
在上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯中，作为一种优选实施方式，所述硅钢片层为无取向硅钢片层。
在上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯中，作为一种优选实施方式，所述齿部的高度等于所述轭部的高度。
在上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯中，作为一种优选实施方式，各个所述齿部的径向长度相同。
在上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯中，作为一种优选实施方式，所述轭部为筒状体。
在上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯中，作为一种优选实施方式，所述齿部的靠近所述轭部中轴线位置的端面设置有极靴。
在上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯中，作为一种优选实施方式，所述复合定子铁芯的叠片系数为0.90-0.96。
上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯的制造方法，包括如下步骤：
复合料卷的卷制步骤：将硅钢带料卷和与所述硅钢带料卷具有相同宽度的非晶合金带料卷进行重卷，形成硅钢带材和非晶合金带材交替分布的非晶-硅钢复合带料卷；
横剪及堆叠步骤：将所述非晶-硅钢复合带料卷打开并按照所需尺寸进行横剪，并将横剪后得到的非晶-硅钢片材堆叠整齐，得到硅钢片层与非晶合金片层交替堆叠的非晶-硅钢堆叠体；
退火步骤：将所述非晶-硅钢堆叠体进行退火处理，得到退火后非晶-硅钢堆叠体；
浸漆及固化步骤：将退火后非晶-硅钢堆叠体进行浸漆处理，然后进行固化处理，得到非晶-硅钢复合块体铁芯；
加工步骤：将所述非晶-硅钢复合块体铁芯进行切割处理，从而加工成上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯(即具有径向齿槽结构的电机用非晶-硅钢复合定子铁芯成品)。
在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述非晶合金带料卷是单层非晶合金带或多层非晶合金带形成的料卷(多层非晶合金带形成的料卷在下面实施例中也称为多重非晶带料卷)，所述非晶合金带的材质选自铁基、镍基或者钴基的非晶或纳米晶软磁合金；更优选地，单层非晶合金带的厚度为0.02-0.05mm，所述非晶合金带料卷中非晶合金带的层数为1-100，为了便于非晶-硅钢复合带料卷的卷制，所述非晶合金带料卷中非晶合金带的层数为1-50；所述硅钢带料卷是单层硅钢带形成的料卷(单层硅钢带形成的料卷在以下实施例中简称为硅钢带料卷)，采用单层硅钢带进行复合带料卷的制备，可以减少最终制备磁芯的电磁力偏差，单层硅钢带的厚度为0.1-0.5mm。一般情况，越高频的电机，使用复合铁芯时上述非晶合金带的层数可以越多，铁芯损耗越低；频率越低的电机，使用复合铁芯时，上述非晶合金带的层数可以少一些，以保证铁芯的饱和磁感应强度。
根据本发明，在复合料卷的重卷过程中，一定是硅钢带材和非晶带材进行层间间隔卷绕，形成的复合料卷中相邻硅钢带材之间隔有非晶带材，而相邻非晶带材之间隔有硅钢带材，此处所涉及的硅钢带材一般为单层，非晶带材可以选用单层也可以选用多层。重卷后的复合料卷一般是相邻的两层硅钢带之间夹有1-50层非晶带材。
在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述横剪后得到的非晶-硅钢片材为矩形片材，采用机械手臂在横剪的同步将所述矩形片材堆叠(或码落)整齐，码落整齐后得到由非晶合金片层和硅钢片层交替分布的非晶-硅钢堆叠体。
在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述退火处理是在真空环境下或者在氮气、氩气或氢气保护气氛下进行。所述退火处理时的退火温度依据所述非晶-硅钢堆叠体中的非晶合金材料所需的退火温度而定，不需要考虑硅钢的退火温度，更优选地，所述非晶-硅钢堆叠体的退火温度为300-600℃(比如305℃、320℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、580℃、590℃)，退火时间为1～5h。
在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述浸漆处理是将所述非晶-硅钢堆叠体竖直向下浸没于浸渍漆中，在真空压力条件下进行充分浸漆；优选地，所述真空压力条件是指对浸漆容器反复交替进行抽真空和加压处理，所述真空度为10-104Pa(比如20Pa、100Pa、500Pa、1000Pa、2000Pa、3000Pa、4000Pa、5000Pa、6000Pa、7000Pa、8000Pa、9000Pa、9500Pa)，所述压力为(2-50)×105Pa(比如3×105Pa、8×105Pa、12×105Pa、15×105Pa、20×105Pa、25×105Pa、30×105Pa、35×105Pa、40×105Pa、45×105Pa)。所述浸渍漆可以为本领域常用的有机粘结剂或无机粘结剂；所述有机粘结剂优选为环氧树脂、有机硅胶、酚醛树脂或聚酰亚胺胶；所述无机粘结剂优选为水玻璃或硅胶。
根据本发明，在非晶-硅钢堆叠体浸漆过程，堆叠体必须完全浸没在浸渍漆之中，并且非晶和硅钢片在漆中处于竖直方向，不可以水平放置。并且为了保证浸漆容器内的真空度和压力，在浸漆过程中，需要反复交替地对密闭浸漆容器进行抽真空和加压处理，直至片材层间彻底浸透为止。
在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述固化处理的同时还进行叠片系数调整处理：对浸漆处理后的非晶-硅钢堆叠体施加轴向压力，以调整最终得到的复合定子铁芯的叠片系数。
根据本发明，在所述经充分浸漆的非晶-硅钢堆叠体固化之前或固化处理的同时，可以通过调整轴向压力实现非晶-硅钢复合铁芯叠片系数的调整，一般叠片系数控制在0.90-0.96之间。
在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述固化处理时的固化温度为50-300℃(比如60℃、80℃、120℃、150℃、200℃、230℃、250℃、260℃、280℃、290℃)。
根据本发明，在所述经充分浸漆的非晶-硅钢堆叠体的固化过程，固化温度根据浸渍漆即粘结剂的类型确定，一般固化温度范围在50-300℃；固化时间根据工件的三维尺寸确定，工件越大一般固化时间越长，以工件中心的漆彻底固化为固化工艺的最短固化时间。
在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述切割处理采用高速水射流切割、电火花线切割以及激光切割中的一种或者几种。
根据本发明，在所述经树脂铸型固化的非晶-硅钢复合块体铁芯的切割过程，切割处理可以采用本领域常用的切割方式比如高速水射流切割、电火花线切割或者激光切割中的一种或者几种配合使用。切割得到的非晶-硅钢复合定子铁芯由轭部和齿部构成，并且复合铁芯的各齿部水平中心线的延长线相交于轭部的几何中心，如图4所示。
与现有技术相比，本发明提供的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯，兼具低损耗、高饱和磁感应强度和高机械强度等优异特性，通过调整复合铁芯中非晶和硅钢的比例，可广泛应用于工频(50Hz)到高频(3000Hz)的径向磁场电机，并且能够显著提高电机的效率和功率密度。另外，本发明铁芯的制造方法简单、易于实现工业化。
附图说明
图1为本发明所述的使用具有一定宽度的硅钢带材和非晶薄带料卷进行重卷制备非晶-硅钢复合料卷的过程示意图；
图2为本发明所述的非晶-硅钢复合料卷进行横剪并同步码落的过程示意图；
图3为本发明所述的采用高速水射流切割经树脂铸型固化的块体非晶-硅钢复合铁芯的示意图；
图4为本发明所述的使用高速水射流切割得到的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯的示意图。
图中，附图标记如下：
具体实施方式
在现有技术中，为了追求径向磁场电机定子铁芯的低损耗，通常采用非晶合金软磁材料制作电机定子铁芯。非晶铁芯要达到理想的磁性能，必须进行去应力退火，然而退火处理会造成非晶或者纳米晶铁芯变脆、机械强度下降，给电机的稳定运行带来安全隐患。鉴于此，本发明提供了一种将硅钢带材和非晶带材切片后交替堆叠、再经退火、树脂铸型后切割成型制作兼具低损耗、高饱和磁感应强度、高叠片系数和高强度的非晶-硅钢复合径向磁场电机定子铁芯。
具体地讲，本发明的径向磁场电机用复合定子铁芯的制造方法包括以下步骤：将宽度略大于成品定子铁芯外径的单层硅钢带材和由多层非晶薄带形成的多重非晶带，进行重卷形成硅钢带材和多重非晶带层间交替分布的多重非晶-硅钢复合带料卷；将复合带料卷打开并对复合带材进行横剪处理，将横剪得到层间间隔(或称层间交替分布)的非晶-硅钢矩形片材同步进行码落整齐，得到多重非晶-硅钢堆叠体；将多重非晶-硅钢堆叠体在一定温度下进行退火处理；将经退火处理的多重非晶-硅钢堆叠体置于粘结剂如环氧树脂中进行真空压力浸漆处理；浸漆后在一定温度下进行固化处理，得到非晶-硅钢复合块体铁芯；将经树脂铸型的非晶-硅钢复合块体铁芯进行切割，进而得到具有径向齿槽结构的电机用非晶-硅钢复合定子铁芯成品。
本领域技术人员应该明白，硅钢带材、非晶合金带材(或者纳米晶合金带材)是不同类型的软磁合金材料，均可以从市场上直接获得。非晶或者纳米晶带材在高频下仍具有很低的损耗和高磁导率，不足是饱和磁感应强度较低、退火后变脆；然而，硅钢具有饱和磁感应强度高、退火后仍具有高机械强度、而且不脆，不足是损耗较高，尤其在高频下损耗随频率升高急剧增加。本发明结合两类材料的性能特征，将两类材料进行层间复合制作径向磁场电机用定子铁芯，扬长避短，使定子铁芯产品综合性能达到最佳。
由于本发明的复合铁芯的制作方法适合使用无取向硅钢和任何一种非晶带材或者纳米晶带材制作复合铁芯。使用非晶合金薄带与硅钢复合制作的铁芯称为非晶-硅钢复合铁芯，使用纳米晶合金与硅钢制作的铁芯称为纳米晶-硅钢复合铁芯，但在本发明中也将非晶-硅钢复合铁芯和纳米晶-硅钢复合铁芯统称为非晶-硅钢复合定子铁芯。
为了更好地解释本发明，下面将参照附图来充分地描述本发明的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯及其制造方法。
图1示出的是使用一定宽度的多重非晶带料卷1和具有相同宽度的单层硅钢带料卷2，重卷过程中，多重非晶带材依次经过第一多重非晶带材导向辊3和第二多重非晶带材导向辊4，单层硅钢带材经过第一硅钢带材导向辊5和第二硅钢带材导向辊6，两种带材被引导到一起以形成一层硅钢带材和多重非晶带材交替的多重非晶-硅钢复合带料卷7。值得注意是，选用的硅钢带和非晶带的宽度要略大于成品非晶-硅钢复合定子铁芯外径，以便于后期加工。
接着打开重卷得到的多重非晶-硅钢复合带料卷并进行横剪，如图2所示。多重非晶-硅钢复合带首先经过导向辊8进入由伺服电机控制的送料辊9，再送入由装有剪切刀具的下剪切平台10和同样装有剪切刀具的上剪切平台11组成的剪切平台。横剪(即沿带材的宽度方向剪切)过程，上剪切平台11抬起，送料辊9按照预定程序设置的长度将非晶-硅钢复合带材送至剪切平台，然后上剪切平台落下将一定长度的多重非晶-硅钢复合片材12剪下，同时机械手臂13将剪下的非晶-硅钢复合片材12码放整齐，进而形成由相同尺寸的多重非晶片材和单层硅钢片材层间交替分布的多重非晶-硅钢堆叠体14。
对多重非晶-硅钢堆叠体14进行退火处理，消除内部力，以便提高非晶-硅钢复合铁芯的软磁性能。退火过程可以在真空下进行，也可以在氩气、氮气或者氢气等保护气氛下进行。退火温度由复合铁芯中的非晶材料或者纳米晶材料退火所需温度决定，一般退火温度在300-600℃之间。
退火后进行树脂铸型处理。将多重非晶-硅钢堆叠体完全浸没在浸渍漆之中，并且对浸漆槽反复交替进行抽真空和加压处理，真空度范围10-104Pa，压力范围(2-10)×105Pa。待多重非晶-硅钢堆叠体充分被浸渍漆浸透以后进行固化处理，以形成非晶-硅钢复合块体铁芯。叠片系数的控制一般通过在固化过程中在叠厚方向即轴向对非晶-硅钢片材施加压力，叠片系数一般可以控制在0.90-0.96之间。固化温度根据浸渍漆的种类及牌号确定，一般固化温度在常温-300℃，优选为50-300℃；固化时间根据非晶-硅钢复合铁芯的尺寸确定，以保证铁芯非晶-硅钢内部彻底固化为最短固化时间。通过树脂铸型处理可以制作出由图3所示的多重非晶-硅钢复合块体铁芯15。
最后一步是对多重非晶-硅钢复合块体铁芯15进行切割，以得到具有径向齿槽结构的电机铁芯。切割方式可以采用高速水射流切割、电火花线切割或者激光切割中的一种或者几种切割方式配合使用。图3是采用高速水射流切割刀头16对非晶-硅钢块体复合铁芯进行齿槽切割的过程示意图，最终得到如图4所示具有径向齿槽结构的电机用非晶-硅钢复合定子铁芯17，由环形轭部19和沿轭部圆周均匀分布的齿部18组成，而且每个径向齿的水平中心线均指向铁芯环形轭部的圆心。
下面详细描述一下本发明方法制备的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯的结构，该复合定子铁芯是由硅钢片层与非晶合金片层交替堆叠且固化后而成的块体；复合定子铁芯包括：轭部19和沿轭部径向均匀分布于所述轭部内壁面上的齿部18，也可以说，各个齿部18由轭部19内壁面向轭部中轴线方向延伸，且各齿部18的水平中心线的延长线相交于轭部19的中心。轭部19为筒状体。齿部18的高度等于轭部19的高度。各个齿部18的长度(即径向上的长度)相同。齿部中，靠近轭部19中轴线位置的端面设有极靴。
非晶合金片层是单层非晶合金片材或是由多层非晶合金薄带材层叠而成的非晶合金复合片材；所述硅钢片层也可以是单层硅钢片材或是由多层硅钢带材层叠而成的硅钢复合片材，本发明优选硅钢片层为单层。所述硅钢片层优选为无取向硅钢片层。
非晶合金片层的厚度与硅钢片层的厚度可以相同也可以不同，优选二者厚度相同。
复合定子铁芯的叠片系数优选为0.90-0.96。
实施例
在本实施例中，采用本发明所述的方法制作径向磁场电机用非晶-硅钢复合铁芯的方法是相同的，只需要将不同成分体系或者不同牌号的非晶或纳米晶薄带材料进行替换，以及根据不同非晶或者纳米晶薄带材料的性能选择不同的工艺参数，即可制备出不同的非晶-硅钢复合定子铁芯。因此，下面仅以牌号为B35AV1900的无取向硅钢和牌号为1k101的非晶带材复合制备径向磁场电机定子铁芯为例，结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
在本实施例中，制作径向磁场电机用复合定子铁芯选用的硅钢带材牌号B35AV1900、厚度0.35mm、带宽100mm，选用的非晶带材牌号1k101、名义成份Fe78Si9B13(at.％)、带厚0.025±0.002mm、带宽100mm。要求硅钢带材和非晶带材的表面平整光洁，对硅钢带材和非晶带材的制作方法不作特别限制。
根据本发明的制备方法，第一步如图1所示，使用1卷宽度100mm的单层硅钢带料卷和1卷宽度100mm的30层非晶带料卷，进行重卷以形成30层非晶带和1层无取向硅钢层间交替分布的复合带材料卷。第二步是对非晶-硅钢复合带料横剪成边长为100mm的正方形片料，并通过机械手臂码落整齐，进而得到由1层硅钢片和30层非晶片层间交替分布的非晶-硅钢堆叠体。
第三步是对非晶-硅钢堆叠体进行去应力退火处理。退火过程在工业氮气保护下进行，退火温度控制在380℃、保温时间90min，然后随炉冷却至100℃以下时出炉。
第四步是进行树脂铸型，首先将非晶-硅钢堆叠体竖直地(即形成堆叠体的各片层是竖直向下的)完全浸没在环氧树脂(蓝星新材料，牌号：E-31)中，液面高出堆叠体30mm以上，并且反复交替地对浸漆槽进行真空和加压处理，真空度达到102Pa时停止抽真空，保持该真空度10min；接着对浸漆槽进行加压处理，当压力5×105Pa时停止加压，保压10min；如此反复交替操作，直至非晶-硅钢切片堆叠体层间完全浸透环氧树脂为止。接着进行固化处理，固化温度控制在150℃，固化时间为90min。经树脂铸型得到的非晶-硅钢复合块体铁芯15，如图3所示，其边长为100mm、叠厚(即高度)尺寸为60mm。
最后一步是对经树脂铸型的非晶-硅钢复合铁芯15进行齿槽切割。切割过程如图3所示，切割方式采用高速水射流切割，使用高速水射流切割刀头16首先切割出铁芯的内部齿槽结构，再切割铁芯的外圆。最终，制备出一个由环形轭部19和径向的6个齿部18构成的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯成品，该层数比为30:1的非晶-硅钢复合铁芯称为复合铁芯A。
本实施例还同时制备了层数比为5:1的非晶-硅钢复合铁芯，称为复合铁芯B；以及制备了层数比为50:1的非晶-硅钢复合铁芯，称为复合铁芯C。
本实施例制备的铁芯性能参见表1和2。
对比例1
在本对比例中，制作径向磁场电机用非晶定子铁芯选用的非晶带材牌号为1k101、名义成份为Fe78Si9B13(at.％)、厚度为0.025±0.002mm、宽度为100mm，要求带材表面平整光洁。
第一步如图1所示，使用1卷宽度100mm的5层非晶带料卷，进行横剪形成边长为100mm的正方形非晶片，并通过机械手臂码落整齐，进而得到非晶片堆叠体。
第二步是对非晶片堆叠体进行去应力退火处理。退火过程在工业氮气保护下进行，退火温度控制在380℃、保温时间90min，然后随炉冷却至100℃以下时出炉。
第三步是进行树脂铸型。首先将非晶片堆叠体完全浸没在环氧树脂中，并且反复交替地对浸漆槽进行真空和加压处理，直至非晶片堆叠体层间完全浸透环氧树脂为止。接着进行固化处理，固化温度控制在150℃，固化时间为90min。经树脂铸型得到的块体非晶铁芯，其边长为100mm、叠厚尺寸为60mm。
第四步是对经树脂铸型的块体非晶铁芯进行齿槽切割。切割方式采用高速水射流切割，最终制备出一个由环形轭部和径向6齿槽的非晶定子铁芯成品，下表中称为非晶铁芯。
对比例2
在本对比例中，制作径向磁场电机用硅钢定子铁芯。选用的硅钢带材牌号为B35AV1900、厚度0.35mm、宽度为100mm，要求硅钢带材表面平整光洁。
第一步如图1所示，使用1卷宽度100mm的硅钢带料卷，进行横剪形成边长为100mm的正方形硅钢片，并通过机械手臂码落整齐，进而得到硅钢片堆叠体。
第二步是进行树脂铸型，首先将硅钢片堆叠体完全浸没在环氧树脂中，并且反复交替地对浸漆槽进行真空和加压处理，直至硅钢片堆叠体层间完全浸透环氧树脂为止。接着进行固化处理，固化温度控制在150℃，固化时间为90min。经树脂铸型得到的块体硅钢铁芯，其边长为100mm、叠厚尺寸为60mm。
第三步是对经树脂铸型的块体硅钢铁芯进行齿槽切割。切割方式采用高速水射流切割，最终制备出一个由环形轭部和径向6齿槽的硅钢定子铁芯成品，下表中称为硅钢铁芯。
将实施例1制备的径向磁场非晶-硅钢复合定子铁芯与对比例1中制作的径向磁场非晶定子铁芯相比，通过调整硅钢和非晶材料的比例，复合铁芯的磁通密度可比非晶铁芯提高10％以上。表1给出了对比例1中使用牌号为1k101非晶带材制作的非晶定子铁芯和实施例1中使用1层B35AV1900硅钢和30层1k101非晶材料制备的非晶-硅钢复合定子铁芯的磁化数据。从表中数据可以看出，非晶-硅钢复合铁芯在励磁磁场强度高于200A/m时，显示出高磁通密度的优势；当励磁磁场达到10000A/m时，非晶-硅钢复合铁芯的磁通密度可比非晶铁芯高6.5％；当励磁磁场达到25000A/m时，非晶-硅钢复合铁芯的磁通密度比非晶铁芯高10.58％。可见，电机使用非晶-硅钢复合铁芯时过载能力比使用非晶铁芯时具有优势。
表1非晶-硅钢(层数比30:1)的复合铁芯与非晶铁芯的磁化参数
与对比例2中制作的径向磁场硅钢定子铁芯相比，通过调整硅钢和非晶材料的比例，实施例1制备的非晶-硅钢复合铁芯损耗可以比硅钢铁芯降低40-85％，节能显著。表2给出了对比例2中使用牌号为B35AV1900的硅钢片制作的硅钢定子铁芯和实施例1中使用1层B35AV1900硅钢和30层1k101非晶材料制备的复合定子铁芯的损耗数据。从表中数据可以看出，非晶-硅钢复合定子铁芯的损耗可比硅钢定子铁芯降低50-65％，而且通过调整复合铁芯中非晶材料的占比还可以进一步减低复合铁芯的损耗。可见，该方法制作的径向磁场非晶-硅钢复合定子铁芯具有很低的铁芯损耗，比硅钢铁芯更适合应用于高频径向磁场电机，能够提高电机的效率、功率密度以及转矩密度。
表2非晶-硅钢(层数比30:1)复合铁芯、硅钢铁芯损耗(W/kg)数据
通过上述方法制备的非晶-硅钢复合定子铁芯，除了具有高饱和磁感和低损耗优势之外，还具有高强度、高叠片系数、高导热率等优点，应用范围和应用潜力巨大。

Claims (10)

1.一种径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯，其特征在于，该复合定子铁芯是由硅钢片层与非晶合金片层交替堆叠且固化后而成的块体；所述复合定子铁芯包括：
轭部；和
齿部，均匀分布于所述轭部内壁面上，由所述轭部内壁面向所述轭部中轴线方向延伸，且各所述齿部的水平中心线的延长线相交于所述轭部的中心。
2.根据权利要求1所述的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯，其特征在于，所述非晶合金片层是单层非晶合金片材或是由多层非晶合金薄带材层叠而成的非晶合金复合片材；优选地，所述硅钢片层为单层硅钢片材，所述非晶合金片层为1-100层非晶合金薄带材层叠而成的非晶合金复合片材，进一步地，所述非晶合金片层优选为1-50层非晶合金薄带材层叠而成的非晶合金复合片材。
3.根据权利要求1或2所述的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯，其特征在于，所述复合定子铁芯的两端面均为硅钢片层。
4.根据权利要求1所述的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯，其特征在于，所述硅钢片层为无取向硅钢片层。
5.根据权利要求1所述的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯，其特征在于，所述复合定子铁芯的叠片系数为0.90-0.96。
6.权利要求1-5任一所述的径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
复合料卷的卷制步骤：将硅钢带料卷和与所述硅钢带料卷具有相同宽度的非晶合金带料卷进行重卷，形成硅钢带材和非晶合金带材交替分布的非晶-硅钢复合带料卷；
横剪及堆叠步骤：将所述非晶-硅钢复合带料卷打开并按照所需尺寸进行横剪，并将横剪后得到的非晶-硅钢片材堆叠整齐，得到硅钢片层与非晶合金片层交替堆叠的非晶-硅钢堆叠体；
退火步骤：将所述非晶-硅钢堆叠体进行退火处理，得到退火后非晶-硅钢堆叠体；
浸漆及固化步骤：将退火后非晶-硅钢堆叠体进行浸漆处理，然后进行固化处理，得到非晶-硅钢复合块体铁芯；
加工步骤：将所述非晶-硅钢复合块体铁芯进行切割处理，从而加工成上述径向磁场电机用非晶-硅钢复合定子铁芯。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述非晶合金带料卷是单层非晶合金带或多层非晶合金带形成的料卷，所述非晶合金带的材质选自铁基、镍基或者钴基的非晶或纳米晶软磁合金；优选地，单层非晶合金带的厚度为0.02-0.05mm，所述非晶合金带料卷中非晶合金带的层数为1-100，所述非晶合金带料卷中非晶合金带的层数更优选为1-50；所述硅钢带料卷是单层硅钢带形成的料卷，单层硅钢带的厚度为0.1-0.5mm。
8.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，
所述横剪后得到的非晶-硅钢片材为矩形片材，采用机械手臂在横剪的同步将所述矩形片材堆叠整齐，码落整齐后得到由非晶合金片层和硅钢片层交替分布的非晶-硅钢堆叠体；
所述切割处理采用高速水射流切割、电火花线切割以及激光切割中的一种或者几种。
9.根据权利要求6-8任一所述的制造方法，其特征在于，
所述退火处理是在真空环境下或者在氮气、氩气或氢气保护气氛下进行；优选地，所述非晶-硅钢堆叠体的退火温度为300-600℃，退火时间为1～5h；
所述固化处理时的固化温度为50-300℃。
10.根据权利要求6-9任一所述的制造方法，其特征在于，所述浸漆处理是将所述非晶-硅钢堆叠体竖直向下浸没于浸渍漆中，在真空压力条件下进行充分浸漆；优选地，所述真空压力条件是指对浸漆容器反复交替进行抽真空和加压处理，所述真空度为10-104Pa，所述压力为(2-50)×105Pa；更优选地，所述浸渍漆为有机粘结剂或无机粘结剂，所述有机粘结剂为环氧树脂、有机硅胶、酚醛树脂或聚酰亚胺胶；所述无机粘结剂为水玻璃或硅胶。
在所述固化处理的同时还进行叠片系数调整处理：对浸漆处理后的非晶-硅钢堆叠体施加轴向压力，以调整最终得到的复合定子铁芯的叠片系数。
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