CN109450187A - 一种新型金属基高硅钢-康铜复合实心定子的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型金属基高硅钢‑康铜复合实心定子的制备工艺，包括如下步骤：a.Fe‑6.5%Si合金熔液在实验室制坯；b.通入氮气气氛+氢气气氛，加热原则一般是高温慢低温可适度快，之后以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温；c.将熔炼好的高硅钢定子进行机加工处理切片，采用激光切割机进行定子的表面切片处理；d．轧制，首先对康铜材料采用热轧工艺；最终轧制成厚2.6~3mm的热轧带作为热处理实验的样品；e.退火处理。本发明能够得到组织结构均匀，性能良好的实心定子，此实心定子具有较小的中心应力，较大临界缺陷尺寸，结构简单、机械强度与平衡性优良，独特的涡流特性等优点。

Description

一种新型金属基高硅钢-康铜复合实心定子的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种采用新型结构的高硅钢-康铜定子在开关磁阻电机上的应用，特别是涉及一种不同于传统方法在一系列热处理工艺下制备的6.5%高硅钢，并且将在此定子的结构上进一步改进，应用于高硅钢制备定子的研发技术领域。
背景技术
开关磁阻电机的诸多优势使其具有广阔的应用前景,但是特殊的双凸极结构和供电方式使其在调速过程中会产生很大的振动和噪声。这种振动是由于电机在脉冲供电方式下,其定、转子磁极间产生的径向磁吸力使定、转子不断发生相对运动,造成定子、转子间气隙不断发生变化,引起电机内部不均匀的电磁场交替出现,形成一个脉动的电磁力波。定子是壳体结构,在这个脉动电磁力的作用下，不可避免地形成压缩、扩张振动，并通过机壳向外发射噪声。当这个脉动电磁力的谐波频率和定子的固有振动频率一致时，将会使开关磁阻电机产生振动,噪声将进一步加剧。因此，要有效地降低和控制开关磁阻电机的振动和噪声，对电机定子的振动特性进行深入地研究和分析是十分必要的。
为了改良开关磁阻电机的机电性能，本发明提出了采用高硅钢与康铜材料制备复合金属实心定子结构。这对降低定子阻抗，抑制定子涡流，减小定子损耗，提高电机性能以及抑制定子高频谐波的影响等方面有显著的作用。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用高硅钢（6.5%硅含量）复合康铜材料在一系列热处理制度下制备的实心定子，康铜材料可在较宽的温度范围内使用。有良好的加工性能和焊接性能，这一点为金属基复合材料的制备提供了现实依据。制备得到的金属基复合实心定子实现了提高定子使用安全性，增大了定子在工作时的稳定性，延长定子使用寿命，减低电机损耗的目标，将这种新型定子应用于开关磁阻电机的做法，属于电动机研发相关技术领域。本发明能够得到组织结构均匀，性能良好的实心定子，此实心定子具有较小的中心应力，较大临界缺陷尺寸，结构简单、机械强度与平衡性优良，独特的涡流特性等优点。本发明基于ANSYS Workbench 平台，建立计及散热筋、接线盒和端盖的开关磁阻电机的有限元模型，并对传统硅钢定子以及新型复合金属材料制备的定子进行模态分析,对新型结构定子的应用具有广阔的指导意义。
开关磁阻电机定子轴向槽后齿槽区域的磁力线分布的基本特点：(1)大部分磁力线沿着齿槽轮廓线闭合；(2)有一定量的磁力线穿过槽部，其值与转差率有关，转差率越大，穿过槽部的磁力线越多；(3)铁轭区域的磁力线密度低于齿部。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种新型金属基高硅钢-康铜复合实心定子的制备工艺，包括如下步骤：
a. Fe-6.5%Si合金熔液在实验室制坯。首先将块状硅打磨成为粉末，合并与0.5%~5%的三氧化二硼以及1%~3%的纳米三氧化二钴粉末共同作为添加物；
b. 打开炉电源，通入氮气气氛+氢气气氛，体积分别在50%~90%和5%~20%之间，加热原则一般是高温慢低温可适度快，一般<400℃可自由升温，>800℃时加热速度小于100℃/h，样品较大可在800℃保持30min均温处理再继续升温，在850℃~1000℃保温15min~2h，温度越高，时间越长晶粒越大，磁性能升高同时力学性能下降；之后以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温；
c. 将熔炼好的高硅钢定子进行机加工处理切片，采用激光切割机进行转子的表面切片处理，激光功率1000~4000W，最大运动速度：130m/min，整机质量3000kg，X/Y轴定位精度±0.2mm。首先对定子表面进行酸洗，酸洗过后用200#、400#、800#、1000#、2000#砂纸依次分别对金属锭进行打磨，然后采用丙酮和乙醇，对金属锭进行超声清洗，以确保绝缘良好并防止缝隙腐蚀，
d．轧制，首先对康铜材料采用热轧工艺；开轧温度在860℃，精轧温度750℃以上, 经过3~12道次往复热轧，最终轧制成厚2.6~3mm的热轧带作为热处理实验的样品，热处理采用箱式电阻炉进行；板坯以轧制中心线为基准进行对中，确保板坯宽度方向上两端与轧制中心线的距离一致，不能有偏差，以便轧制；
e. 退火处理；将钢板置于退火炉内，退火温度设在450℃ 之间，退火时间为60min-120min 之间，之后随炉冷却至室温。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明制备的新型定子具有化学成分分布均匀，结构致密的特点，区别于传统硅钢制备，拥有更好的力学性能，脆性得到改善，相对于光滑实心定子，开槽实心定子能够产生相对良好的电磁场，降低了定子阻抗。
2. 本发明制备的实心定子异步交流电机以其独特的优点在于定子结构的改进很大程度上提高了实心定子电机性能，除此之外，选用合适的材料以及新材料的应用也是一种有效的途径。
3. 本发明在既有光滑实心定子优良的起动性能和小转差率运行时较高的力能指标，与传统定子感应电机相比，具有更好的小转差率运行性能和更高的出力。通过解析计算和实验验证得出，高硅钢新型定子表面开梨形槽后，有效地降低了定子谐波涡流损耗，提高了电机的效率。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1：
一种新型金属基高硅钢-康铜复合实心定子的制备工艺 ，包括如下步骤：
a. Fe-6.5%Si合金熔液在实验室制坯。首先将块状硅打磨成为粉末，合并与0.5%~5%的三氧化二硼以及1%~3%的纳米三氧化二钴粉末（此粉末直接购买可得，制作工艺就不列举了）共同作为添加物；本发明选取不同配方进行制备，具体下面实施例有详细注解。
b. 打开炉电源，通入氮气气氛+氢气气氛，体积分别在50%和5%，加热原则一般是高温慢低温可适度快，一般<400℃可自由升温，>800℃时加热速度小于100℃/h，样品较大可在800℃保持30min均温处理再继续升温。在850℃~1000℃保温15min~2h，温度越高，时间越长晶粒越大，磁性能升高同时力学性能下降。之后以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温。
c. 将熔炼好的高硅钢定子进行机加工处理切片，本发明采用激光切割机LMN4020A交换平台光纤激光切割机进行转子的表面切片处理，激光功率1000~4000W，最大运动速度：130m/min，整机质量3000kg，X/Y轴定位精度±0.2mm。首先对定子表面进行酸洗，酸洗过后用200#、400#、800#、1000#、2000#砂纸依次分别对金属锭进行打磨，然后采用丙酮和乙醇，对金属锭进行超声清洗，以确保绝缘良好并防止缝隙腐蚀，
d．轧制，首先对康铜材料本发明采用热轧工艺；确定开轧温度在860℃，精轧温度750℃以上, 经过3道次往复热轧，最终轧制成厚2.6~3mm的热轧带作为热处理实验的样品，热处理采用箱式电阻炉进行。板坯以轧制中心线为基准进行对中，确保板坯宽度方向上两端与轧制中心线的距离一致，不能有偏差，以便轧制。
e. 退火处理；将钢板置于退火炉内，退火温度设在450℃ 之间，退火时间为60min-120min 之间，之后随炉冷却至室温。
本实施例中设计了四台定子相同的实心定子开关磁阻电动机，一台定子为普通铸钢结构，另一台定子为新制备的表面开槽高硅钢定子。电机基本参数如下：额定功率：PN =7. 5 kW；额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 = 210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。规定四种电机在标准启动，测试不同电动机功率，并由此得出定子磁导率。由麦克斯韦方程可以得出开槽铸铝层的三维求解方程，具体的定子磁导率计算公式如下：
式中，设沿坐标轴方向的磁导率分别为μx，μz，μz；电导率为：σx，σy，σz；
本实施例方法特别适用对比不同定子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢-康铜复合实心定子进行有效评价。本实施例利用先进冶金制备方法，严格把控高硅钢熔炼制备工艺，在提高硅钢本身磁导率的前提下进而保证硅钢的力学性能。本实施例利用五种相同的电动机型，测试新型实心定子区别于传统实心定子的优异性能，同时也对比了不同制备工艺下得到的新型定子之间的差异性。对定子的磁导率，电动机的功率等做出了重要评价，评测的结果精确，全面。
实施例2：
一种新型金属基高硅钢-康铜复合实心定子的制备工艺 ，包括如下步骤：
a. 改为加入1%的三氧化二硼以及1.5%的纳米三氧化二钴粉末共同作为添加物；
b. 将炉内气氛调整为60%N2+10%H2；
d. 轧制道次改为6次，其余不变；
本实施例中设计了四台定子相同的实心定子开关磁阻电动机，一台定子为普通铸钢结构，另一台定子为新制备的表面开槽高硅钢定子。电机基本参数如下：额定功率：PN =7. 5kW；额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 = 210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。规定四种电机在标准启动，测试不同电动机功率，并由此得出定子磁导率。由麦克斯韦方程可以得出开槽铸铝层的三维求解方程，具体的定子磁导率计算公式如下：
式中，设沿坐标轴方向的磁导率分别为μx，μz，μz；电导率为：σx，σy，σz；
本实施例方法特别适用对比不同定子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢-康铜复合实心定子进行有效评价。本实施例利用先进冶金制备方法，严格把控高硅钢熔炼制备工艺，在提高硅钢本身磁导率的前提下进而保证硅钢的力学性能。本实施例利用五种相同的电动机型，测试新型实心定子区别于传统实心定子的优异性能，同时也对比了不同制备工艺下得到的新型定子之间的差异性。对定子的磁导率，电动机的功率等做出了重要评价，评测的结果精确，全面。
实施例3：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
一种新型金属基高硅钢-康铜复合实心定子的制备工艺 ，包括如下步骤：
a. 改为加入2%的三氧化二硼以及3.5%的纳米三氧化二钴粉末共同作为添加物；
b. 中将炉内气氛调整为80%N2+15% H2；
d. 轧制道次改为8次，其余不变。
本实施例设计了四台定子相同的实心定子开关磁阻电动机，一台定子为普通铸钢结构，另一台定子为新制备的表面开槽高硅钢定子。电机基本参数如下：额定功率：PN =7.5 kW；额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 = 210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。规定四种电机在标准启动，测试不同电动机功率，并由此得出定子磁导率。由麦克斯韦方程可以得出开槽铸铝层的三维求解方程，具体的定子磁导率计算公式如下：
式中，设沿坐标轴方向的磁导率分别为μx，μz，μz；电导率为：σx，σy，σz；
本实施例方法特别适用对比不同定子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢-康铜复合实心定子进行有效评价。本实施例利用先进冶金制备方法，严格把控高硅钢熔炼制备工艺，在提高硅钢本身磁导率的前提下进而保证硅钢的力学性能。本实施例利用五种相同的电动机型，测试新型实心定子区别于传统实心定子的优异性能，同时也对比了不同制备工艺下得到的新型定子之间的差异性。对定子的磁导率，电动机的功率等做出了重要评价，评测的结果精确，全面。
实施例4：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
一种新型金属基高硅钢-康铜复合实心定子的制备工艺 ，包括如下步骤：
a. 改为加入3%的三氧化二硼以及5%的纳米三氧化二钴粉末共同作为添加物；
b. 中将炉内气氛调整为90%N2+20% H2；
d. 轧制道次改为12次，其余不变。
本实施例设计了四台定子相同的实心定子开关磁阻电动机，一台定子为普通铸钢结构，另一台定子为新制备的表面开槽高硅钢定子。电机基本参数如下：额定功率：PN =7.5 kW；额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 = 210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。规定四种电机在标准启动，测试不同电动机功率，并由此得出定子磁导率。由麦克斯韦方程可以得出开槽铸铝层的三维求解方程，具体的定子磁导率计算公式如下：
式中，设沿坐标轴方向的磁导率分别为μx，μz，μz；电导率为：σx，σy，σz；
本实施例方法特别适用对比不同定子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢-康铜复合实心定子进行有效评价。本实施例利用先进冶金制备方法，严格把控高硅钢熔炼制备工艺，在提高硅钢本身磁导率的前提下进而保证硅钢的力学性能。本实施例利用五种相同的电动机型，测试新型实心定子区别于传统实心定子的优异性能，同时也对比了不同制备工艺下得到的新型定子之间的差异性。对定子的磁导率，电动机的功率等做出了重要评价，评测的结果精确，全面。
试验对比分析：
上述实施例实验测试分析的结果如下表1，
表1. 本发明实施例1～实施例4经电化学试验处理后的各样品检测性能参数表
由上述分析、计算表明，经过结构改良后的定子明显比未改良的定子性能更优，装在同种电机上电机的功率得到较大提升，金属基复合实心定子的振动频率在测试过程中也更低，保持了良好的工作稳定性，同时不同工艺下制备的定子在同种电机的测试过程中也反映出较大的差距，这对降低定子阻抗，抑制定子涡流，减小定子损耗，提高电机性能以及抑制定子高频谐波的影响等方面有显著的作用。
本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用先进冶金方法制备金属基复合实心定子的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型金属基高硅钢-康铜复合实心定子的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
a. Fe-6.5%Si合金熔液在实验室制坯：首先将块状硅打磨成为粉末，合并与0.5%~5%的三氧化二硼以及1%~3%的纳米三氧化二钴粉末共同作为添加物；
b. 打开炉电源，通入氮气气氛+氢气气氛，加热原则一般是高温慢低温可适度快，一般<400℃可自由升温，>800℃时加热速度小于100℃/h，样品较大可在800℃保持30min均温处理再继续升温，在850℃~1000℃保温15min~2h，温度越高，时间越长晶粒越大，磁性能升高同时力学性能下降，之后以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温；
c. 将熔炼好的高硅钢定子进行机加工处理切片，采用激光切割机进行定子的表面切片处理，激光功率1000~4000W，最大运动速度：130m/min，整机质量3000kg，X/Y轴定位精度±0.2mm；首先对定子表面进行酸洗，酸洗过后用200#、400#、800#、1000#、2000#砂纸依次分别对金属锭进行打磨，然后采用丙酮和乙醇，对金属锭进行超声清洗，以确保绝缘良好并防止缝隙腐蚀；
d．轧制，首先对康铜材料采用热轧工艺；确定开轧温度在860℃，精轧温度750℃以上,经过3~12道次往复热轧，最终轧制成厚2.6~3mm的热轧带作为热处理实验的样品，热处理采用箱式电阻炉进行；板坯以轧制中心线为基准进行对中，确保板坯宽度方向上两端与轧制中心线的距离一致，不能有偏差，以便轧制；
e. 退火处理；将钢板置于退火炉内，退火温度设在450℃ 之间，退火时间为60min-120min 之间，之后随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：所述步骤a中选用的铁块必须预先经过除油打磨，在200目，600mu，800目以及1000目下逐级打磨并且用去离子水和丙酮溶液清洗干净。
3.根据权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于：所述步骤b中，氮气气氛体积为50%~90%，氢气气氛体积为5%~20%。
4.根据权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于：所述步骤c中，所述激光切割机为光纤激光切割机LMN4020A交换平台光纤激光切割机。
5. 根据权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于：复合实心定子涉及的电机基本参数如下：额定功率：PN =7. 5 kW;额定电压：UN = AC 380 V；极数: 2p =4；定子外径：D2 =210 mm；定子槽数：Z =36；铁心长度：L=145 mm。
6.根据权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于：退火工艺的退火为45min-60min。
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