CN110814661B - 一种电机定子铁芯的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机定子铁芯的制造方法，属于电机的技术领域，其包括配置Fe78Si9B13非晶合金、制备非晶合金带材、带材裁剪、带材的等温退火处理、选择带材的涂层、带材的叠块与固化、切割带材和制成铁芯试样的方法步骤。本发明具有降低电机定子铁芯损耗，提高电机效率的效果。

Description

一种电机定子铁芯的制造方法
技术领域
本发明涉及一种电机定子铁芯的制造方法，属于电机技术领域。
背景技术
现在，随着工业现代化的进行，生产中对电机的需求越来越多，电机在工业发展中的地位越来越重要了。探究电机的工作过程，发现电机的耗电量大依旧是一个急需解决的难题。同时，对于电机材料的研究也一直在进行，期望通过改变材料获得更加优良的电机性能。在电机的定子制备过程中，它的材料性能会对电机的定子铁芯损耗产生巨大的影响。
传统的硅钢电机使用硅钢定子，在使用过程中有着很大的缺陷。硅钢电机不适应在高频场合的应用，因为当电机工作时的频率大于基频时，电机的铁芯损耗迅速增大，进而导致铁芯温度的增加，电机所消耗的能源随之提高，因此开发一种铁芯损耗小的电机迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供一种电机定子铁芯的制造方法，具有降低电机定子铁芯损耗，提高电机效率的效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电机定子铁芯的制造方法，包括以下步骤：
一、调制Fe78Si9B13非晶合金，使用电子天平称量高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料，根据合金中成分的质量比例配比材料，称量后的材料放入装有酒精的超声波震荡仪器中进行震荡；
二、清洁和打磨钢模坩埚，将步骤一中高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料放入真空电弧炉的水冷坩埚中，抽真空至2.0×10-3Pa，后通入氩气，进行熔炼；
三、使用用于吸铸的坩埚，利用铸锭本身的重力和吸力作用将步骤二中熔融的原材料迅速吸入铜模中，得到用于检测的样品；
四、在步骤三的样品检测合格后，将步骤二熔炼后的原材料放入甩带炉中，抽真空至2.0×10-3Pa，再通入氩气进行保护，利用高频感应熔化原材料，当原材料完全熔化时，在预定温度下液体快速喷出，形成Fe78Si9B13非晶合金带材；
五、将步骤四得到带材用剪刀剪裁成长70mm、宽35mm的片状，然后通氩气15min，进行等温退火处理；
六、对步骤五得到的退火后的带材涂抹涂层；
七、将步骤六中涂层后的带材层层叠放成长方体状，并用体积比为1:6的环氧树脂和丙酮的固化剂进行固化，固化时控制非晶叠块的叠片系数；；
八、将步骤七固化后的长方体叠块使用电火花切割机床进行切割，得到电机定子铁芯。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤一中震荡的时间为3-5min。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤四中的预定温度为1140-1160℃。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤五中热处理的升温速率为10℃/min，退火温度为370-380℃，保温时间为90min。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤六中涂层为90％的乙醇、5％的氧化镁纳米粉和5％的去离子水组成的液体混合物。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤七操作方法为：将环氧树脂和丙酮按1:6的比例放入烧杯中搅拌均匀，再将叠放的长方体块放入烧杯中，并将烧杯放入震荡仪器中震荡3-5min，震荡结束后取出长方体块完成固化。
本发明技术方案的进一步改进在于：一种电机定子铁芯，由任一项所述的一种电机定子铁芯的制造方法得到。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
与现有硅钢电机的相比，本发明通过制备Fe78Si9B13非晶合金的新型电机定子铁芯，是一种降低电机定子损耗，提高电机效率的技术。通过这种技术，可以为电机定子的生产提供新的方法，具有很高的推广和应用价值。
本发明通过使用电子天平，能够精确到小数点后四位，提高了对称量材料的准确性；同时将称量后的原材料放入了装有酒精的超声波震荡仪器中震荡，除去污垢，同时也能够防止原材料被污染。
本发明对原材料进行了多次的熔炼，提高了原材料合金成分的均匀性。
本发明通过在进行热处理之前先通氩气，出去了炉中的氧气，防止带材在热处理时被氧化。
本发明采用的涂层为90％的乙醇、5％的氧化镁纳米粉和5％的去离子水组成的液体混合物，氧化镁纳米粉可以减小非晶带材间的应力，能够提高制备完成后铁芯的性能。
本发明使用环氧树脂对带材进行固化，其具有固化便捷、吸粘能力好、收缩性强等优良特性。
本发明对带材采用等温退火处理，可以释放带材的残余应力、增加材料延展性和韧性。
本发明对定子铁芯制备的叠片系数这一关键因素进行研究，选出较为优良的叠片系数值。
附图说明
图1是本发明铁基非晶合金铁芯的制备工艺路线；
图2是本发明铁芯损耗测试原理图；
图3是本发明铁基非晶合金电机定子铁芯试样；
图4是本发明铁芯损耗测试结果曲线；
图5是本发明铁基非晶电机铁芯损耗曲线；
图6是本发明硅钢电机铁芯损耗曲线；
图7是本发明电机输入功率曲线；
图8是本发明铁基非晶合金电机输出功率曲线；
图9是本发明硅钢电机输出功率曲线。
其中，1、电网，2、正弦电源，3、激励线圈，4、铁芯试样，5、测试线圈，6、数字功率表，7、示波器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明公开了一种电机定子铁芯的制造方法，结合图1所示的工艺路线图，包括以下步骤：
一、使用电子天平称量高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料，安照质量比Fe78Si9B13进行称量，称量后的材料放入装有酒精的超声波震荡仪器中进行震荡，震荡时间为3-5min；
二、清洁和打磨钢模坩埚，将步骤一中高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料放入真空电弧炉的水冷坩埚中，抽真空至2.0×10-3Pa，后通入氩气，进行多次熔炼；
三、使用用于吸铸的坩埚，利用铸锭本身的重力和吸力作用将步骤二中熔融的原材料迅速吸入铜模中，得到用于检测的样品；
四、在步骤三检测合格后，将步骤二熔炼后的原材料放入甩带炉中，抽真空至2.0×10-3Pa，再通入氩气进行保护，利用高频感应熔化原材料，当原材料完全熔化时，在预定温度1140-1160℃下液体快速喷出，形成Fe78Si9B13非晶合金带材；
五、将步骤四得到带材用剪刀剪裁成长70mm、宽35mm的片状，然后通氩气15min，后进行等温退火处理，升温速率为10℃/min，退火温度为370-380℃，保温时间为90min；
六、对步骤五得到的退火后的带材涂抹涂层，涂层为90％的乙醇、5％的氧化镁纳米粉和5％的去离子水组成的液体混合物；
七、将步骤六中涂层后的带材层层叠放成长方体状，并用体积比为1:6的环氧树脂和丙酮的固化剂进行固化，固化时控制非晶叠块的叠片系数；，其具体的操作方法为：将环氧树脂和丙酮按1:6的比例放入烧杯中搅拌均匀，再将叠放的长方体块放入烧杯中，并将烧杯放入震荡仪器中震荡3-5min，震荡结束后取出长方体块完成固化；
八、将步骤七固化后的长方体叠块使用电火花切割机床进行切割，得到电机定子铁芯，形状结构如图3所示。
以下是本发明的具体实施例：
实施例1
一、使用电子天平称量高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料，安照质量比Fe78Si9B13进行称量，称量后的材料放入装有酒精的超声波震荡仪器中进行震荡，震荡时间为3min；
二、清洁和打磨钢模坩埚，将步骤一中高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料放入真空电弧炉的水冷坩埚中，抽真空至2.0×10-3Pa，后通入氩气，进行多次熔炼；
三、使用用于吸铸的坩埚，利用铸锭本身的重力和吸力作用将步骤二中熔融的原材料迅速吸入铜模中，得到用于检测的样品；
四、在步骤三检测合格后，将步骤二熔炼后的原材料放入甩带炉中，抽真空至2.0×10-3Pa，再通入氩气进行保护，利用高频感应熔化原材料，当原材料完全熔化时，在预定温度1140℃下液体快速喷出，形成Fe78Si9B13非晶合金带材；
五、将步骤四得到带材用剪刀剪裁成长70mm、宽35mm的片状，然后通氩气15min，后进行等温退火处理，升温速率为10℃/min，退火温度为380℃，保温时间为90min；
六、对步骤五得到的退火后的带材涂抹涂层，涂层为90％的乙醇、5％的氧化镁纳米粉和5％的去离子水组成的液体混合物；
七、将步骤六中涂层后的带材层层叠放成长方体状，并用体积比为1:6的环氧树脂和丙酮的固化剂进行固化，固化时控制非晶叠块的叠片系数为0.91；其具体的操作方法为：将环氧树脂和丙酮按1:6的比例放入烧杯中搅拌均匀，再将叠放的长方体块放入烧杯中，并将烧杯放入震荡仪器中震荡5min，震荡结束后取出长方体块完成固化；
八、将步骤七固化后的长方体叠块使用电火花切割机床进行切割，得到电机定子铁芯。
实施例2
一、使用电子天平称量高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料，安照质量比Fe78Si9B13进行称量，称量后的材料放入装有酒精的超声波震荡仪器中进行震荡，震荡时间为4min；
二、清洁和打磨钢模坩埚，将步骤一中高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料放入真空电弧炉的水冷坩埚中，抽真空至2.0×10-3Pa，后通入氩气，进行多次熔炼；
三、使用用于吸铸的坩埚，利用铸锭本身的重力和吸力作用将步骤二中熔融的原材料迅速吸入铜模中，得到用于检测的样品；
四、在步骤三检测合格后，将步骤二熔炼后的原材料放入甩带炉中，抽真空至2.0×10-3Pa，再通入氩气进行保护，利用高频感应熔化原材料，当原材料完全熔化时，在预定温度1150℃下液体快速喷出，形成Fe78Si9B13非晶合金带材；
五、将步骤四得到带材用剪刀剪裁成长70mm、宽35mm的片状，然后通氩气15min，后进行等温退火处理，升温速率为10℃/min，退火温度为370℃，保温时间为90min；
六、对步骤五得到的退火后的带材涂抹涂层，涂层为90％的乙醇、5％的氧化镁纳米粉和5％的去离子水组成的液体混合物；
七、将步骤六中涂层后的带材层层叠放成长方体状，并用体积比为1:6的环氧树脂和丙酮的固化剂进行固化，固化时控制非晶叠块的叠片系数为0.93；其具体的操作方法为：将环氧树脂和丙酮按1:6的比例放入烧杯中搅拌均匀，再将叠放的长方体块放入烧杯中，并将烧杯放入震荡仪器中震荡4min，震荡结束后取出长方体块完成固化；
八、将步骤七固化后的长方体叠块使用电火花切割机床进行切割，得到电机定子铁芯。
实施例3
一、使用电子天平称量高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料，安照质量比Fe78Si9B13进行称量，称量后的材料放入装有酒精的超声波震荡仪器中进行震荡，震荡时间为5min；
二、清洁和打磨钢模坩埚，将步骤一中高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料放入真空电弧炉的水冷坩埚中，抽真空至2.0×10-3Pa，后通入氩气，进行多次熔炼；
三、使用用于吸铸的坩埚，利用铸锭本身的重力和吸力作用将步骤二中熔融的原材料迅速吸入铜模中，得到用于检测的样品；
四、在步骤三检测合格后，将步骤二熔炼后的原材料放入甩带炉中，抽真空至2.0×10-3Pa，再通入氩气进行保护，利用高频感应熔化原材料，当原材料完全熔化时，在预定温度1160℃下液体快速喷出，形成Fe78Si9B13非晶合金带材；
五、将步骤四得到带材用剪刀剪裁成长70mm、宽35mm的片状，然后通氩气15min，后进行等温退火处理，升温速率为10℃/min，退火温度为375℃，保温时间为90min；
六、对步骤五得到的退火后的带材涂抹涂层，涂层为90％的乙醇、5％的氧化镁纳米粉和5％的去离子水组成的液体混合物；
七、将步骤六中涂层后的带材层层叠放成长方体状，并用体积比为1:6的环氧树脂和丙酮的固化剂进行固化，固化时控制非晶叠块的叠片系数为0.95；其具体的操作方法为：将环氧树脂和丙酮按1:6的比例放入烧杯中搅拌均匀，再将叠放的长方体块放入烧杯中，并将烧杯放入震荡仪器中震荡3min，震荡结束后取出长方体块完成固化；
八、将步骤七固化后的长方体叠块使用电火花切割机床进行切割，得到电机定子铁芯。
将叠片系数分别为0.91，0.93，0.95三个不同的非晶合金定子铁芯试样进行损耗测试，根据《GB/T3658-2008软磁材料交流磁性能环形式样的测试方法》测试加工后铁基非晶合金铁芯的损耗，利用数字功率表记录此时激励线圈输入功率、电流、功率因数以及测试线圈的电压。其中，损耗测试原理如图2所示正弦电源2和电网1连接，以产生不同频率的正弦波电压；在铁基非晶合金铁芯试样4上按一定比例缠绕激励线圈3和测试线圈5，其中激励线圈3连接到正弦电源2和数字功率表6上，一是为铁基非晶合金铁芯试样提供磁通，二是测试激励线圈的输入功率；测试线圈5连接到示波器7和数字功率表6，通过测试线圈5的感应电动势计算出铁芯试样4的磁通密度，示波器7是用来监测测试线圈的感应电动势波形，保证铁芯内磁通密度按正弦规律变化；
d1)测试线圈的电压：U2＝4.44fBmScN2，式中U2为测试线圈电压有效值(V)；Bm为磁通密度(T)；f为频率(Hz)；Sc为试样的横截面积(m2)；N2为线圈测试匝数；
d2)铁芯试样的磁场强度：
Figure BDA0002281354020000081
式中H为磁场强度幅值(A/m)；N1为激励线圈匝数；Im为激励线圈磁化有效电流(A)；l为试样平均磁路长度(m)；
d3)铁芯试样的磁导率：
Figure BDA0002281354020000091
Bm为相对磁导率；μ0为真空磁导率；
d4)忽略次级回路中仪表消耗的功率，铁芯试样的总铁损：
Figure BDA0002281354020000092
式中Pc为试样总损耗(W)；I1为激励线圈电流有效值(A)；P1为激励线圈输入功率(W)；R1为线圈激励电阻(Ω)；
d5)非晶合金铁芯试样单位质量损耗P(W/kg)可表示为：
Figure BDA0002281354020000093
式中m为被测铁芯试样质量(kg)。
d6)根据所得的数据绘制铁芯损耗测试曲线。
得到实验结果并绘制不同叠片系数下的铁芯损耗曲线，如图4所示。通过分析曲线，发现定子铁芯的叠片系数越高，其铁芯损耗越大。
根据铁芯试验的结果，利用FLUX进行电机定子铁芯损耗仿真，取电机的1/8模型，结合表1的材料性能参数，将各参数代入Bertotti方法
Figure BDA0002281354020000094
中，式中P为铁耗(W/m2)；Kh为磁滞损耗系数；Ke为异常损耗系数；σ为电导率(S/m)；d为叠片厚度(m)；B为磁密峰值(T)。可以得到铁基非晶合金电机定子铁芯的损耗和传统硅钢电机定子铁芯的损耗，如图5和图6所示。由图5可知铁基非晶合金电机定子铁芯的平均损耗为9W，则铁基非晶合金电机铁芯损耗为9×8＝72.00W；由图6可知硅钢电机铁芯的平均损耗为18.86W，则硅钢电机铁芯损耗为18.86×8＝150.88W。由此可以看出，铁基非晶合金电机铁芯损耗明显低于硅钢电机。
表1材料性能参数
Figure BDA0002281354020000095
Figure BDA0002281354020000101
如图7所示，为输入电机的输入功率曲线，输入电机的输入功率，得到铁基非晶合金电机的输出功率曲线和硅钢电机输出功率曲线。其中，负功率对应于一个电循环上的输入功率。由图8可算出铁基非晶合金电机输出功率为49981W，效率为88.82％；由图9，得到硅钢电机输出功率为48228W，效率为85.56％。经过分析，铁基非晶合金电机效率比传统硅钢电机的效率高3.26％。
与现有硅钢电机的相比，本专利通过制备Fe78Si9B13非晶合金，得到新型电机定子铁芯，根据《GB/T3658-2008软磁材料交流磁性能环形式样的测试方法》测试加工后铁基非晶合金铁芯的损耗，得到一种降低电机定子损耗，提高电机效率的技术。通过这种技术，可以为电机定子的生产提供新的方法，具有很高的推广和应用价值。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理等所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
本发明的说明书中列举了各种组分的可选材料，但是本领域技术人员应该理解：上述组分材料的列举并非限制性的，也非穷举性的，各种组分都可以用其他本发明说明书中未提到的等效材料替代，而仍可以实现本发明的目的。说明书中所提到的具体实施例也是仅仅起到解释说明的目的，而不是为例限制本发明的范围。
另外，本发明每一个组分的用量范围包括说明书中所提到的任意下限和任意上限的任意组合，也包括各具体实施例中该组分的具体含量作为上限或下限组合而构成的任意范围：所有这些范围都涵盖在本发明的范围内，只是为了节省篇幅，这些组合而成的范围未在说明书中一一列举。说明书中所列举的本发明的每一个特征，可以与本发明的其他任意特征组合，这种组合也都在本发明的公开范围内，只是为了节省篇幅，这些组合而成的范围未在说明书中一一列举。

Claims (4)

1.一种电机定子铁芯的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、调制Fe78Si9B13非晶合金，使用电子天平称量高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料，根据合金中成分的质量比例配比材料，称量后的材料放入装有酒精的超声波震荡仪器中进行震荡；
二、清洁和打磨钢模坩埚，将步骤一中高纯度的工业纯铁、金属硅和铁硼中间合金原材料放入真空电弧炉的水冷坩埚中，抽真空至2.0×10-3Pa，后通入氩气，进行熔炼；
三、使用用于吸铸的坩埚，利用铸锭本身的重力和吸力作用将步骤二中熔融的原材料迅速吸入铜模中，得到用于检测的样品；
四、在步骤三的样品检测合格后，将步骤二熔炼后的原材料放入甩带炉中，抽真空至2.0×10-3Pa，再通入氩气进行保护，利用高频感应熔化原材料，当原材料完全熔化时，在预定温度下液体快速喷出，预定温度为1140-1160℃，形成Fe78Si9B13非晶合金带材；
五、将步骤四得到带材用剪刀剪裁成长70mm、宽35mm的片状，然后通氩气15min，进行等温退火处理，热处理的升温速率为10℃/min，退火温度为370-380℃，保温时间为90min；
六、对步骤五得到的退火后的带材涂抹涂层，涂层为90%的乙醇、5%的氧化镁纳米粉和5%的去离子水组成的液体混合物；
七、将步骤六中涂层后的带材层层叠放成长方体状，并用体积比为1:6的环氧树脂和丙酮的固化剂进行固化，固化时控制非晶叠块的叠片系数；
八、将步骤七固化后的长方体叠块使用电火花切割机床进行切割，得到电机定子铁芯。
2.根据权利要求1所述的一种电机定子铁芯的制造方法，其特征在于：步骤一中震荡的时间为3-5min。
3.根据权利要求1所述的一种电机定子铁芯的制造方法，其特征在于：步骤七操作方法为：将环氧树脂和丙酮按1:6的比例放入烧杯中搅拌均匀，再将叠放的长方体块放入烧杯中，并将烧杯放入震荡仪器中震荡3-5min，震荡结束后取出长方体块完成固化。
4.一种电机定子铁芯，其特征在于，由权利要求1-3任一项所述的一种电机定子铁芯的制造方法得到。
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