CN114244037A - 非晶合金电机铁芯的制备方法、铁芯及电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种非晶合金电机铁芯的制备方法、铁芯及电机。该方法包括：(1)，将非晶合金带材制备成半成品铁芯；(2)，对半成品铁芯进行固定，得到电子非晶合金铁芯；其中，在步骤(1)和步骤(2)中均不对非晶合金进行退火处理，且在步骤(1)和步骤(2)之间无非晶合金退火处理步骤。该方法在使用非晶合金带材制备电机铁芯的过程中，无需退火处理，制备的非晶合金电机铁芯磁性能优良，且韧性较高，不易产生碎片和开裂。

Description

非晶合金电机铁芯的制备方法、铁芯及电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种非晶合金电机铁芯的制备方法、铁芯及电机。
背景技术
电机的高频化、高速化是电机未来的主要技术趋势之一。传统的硅钢材料由于铁损太高，严重影响了电机在高速工作时的功率密度及效率。非晶态合金带材具有高电阻率，低厚度的特性，其单位铁损远低于硅钢材料，特别是在高频、高速工况下，其单位铁损只有硅钢材料的20-40％。因此，使用非晶合金替代硅钢材料，制备电子的定子铁芯已成为趋势。
在现有非晶合金电机铁芯制作工艺中，需要对非晶合金电机铁芯进行退火处理。例如，在一种方案中，将非晶合金带材进行切割，形成具有预定长度的多个非晶合金片，叠片后形成层叠棒，对层叠棒进行退火、粘接固化后再进行切割，形成所需形状的定子铁芯。再例如，在另一种方案中，对带宽为两个单边定子高度的非晶合金带材的中心部位开槽，冲压出相连的两个单边定子槽。将其卷绕成铁芯后沿铁芯轴向垂直面切割成两个相同的单边非晶合金定子铁芯，最后对其进行退火处理。
非晶合金电机铁芯的退火不可避免的导致非晶合金材料变脆，使得后续成型加工难度变大，成品率降低，产品的一致性、稳定性差；此外，退火处理后的非晶合金铁芯在电机装配过程中易出现碎片，严重影响电机性能；在电机工作过程中，退火处理后的非晶合金铁芯较脆，容易产生碎片甚至开裂，严重情况下，碎片掉落至转子、定子之间的间隙中，则会导致电机的损坏，产生安全隐患。另一方面，在非晶合金电机铁芯热处理过程中需要较长的时间，不易实现铁芯的自动化生产。
发明内容
本发明实施例提供了一种非晶合金电机铁芯的制备方法、铁芯及电机，在使用非晶合金带材制备电机铁芯的过程中，无需退火处理，制备的非晶合金电机铁芯磁性能优良，且韧性较高，不易产生碎片和开裂。
第一方面，提供了一种非晶合金电机铁芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)，将非晶合金带材制备成半成品铁芯；
(2)，对半成品铁芯进行固定，得到电子非晶合金铁芯；
其中，在步骤(1)和步骤(2)中均不对非晶合金进行退火处理，且在步骤(1)和步骤(2)之间无非晶合金退火处理步骤。
在一种可能的设计中，在步骤(1)中，将非晶合金带材冲压成铁芯组成单元，所述铁芯组成单元形状与铁芯的横截面形状相同；再将多个铁芯组成单元叠加成半成品铁芯；在步骤(2)中，采用第一固定方式，对半成品铁芯进行固定；所述第一固定方式包括含浸、焊接、铆接、粘结中的任一种。
在一种可能的设计中，在步骤(1)中，将非晶合金带材叠加为块状，得到半成品铁芯；在步骤(2)中，对所述半成品铁芯进行含浸固化，并对经过含浸固化后的半成品铁芯进行线切割，得到所述非晶合金电机铁芯。
在一种可能的设计中，所述非晶合金带材为铁基合金带材、钴基合金带材、铁镍基合金带材中的任一种。
在一种可能的设计中，所述非晶合金带材的元素原子百分含量如式(1)所示；
M1-x-y-z-aSixByYzAa (1)；
其中，M为Fe、Co、Ni的一种或多种，Y为C、P、Al、Ge中的一种或多种，A为Cu或Au，0＜x≤5.5，5.0≤y≤13.0，0＜z≤4.0，0≤a≤1.5。
在一种可能的设计中，所述非晶合金带材的饱和磁感应强度Bs≥1.60T，维氏硬度为700-1000，抗拉强度为1.4-2.2GPa，厚度为20-35um；所述非晶合金带材采用单辊快淬制备而成。
在一种可能的设计中，所述非晶合金带材的元素原子百分含量如式(2)所示：
Fe82.5Si3.5B13C1 (2)；
所述非晶合金带材厚度为28um，叠片系数为89.0％，宽度为142mm，维氏硬度为800。
第二方面，提供了一种由如第一方面所述方法制备的电子定子铁芯。
第三方面提供了一种电机，包括转子和第二方面所述的定子铁芯。
在一种可能的设计中，所述电机的工作频率为400-3000Hz。
本发明提供的制备方法减少了铁芯退火处理环节，避免了带材退火后变脆的问题，无论铁芯的加工阶段、装配阶段还是电机工作过程中，均可有效避免铁芯因热处理变脆导致碎片产生甚至开裂的问题。
本发明制备的铁芯在频率为400-3000Hz范围内，与经过退火处理的非晶合金电机铁芯的损耗相比，未经过退火处理的非晶合金电机铁芯损耗更低，使用无退火处理非晶合金电机铁芯，在频率为400-3000Hz范围内，可以进一步提高电机的工作性能。
本发明通过无退火处理环节的工艺制备非晶合金电机铁芯，减少了退火处理工艺带来的性能差异，产品一致性更优，同时，减少退火处理环节有效的节约了工时、电能等，提高了生产效率，也更适合自动化生产。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种非晶合金电机铁芯的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供一种非晶合金电机铁芯的制备方法的流程图；
图3为本发明实施例提供一种非晶合金电机铁芯的制备方法的流程图；
图4为本发明实施例制备的一个电机非晶合金定子铁芯的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明实施例提供了一种无退火处理环节的非晶合金电机铁芯的制备方法。参阅图1，该方法包括如下步骤。
步骤100，将非晶合金带材制备成半成品铁芯。其中，在步骤100中不存在对非晶合金带材的退火处理(Annealing)，也不存在对半成品铁芯的退火处理。退火处理也可以称为热处理，其是指将材料曝露于高温一段很长时间后，然后再慢慢冷却的热处理制程。
步骤100中采用的非晶合金带材可以为铁基合金带材，也可以为钴基合金带材，也可以为铁镍基合金带材。优选为铁基合金带材。
在一些实施例中，用于制备铁芯的非晶合金带材的元素原子百分含量如式(1)所示；
M1-x-y-z-aSixByYzAa (1)。
其中，M为Fe、Co、Ni的一种或多种，Y为C、P、Al、Ge中的一种或多种，A为Cu或Au，0＜x≤5.5，5.0≤y≤13.0，0＜z≤4.0，0≤a≤1.5。
该非晶合金带材的饱和磁感应强度Bs≥1.60T，维氏硬度(HV)为700-1000，抗拉强度为1.4-2.2GPa，厚度为20-35um。
该非晶合金带材采用单辊快淬方法进行制备。
在一个具体例子中，该非晶合金带材的元素原子百分含量如式(2)所示：
Fe82.5Si3.5B13C1 (2)。
其中，该非晶合金带材厚度为28um，叠片系数为89.0％，宽度为142mm，维氏硬度(50g)为800。
步骤200，对半成品铁芯进行固定，得到电子非晶合金铁芯。其中，在步骤200中不存在对半成品铁芯的退火处理，也不存在对构成半成品铁芯的非晶合金带材的退火处理。并且，在步骤200和步骤100之间，也不存在对半成品铁芯的退火处理，也不存在对构成半成品铁芯的非晶合金带材的退火处理。
在一些实施例中，可以采用冲压法，利用非晶合金带材，制备非晶合金电机铁芯。参阅图2，步骤100可以由步骤101和步骤102组成。
其中，在步骤101中，将单层或者多层非晶合金带材冲压成所需要的形状，具体是所需制备的铁芯的横截面形状。也就是说，可以先将单层或多层非晶合金带材冲压成片状的铁芯组成单元，铁芯组成单元的形状与铁芯的横截面形状相同。其中，当采用的非晶合金带材为多层时，可以将多个单层合金带材粘结到一起，得到多层非晶合金带材。示例性的，可以采用环氧树脂将多个单层合金带材粘结到一起。示例性的，冲压的多层非晶合金带材厚度优选为在0.1-0.5mm。
在步骤102中，可以叠装半成品铁芯。具体而言，可以将多个铁芯组成单元依次叠加，得到半成品铁芯。
继续参阅图2，在步骤200中，采用第一固定方式，对半成品铁芯进行固定。其中，第一固定方式可以为含浸，也可以焊接，也可以为铆接，也可以为粘结。
另外，再次说明，在步骤101中、在步骤102中以及在步骤101和步骤102之间，均不存在对非晶合金带材的退火处理。在步骤102和步骤200之间也不存在对非晶合金带材的退火处理，也不存在对半成品铁芯的退火处理。换言之，从采用非晶合金带材，开始制备非晶合金电机铁芯，到非晶合金电机铁芯制备完成的过程中，不存在对非晶合金带材或者呈现为任意形态非晶合金带材(例如铁芯组成单元、半成品铁芯)的退火处理。
在一些实施例中，可以采用线切割法，利用非晶合金带材，制备非晶合金电机铁芯。参阅图3，步骤100可以由步骤103组成，将非晶合金带材叠加为块状，得到半成品铁芯。具体而言，可以将多层非晶合金带材叠装成块状，得到半成品铁芯。步骤200可以由步骤201和步骤202组成。其中，在步骤201中，对半成品铁芯进行含浸固化。然后，在步骤202中，对经过含浸固化后的半成品铁芯进行线切割，得到非晶合金电机铁芯。在一个例子中，可以使用电火花加工机床对半成品铁芯进行切割，电火花加工机床是利用电火花加工原理对导电材料进行加工的特征加工机床，可以用于加工各种高硬度的材料和复杂形状的模具、零件，以及切割、开槽和去除折断在工件孔内的工具等。
另外，再次说明，在步骤103中、步骤103和步骤201之间、步骤201中、步骤201和步骤202之间、以及在步骤202中，均不存在对非晶合金带材的退火处理，也不存在对半成品铁芯的退火处理。换言之，从采用非晶合金带材，开始制备非晶合金电机铁芯，到非晶合金电机铁芯制备完成的过程中，不存在对非晶合金带材或者呈现为任意形态非晶合金带材(例如铁芯组成单元、半成品铁芯)的退火处理。
本发明制备的非晶合金电机铁芯可以用作定子铁芯装配到电机中。优选地，本发明制备的非晶合金电机铁芯用作工作频率为400-3000Hz的电机的定子。
接下来，在具体实施例中，对本发明制备的铁芯进行说明。
实施例1
本实施例以上述式(2)所示的非晶合金带材为制备原料，采用图2所示的制备方法，制备如图4所示的非晶合金电机铁芯定子。该定子的外径为33.5mm,内径为14.8mm,高度为10mm。
对比例1
本对比例以上述式(2)所示的非晶合金带材为制备原料，采用传统的非晶合金电机铁芯的制备方法，即制备过程包括退火处理环节。本对比例具体可以采用中国专利CN101286676B记载的方案制备非晶合金电机铁芯。
接下来，比较实施例1提供的非晶合金电机铁芯定子、对比例1提供的非晶合金电机铁芯定子以及无取向硅钢的性能。
可以比较在不同工作频率、磁通密度的情况下，实施例1提供的非晶合金电机铁芯定子、对比例1提供的非晶合金电机铁芯定子以及无取向硅钢的铁损。
铁损比较结果如表1所示。
表1，铁损比较表
Figure BDA0003395198010000041
Figure BDA0003395198010000051
由表1可以看出，无论是否经过退火处理，非晶合金电机铁芯的铁损远远低于0.5mm厚度无取向硅钢铁损。而在固定工作频率下，随着工作磁密升高，非晶合金电机铁芯的损耗也逐步升高。其中，在相同工作频率、工作磁密下，与经过退火处理的非晶合金电机铁芯(即对比例1制备的铁芯)的铁损相比，无退火处理非晶合金电机铁芯(即实施例1制备的铁芯)的铁损更低。特别是，工作磁密越高，经过退火处理的非晶合金电机铁芯的铁损和无退火处理非晶合金电机铁芯的铁损之间的差值越大，即在更高的工作磁密下，无退火处理非晶合金电机铁芯的铁损降低的越多。由此，可知，相对于经过退火处理的非晶合金电机铁芯和无取向硅钢，无退火处理非晶合金电机铁芯具有更佳的磁性能。
并且，由于非晶合金材料退火处理后变脆的劣势特性，经过退火处理的非晶合金电机铁芯的脆性更强。而无退火处理非晶合金电机铁芯不存在这一问题，具有更强的韧性。
因此，本发明实施例制备的无退火处理非晶合金电机铁芯可以完美取代传统的经过退火处理的非晶合金电机铁芯。
将实施例1提供的非晶合金电机铁芯作为电机定子装备到电机A上。将对比例提供的非晶合金电机铁芯作为电机定子装备的电机B上。然后，比较电机A和电机B在不同工作频率和电流下的工作效率。具体如表2所示。
表2，电机效率对比表
Figure BDA0003395198010000052
从表2可知，在频率为200Hz，电流为14A的工况下，电机A的效率比电机B的效率稍低，在其他工况下，电机A的效率高于电机B的效率。
对实施例1提供的非晶合金电机铁芯和对比例1提供的非晶合金电机铁芯进行机械损耗对比。具体为在电机A和电机B运行特定时长后，检测铁芯是否产生碎片。结果如表3所示。
表3，机械损耗比较
Figure BDA0003395198010000061
从表3可以看出，对比例1制备的铁芯，在电机运行过程中会产生碎片，且电机运行时间达到2000h时，还会开裂，从而严重影响了电机的性能和寿命。而实施例1制备的铁芯在电机运行过程中不产生碎片，且不开裂。这是因为非晶合金材料的特性，在经过退火处理后，非晶合金材料脆性增大，在作为电机铁芯实际运用过程中，容易因工作震动，或力矩等因素造成大量的碎片，严重时甚至损坏铁芯结构以及电机本身，运行时间越长，碎片越多，最后导致开裂。但未退火的非晶合金铁芯保持了良好的韧性，完全非晶态的未退火的非晶合金带材可以完美的对折180°而不开裂破碎；所以，未退火的非晶电机铁芯在运行中，不容易出现碎片，甚至受到撞击也不会有碎片产生，更不会出现开裂现象，保证电机运行顺畅。
综合以上，本发明的方案具有如下优点。
1.本发明提出的非晶合金电机铁芯制备工艺，没有铁芯退火处理环节，避免了带材退火后变脆的问题，无论铁芯的加工阶段、装配阶段还是电机工作过程中，均可有效避免铁芯因热处理变脆导致碎片产生甚至开裂的问题。
2.在频率为400-3000Hz范围内，与经过退火处理的非晶合金电机铁芯的损耗相比，未经过退火处理的非晶合金电机铁芯损耗更低，使用无退火处理非晶合金电机铁芯，在频率为400-3000Hz范围，可以进一步提高电机的工作性能。
3.减少了退火处理工艺带来的性能差异，产品一致性更优，同时，减少退火处理环节有效的节约了工时、电能等，提高了生产效率，也更适合自动化生产。
可以理解的是，在本说明书的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本说明书的实施例的范围。

Claims (10)

1.一种非晶合金电机铁芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)，将非晶合金带材制备成半成品铁芯；
(2)，对半成品铁芯进行固定，得到电子非晶合金铁芯；
其中，在步骤(1)和步骤(2)中均不对非晶合金进行退火处理，且在步骤(1)和步骤(2)之间无非晶合金退火处理步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，将非晶合金带材冲压成铁芯组成单元，所述铁芯组成单元形状与铁芯的横截面形状相同；再将多个铁芯组成单元叠加成半成品铁芯；
在步骤(2)中，采用第一固定方式，对半成品铁芯进行固定；所述第一固定方式包括含浸、焊接、铆接、粘结中的任一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在步骤(1)中，将非晶合金带材叠加为块状，得到半成品铁芯；
在步骤(2)中，对所述半成品铁芯进行含浸固化，并对经过含浸固化后的半成品铁芯进行线切割，得到所述非晶合金电机铁芯。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述非晶合金带材为铁基合金带材、钴基合金带材、铁镍基合金带材中的任一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述非晶合金带材的元素原子百分含量如式(1)所示；
M1-x-y-z-aSixByYzAa (1)；
其中，M为Fe、Co、Ni的一种或多种，Y为C、P、Al、Ge中的一种或多种，A为Cu或Au，0＜x≤5.5，5.0≤y≤13.0，0＜z≤4.0，0≤a≤1.5。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非晶合金带材的饱和磁感应强度Bs≥1.60T，维氏硬度为700-1000，抗拉强度为1.4-2.2GPa，厚度为20-35um；
所述非晶合金带材采用单辊快淬制备而成。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非晶合金带材的元素原子百分含量如式(2)所示：
Fe82.5Si3.5B13C1 (2)；
所述非晶合金带材厚度为28um，叠片系数为89.0％，宽度为142mm，维氏硬度为800。
8.一种由如权利要求1-7任一项所述方法制备的电子定子铁芯。
9.一种电机，其特征在于，包括转子和权利要求8所述的定子铁芯。
10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，所述电机的工作频率为400-3000Hz。
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