本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種無刷直流發(fā)電機(jī)及其制備工藝。
背景技術(shù)：
無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等。無刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通常采用細(xì)長的結(jié)構(gòu)，無刷直流電機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小的多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少39％—50％左右。這種電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。但是此種電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)有震動(dòng)，工作環(huán)境有時(shí)會(huì)比較惡劣，經(jīng)常會(huì)在高溫高濕，甚至酸堿腐蝕環(huán)境中工作，因此，電機(jī)的材料需要有較強(qiáng)的強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱性能，現(xiàn)有的電機(jī)材料一般使用普通的不銹鋼或者鑄鋁材料，普通的材料的力學(xué)性能不高容易損壞，導(dǎo)熱不好還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部溫度過高造成電機(jī)性能下降。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，耐蝕的無刷直流電機(jī)。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種無刷直流電動(dòng)機(jī)，由鋁合金材料制成，包括第一端蓋、第二端蓋構(gòu)成的殼體，所述殼體內(nèi)部設(shè)有定子組立、與定子組立連接的轉(zhuǎn)子，所述定子組立固定設(shè)置在第一軸承和第二軸承上，其中所述鋁合金的成分按質(zhì)量百分比為：Mg0.45％～0.9％，Si0.2％～0.6％，Mn0.1％～0.2％，Cr0.1％～0.2％，F(xiàn)e0.1％～0.2％，Ti0.1％～0.2％，Zr0.18％～0.2％，Sc0.5％～0.6％，余量為Al。
本發(fā)明的無刷直流電機(jī)的材料采用合理元素配比的鋁合金材料制成，提高鋁合金的性能。在鋁合金中雜質(zhì)元素、合金元素以析出態(tài)而非固溶態(tài)存在于金屬中，其電阻越小，電子越容易通過，金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能就越好，而稀土Zr的加入具有除氣和除雜的作用，能與氫生成穩(wěn)定的稀土氫化物(ReH2，ReH3)，改變氫在鋁液中的存在形態(tài)，抑制氣泡的形核，因此，添加有Zr的鋁合金凝固后針孔率下降；稀土還可與鐵等原固溶在鋁中的有害雜質(zhì)形成穩(wěn)定的金屬間化合物(如FeRe5)在晶界析出，從而降低了雜質(zhì)元素在基體中的固溶量；而微量Zr對(duì)鋁導(dǎo)電性的損害小于Cr、Mn、Ti，Al在平衡凝固條件下鋁在室溫下幾乎不固溶Zr，可在非平衡凝固時(shí)Zr在鋁中的固溶度擴(kuò)大，激冷的條件下甚至可達(dá)4.9％。利用固溶Zr原子擴(kuò)散激活能大，在鋁晶格中的擴(kuò)散非常慢，來釘軋位錯(cuò)，可以提高Al合金的耐熱性能。但隨著稀土加入量的增加，鋁合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能會(huì)再出現(xiàn)降低傾向，一方面是稀土的加入，引起了鋁合金晶粒組織的細(xì)化，增加了電子通過的難度，另一方面稀土量的增加導(dǎo)致部分稀土固溶于鋁合金晶體中因此需要合適的添加量才能保證性能的最大化。
655℃時(shí)Sc在鋁中的固溶度為0.27％，隨著溫度的降低，Sc的溶解度急劇降低，所以能析出密度極高的Al3Sc相。Al3Sc相是一種LI2型相，與母相鋁共格，有著極大的共格錯(cuò)配，因此對(duì)位錯(cuò)及亞晶具有強(qiáng)烈的釘扎作用，從而阻礙晶粒長大，使合金始終保持細(xì)晶粒狀態(tài)。在含鈧鋁合金中穩(wěn)定存在的Al3Sc相，其彌散度極高(15～20μm)，是均質(zhì)形核，所以又有強(qiáng)烈的彌散強(qiáng)化作用，并能顯著提高鋁合金的再結(jié)晶溫度，因此，Sc能顯著提高鋁合金的強(qiáng)度、耐蝕性。
在本發(fā)明鋁合金中同時(shí)加入Sc和Zr，能形成組成更復(fù)雜的三元化合物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質(zhì)點(diǎn)外，還有尺寸更小的含鋯Al3Sc或Al3(ScZr)相，其結(jié)構(gòu)也是Ll2型，并與基體共格，能有效阻止位錯(cuò)的遷移和亞晶的形成、長大或合并。因此，這種尺寸小，密度高和分布均勻的AlScZr相的存在，能進(jìn)一步顯著細(xì)化晶粒和提高再結(jié)晶溫度，得到未再結(jié)晶的組織，還能強(qiáng)烈抑制沿晶斷裂傾向，有利于提高合金的強(qiáng)度、塑性。
進(jìn)一步地，所述鋁合金中Mg與Si的比值為1.5～1.7:1，當(dāng)鎂硅比值為1.5～1.7:1時(shí)，鋁合金中過剩的微量Si剛好與Fe彌散分布于鋁基體中，從而減少了Si、Fe元素在鋁基體中的固溶度。當(dāng)硅元素過剩較多時(shí)，過剩的硅不僅固溶于鋁基體中，還與鐵極易形成粗大相，因此導(dǎo)致導(dǎo)熱能力有所下降。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種無刷直流電機(jī)的制備工藝，所述制備工藝包括如下步驟：
S1、配置所需成分的原料，將原料混合、熔化為鋁液，然后進(jìn)行精煉；
S2、將精煉后的鋁液通過噴管滴出，使用壓強(qiáng)為3～4Mpa氣體將滴出的鋁液吹落至粉末狀，氣體吹出方向與溶液滴出方向成45～60°夾角；
S3、經(jīng)粉末經(jīng)篩選、熱壓燒結(jié)、擠壓成錠，再經(jīng)固溶處理、時(shí)效處理得到鋁合金，將鋁合金加工成型得電機(jī)半成品；
S4、將電機(jī)半成品電鍍得表面有鍍層的無刷直流電機(jī)。
鋁合金的熔煉難度大，非鋁元素與鋁的比重相差較大，易造成偏析，高溫下攪拌鋁液又很易產(chǎn)生大量氧化夾雜，所以鋁合金質(zhì)量很難保證穩(wěn)定，往往要經(jīng)重熔去除氧化夾雜和使成分均勻，使用熔煉后氣體吹落成粉，然后再燒結(jié)的工藝可以保證合金成分均勻，最后成品力學(xué)性能好。
進(jìn)一步地，S1中所述精煉工藝為升溫至690～710℃，添加質(zhì)量比為2.3～2.5:1的六氯乙烷和二氧化鈦的混合物，精煉20～25min，添加合適配比的六氯乙烷和二氧化鈦可以兼有精煉和變質(zhì)的作用，減少合金元素的熔煉損耗。
進(jìn)一步地，S3中所述篩選粉末的粒度分布為粒度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％。鋁粉粒度較細(xì)會(huì)改善燒結(jié)強(qiáng)度，但是會(huì)降低流動(dòng)性且會(huì)與模壁發(fā)生冷焊，因此需要配比合適粒度分布的鋁粉進(jìn)行燒結(jié)。
進(jìn)一步地，S3中所述熱壓燒結(jié)工藝為：對(duì)粉末進(jìn)行壓胚，壓胚密度2.4～2.5g/cm3，在保護(hù)氣的氣氛下，以10～13℃/min的速度升溫至595～597℃，然后保溫30～32min，在燒結(jié)時(shí)，溫度過低不能形成較多的液相鋁，溫度過高，過多的液相鋁液會(huì)使胚體變形，甚至坍塌，不利于燒結(jié)的進(jìn)行。
進(jìn)一步地，S4中電鍍中電鍍時(shí)間為0～5min時(shí)，電流密度1.5～1.6A.dm-2；5～15min時(shí)，電流密度3～3.2A.dm-2；15～20min時(shí)，電流密度4.7～5A.dm-2。在不同的階段采用不同的電流密度有利于膜的均勻沉積，防止沉積不均勻?qū)е碌拿撀洮F(xiàn)象。
進(jìn)一步地，所述電解液為濃度為0.25～0.3mol/L的Na2SiO3·9H2O和NaOH混合溶液，其中Na2SiO3·9H2O與NaOH的摩爾比為1:1。
進(jìn)一步地，電鍍?cè)?～15min時(shí)，電解液中加入粒徑0.2～0.3μm的石墨顆粒。電解液中加入粒徑0.2～0.3μm的石墨顆粒，沉積在膜層中的石墨分子作為天然的電子擊穿通道促進(jìn)了微弧放電緊致層的形成，石墨的高導(dǎo)電性使得膜層表面平整光滑，因此膜層的摩擦系數(shù)較小，提高了耐磨性能，添加濃度適宜的石墨時(shí)，石墨的高導(dǎo)電性提高了微弧氧化反應(yīng)速率，使電子通道溫度瞬間升高，促進(jìn)了耐蝕的α-Al2O3晶型生成，同時(shí)又保證了氧化膜緊密層的厚度，所以提升了鋁合金的耐蝕性。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：
(1)無刷直流電機(jī)的材料為鋁合金材料，鋁合金的成分配比合理，通過各成分之間的作用，提高電機(jī)的力學(xué)性能、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，有效延長其使用壽命；
(2)通過合理的熔煉和燒結(jié)工藝保證合金成分均勻，提高燒結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高力學(xué)性能；
(3)在電鍍過程中添加石墨顆粒，使得膜層表面平整光滑，進(jìn)一步提高電機(jī)的耐磨性能，同時(shí)提高電機(jī)的耐蝕性。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
一種無刷直流電動(dòng)機(jī)，由鋁合金材料制成，包括第一端蓋、第二端蓋構(gòu)成的殼體，所述殼體內(nèi)部設(shè)有定子組立、與定子組立連接的轉(zhuǎn)子，所述定子組立固定設(shè)置在第一軸承和第二軸承上
實(shí)施例1
配置所需成分的原料：Mg0.6％，Si0.4％，Mn0.1％，Cr0.1％％，F(xiàn)e0.1％，Ti0.1％，Zr0.18％，Sc0.5％，余量為Al，將原料混合、熔化為鋁液，然后進(jìn)行精煉，精煉溫度為690℃，精煉劑為質(zhì)量比為2.3:1的六氯乙烷和二氧化鈦，精煉時(shí)間20min；
將精煉后的鋁液通過噴管滴出，使用壓強(qiáng)為3Mpa氣體將滴出的鋁液吹落至粉末狀，氣體吹出方向與溶液滴出方向成45°夾角；
篩選粉末，得到粒度分布為顆粒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、然后對(duì)粉末進(jìn)行壓胚，壓胚密度2.4g/cm3，在保護(hù)氣的氣氛下，以10℃/min的速度升溫至595℃，然后保溫30min，擠壓成錠，再經(jīng)固溶處理、時(shí)效處理得到鋁合金，將鋁合金加工成型得電機(jī)半成品；
將電機(jī)半成品進(jìn)行電鍍：電鍍時(shí)間為0～5min時(shí)，電流密度1.5A.dm-2；5～15min時(shí)，電解液中加入粒徑0.2μm的石墨顆粒，電流密度3A.dm-2；15～20min時(shí)，電流密度4.7A.dm-2，最后得到表面有鍍層的無刷直流電機(jī)。
實(shí)施例2
配置所需成分的原料：Mg0.9％，Si0.6％，Mn0.2％，Cr0.2％，F(xiàn)e0.2％，Ti0.2％，Zr0.2％，Sc0.6％，余量為Al，所述鋁合金中Mg與Si的比值為1.7：1，將原料混合、熔化為鋁液，然后進(jìn)行精煉，精煉溫度為710℃，精煉劑為質(zhì)量比為2.5:1的六氯乙烷和二氧化鈦，精煉時(shí)間25min；
將精煉后的鋁液通過噴管滴出，使用壓強(qiáng)為4Mpa氣體將滴出的鋁液吹落至粉末狀，氣體吹出方向與溶液滴出方向成60°夾角；
篩選粉末，得到粒度分布為顆粒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、然后對(duì)粉末進(jìn)行壓胚，壓胚密度2.5g/cm3，在保護(hù)氣的氣氛下，以13℃/min的速度升溫至597℃，然后保溫32min，擠壓成錠，再經(jīng)固溶處理、時(shí)效處理得到鋁合金，將鋁合金加工成型得電機(jī)半成品；
S4、將電機(jī)半成品電鍍，電鍍時(shí)間為0～5min時(shí)，電流密度1.6A.dm-2；5～15min時(shí)，電解液中加入粒徑0.3μm的石墨顆粒，電流密度3.2A.dm-2；15～20min時(shí)，電流密度5A.dm-2，最后得到表面有鍍層的無刷直流電機(jī)。
實(shí)施例3
配置所需成分的原料：：Mg0.8％，Si0.5％，Mn0.1％，Cr0.1％，F(xiàn)e0.1％，Ti0.1％，Zr0.18％，Sc0.5％，余量為Al，將原料混合、熔化為鋁液，然后進(jìn)行精煉，精煉溫度為700℃，精煉劑為質(zhì)量比為2.4:1的六氯乙烷和二氧化鈦，精煉時(shí)間22min；
將精煉后的鋁液通過噴管滴出，使用壓強(qiáng)為3Mpa氣體將滴出的鋁液吹落至粉末狀，氣體吹出方向與溶液滴出方向成50°夾角；
篩選粉末，得到粒度分布為顆粒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、然后對(duì)粉末進(jìn)行壓胚，壓胚密度2.45g/cm3，在保護(hù)氣的氣氛下，以12℃/min的速度升溫至596℃，然后保溫30min，擠壓成錠，再經(jīng)固溶處理、時(shí)效處理得到鋁合金，將鋁合金加工成型得電機(jī)半成品；
S4、將電機(jī)半成品電鍍，電鍍時(shí)間為0～5min時(shí)，電流密度1.5A.dm-2；5～15min時(shí)，電解液中加入粒徑0.3μm的石墨顆粒，電流密度3.2A.dm-2；15～20min時(shí)，電流密度4.8A.dm-2，最后得到表面有鍍層的無刷直流電機(jī)。
實(shí)施例4
配置所需成分的原料：：Mg0.5％，Si0.3％，Mn0.1％，Cr0.1％，F(xiàn)e0.1％，Ti0.1％，Zr0.18％，Sc0.5％，余量為Al，將原料混合、熔化為鋁液，然后進(jìn)行精煉，精煉溫度為710℃，精煉劑為質(zhì)量比為2.5:1的六氯乙烷和二氧化鈦，精煉時(shí)間24min；
將精煉后的鋁液通過噴管滴出，使用壓強(qiáng)為4Mpa氣體將滴出的鋁液吹落至粉末狀，氣體吹出方向與溶液滴出方向成60°夾角；
篩選粉末，得到粒度分布為顆粒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、然后對(duì)粉末進(jìn)行壓胚，壓胚密度2.5g/cm3，在保護(hù)氣的氣氛下，以11℃/min的速度升溫至595℃，然后保溫30min，擠壓成錠，再經(jīng)固溶處理、時(shí)效處理得到鋁合金，將鋁合金加工成型得電機(jī)半成品；
將電機(jī)半成品電鍍，電鍍時(shí)間為0～5min時(shí)，電流密度1.5A.dm-2；5～15min時(shí)，電解液中加入粒徑0.3μm的石墨顆粒，電流密度3A.dm-2；15～20min時(shí)，電流密度4.7A.dm-2，最后得到表面有鍍層的無刷直流電機(jī)。
實(shí)施例5
配置所需成分的原料：：Mg0.65％，Si0.4％，Mn0.1％％，Cr0.1％，F(xiàn)e0.1％，Ti0.2％，Zr0.18％，Sc0.5％，余量為Al，所述鋁合金中Mg與Si的比值為1.6：1，將原料混合、熔化為鋁液，然后進(jìn)行精煉，精煉溫度為690℃，精煉劑為質(zhì)量比為2.3:1的六氯乙烷和二氧化鈦，精煉時(shí)間23min；
將精煉后的鋁液通過噴管滴出，使用壓強(qiáng)為4Mpa氣體將滴出的鋁液吹落至粉末狀，氣體吹出方向與溶液滴出方向成45°夾角；
篩選粉末，得到粒度分布為顆粒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、然后對(duì)粉末進(jìn)行壓胚，壓胚密度2.5g/cm3，在保護(hù)氣的氣氛下，以10℃/min的速度升溫至597℃，然后保溫30min，擠壓成錠，再經(jīng)固溶處理、時(shí)效處理得到鋁合金，將鋁合金加工成型得電機(jī)半成品；
將電機(jī)半成品電鍍，電鍍時(shí)間為0～5min時(shí)，電流密度1.6A.dm-2；5～15min時(shí)，電解液中加入粒徑0.2～0.3μm的石墨顆粒，電流密度3.2A.dm-2；15～20min時(shí)，電流密度4.7A.dm-2，最后得到表面有鍍層的無刷直流電機(jī)。
對(duì)比例1
本對(duì)比例與實(shí)施例1的區(qū)別僅為，合金成分按質(zhì)量百分比為：Mg0.45％，Si0.2％，Mn0.1％，Cr0.1％％，F(xiàn)e0.1％，Ti0.1％，余量為Al。
對(duì)比例2
本對(duì)比例與實(shí)施例1的區(qū)別僅為，合金成分中Mg與Si的比值為2：1。
對(duì)比例3
本對(duì)比例與實(shí)施例1的區(qū)別僅為，精煉過程中，不加入精煉劑。
對(duì)比例4
本對(duì)比例與實(shí)施例1的區(qū)別僅為，精煉時(shí)間為30min。
對(duì)比例5
本對(duì)比例與實(shí)施例1的區(qū)別僅為，燒結(jié)的溫度為610℃。
對(duì)比例6
本對(duì)比例與實(shí)施例1的區(qū)別僅為，在電鍍時(shí)，不加入石墨顆粒。
表1實(shí)施例與對(duì)比例性能對(duì)比數(shù)據(jù)
從表中實(shí)施例與對(duì)比例的對(duì)比可以看出，本發(fā)明制備的無刷直流電機(jī)具有較好的力學(xué)強(qiáng)度和耐磨性能，同時(shí)具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。
鑒于本發(fā)明方案實(shí)施例眾多，各實(shí)施例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)龐大眾多，不適合于此處逐一列舉說明，但是各實(shí)施例所需要驗(yàn)證的內(nèi)容和得到的最終結(jié)論均接近，故而此處不對(duì)各個(gè)實(shí)施例的驗(yàn)證內(nèi)容進(jìn)行逐一說明，僅以上述部分實(shí)施例作為代表說明本發(fā)明申請(qǐng)優(yōu)異之處。在涉及同一指標(biāo)的不同測試方案時(shí)，采用本發(fā)明方案指出的任一均可以，并且均不超出本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)。