專利名稱：：一種用于高速電機(jī)的非晶合金定子鐵芯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鐵芯的制備方法，尤其是涉及一種用于高速電機(jī)的非晶合金定子鐵芯的制備方法。
背景技術(shù)：
：當(dāng)前技術(shù)中的大量應(yīng)用，如高速機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和激勵(lì)器、計(jì)算機(jī)和其它微電子器件中用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁盤(pán)和光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的主軸電動(dòng)機(jī)，都需要能在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。高的轉(zhuǎn)速需要高的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的硅鋼片鐵芯材料鐵損太高導(dǎo)致鐵芯在頻率高于300Hz時(shí)過(guò)熱而不可用。坡莫合金則因?yàn)楦哳l下飽和感應(yīng)降低(坡莫合金的0.6-0.9T，或更小如普通硅鋼的1.8-2.0T)，使得由坡莫合金組成的磁性部件尺寸增加成為必然。非晶合金與傳統(tǒng)的硅鋼片鐵芯材料相比，在高頻下使用時(shí)，在不降低飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(1.5T)的前提下，鐵芯損耗小得多，可以實(shí)現(xiàn)高效率的高頻電機(jī)應(yīng)用。1998年6月美國(guó)Honeywell公司專利W099/66624公開(kāi)了一種高效徑向磁通電機(jī)的非晶金屬定子，該定子用不同長(zhǎng)度的帶材疊加成孤形或C形然后浸漬固化成帶有向內(nèi)徑方向的齒狀定子。這種方法形成的定子結(jié)構(gòu)在離散的非晶態(tài)金屬薄片之間包含大量的氣隙，這增加了磁路的磁阻和相應(yīng)的運(yùn)行電動(dòng)機(jī)所需要的電流。德國(guó)專利DE2805435和DE2805438公開(kāi)了一種制備非晶鐵芯定子的方法，是將定子分成繞線片和極靴，非磁性材料被插入到繞線片和極孰之間的連接處，繞線片中的疊片通過(guò)焊接彼此連接。這種連接方法增加了有效間隙，并相應(yīng)提高了磁路的磁阻和運(yùn)行電動(dòng)機(jī)所需要的電流。同時(shí)，這種方法使用熱強(qiáng)化過(guò)程如焊接連接非晶態(tài)金屬疊片將使非晶態(tài)金屬在結(jié)合處和附近再結(jié)晶，從而增加定子中的磁損。2004年美國(guó)梅特格拉斯公司專利WO2004/070740公開(kāi)了光刻蝕刻法切割疊片制備非晶鐵芯定子。該方法尤其適合切割小的形狀復(fù)雜的疊片。這種方法得到的片表面光滑，形狀整齊，但是由于單片非晶片不具有剛性，且由于形狀復(fù)雜，后續(xù)的成型工藝比較復(fù)雜。電機(jī)鐵芯的性能要求是在一定頻率及磁通密度下具有低的鐵芯損耗，和在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下具有高的磁通密度，因此存在對(duì)于一種用于高速電機(jī)的非晶合金定子鐵芯制備方法的需求，這種方法既要保留非晶合金在高頻下低鐵芯損耗、高磁導(dǎo)率的特點(diǎn)，又要克服非晶合金帶材薄而硬致使定子鐵芯加工困難的特點(diǎn)，從而滿足對(duì)高速電動(dòng)機(jī)日益增長(zhǎng)的需求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種低損耗且外觀整齊完整的高速電機(jī)用非晶合金定子鐵芯的制備方法。該制備方法包括如下步驟(1)切割非晶合金帶材，以形成具有預(yù)定長(zhǎng)度的多個(gè)非晶合金片；(2)對(duì)非晶合金片疊片，以形成具有預(yù)定厚度的非晶合金片層疊棒；(3)對(duì)所述層疊棒進(jìn)行退火；(4)將退火后的所述層疊棒用粘結(jié)劑浸漬；(5)將浸漬后的層疊棒固化；(6)以預(yù)定形狀和尺寸切割所述層疊棒，形成所需形狀和尺寸的定子鐵芯。由此，只需一次最終切割成形，就可制備非晶定子鐵芯。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(l)本發(fā)明的制備方法的工藝簡(jiǎn)單、工藝時(shí)間較短、環(huán)保且易于控制，因此，本發(fā)明的制備方法有利于穩(wěn)定、批量的生產(chǎn)；(2)通過(guò)本發(fā)明制備的高速電機(jī)用非晶合金定子鐵芯具有良好的磁性能，磁導(dǎo)率高于硅鋼定子鐵芯，損耗不到硅鋼定子鐵芯的一半，詳見(jiàn)表1。非晶定子鐵芯在較高的頻率下使用時(shí)，能使鐵芯損耗值降低很多，詳見(jiàn)圖4和圖5。此外，當(dāng)被用作電動(dòng)機(jī)的定子時(shí)，與硅鋼定子相比，當(dāng)二者在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率下被磁化時(shí)，所述非晶定子發(fā)熱較少，因而本發(fā)明的非晶定子鐵芯尤其適用于高速電機(jī)。(3)通過(guò)本發(fā)明制備的高速電機(jī)用非晶合金定子鐵芯具有整齊完整的外觀效果，避免離散的非晶態(tài)金屬薄片之間產(chǎn)生大量的氣隙而增加了磁路的磁阻和運(yùn)行電機(jī)所的電流。同時(shí)也克服了釆用現(xiàn)有技術(shù)中焊接的方法而造成層疊片在結(jié)合處再結(jié)晶的缺陷。(4)使用所述非晶合金定子鐵芯的電動(dòng)機(jī)可以被設(shè)計(jì)成在以下條件下工作l)較低的工作溫度；2)較高的頻率和轉(zhuǎn)速；3)減少的體積和重量。圖1為本發(fā)明所述層疊棒示意圖2為本發(fā)明切割非晶定子鐵芯示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的非晶定子鐵芯；圖4為硅鋼定子鐵芯的損耗隨頻率變化的曲線；圖5為非晶定子鐵芯的損耗隨頻率變化的曲線；圖6為沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火方式的示意圖7為沿圓周方向的磁場(chǎng)退火方式；圖8為不同磁場(chǎng)退火方式退火后非晶定子鐵芯與硅鋼定子鐵芯在Bm-1.0T損耗隨頻率變化曲線，圖中l(wèi)表示普通退火，2表示沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火，3表示沿定子圓周方向磁場(chǎng)退火；圖9為涂層與未涂層非晶定子鐵芯在Bm-1.0T損耗隨頻率變化曲線，圖中l(wèi)表示沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火，2表示沿圓周方向磁場(chǎng)退火；圖IO對(duì)非晶帶材進(jìn)行涂層的設(shè)備示意圖。具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的方法，首先在非晶帶材生產(chǎn)線上，利用常規(guī)的切割裝置例如飛剪機(jī)等將非晶合金帶材切割成尺寸為預(yù)定長(zhǎng)度且形狀相同的多個(gè)非晶合金片；對(duì)于非晶合金帶材和得到該非晶合金帶材的方法沒(méi)有特別的限制。然后，對(duì)所獲得的非晶合金片疊片，例如用兩個(gè)硬質(zhì)夾板將非晶合金片夾在夾板之間，并用螺釘將夾板固定，從而形成具有預(yù)定厚度的非晶合金片層疊棒，如圖1所示。接下來(lái)，對(duì)所述層疊棒進(jìn)行退火，以消除應(yīng)力和提高磁性能；退火溫度可以為300。C-500。C，保溫時(shí)間可以為0-5小時(shí)。所述退火可以為保護(hù)氣氛退火，也可以為在加橫向磁場(chǎng)或縱向磁場(chǎng)或同時(shí)加橫縱向磁場(chǎng)的條件下退火。將退火后的所述層疊棒用粘結(jié)劑浸漬；可選的粘結(jié)劑包括環(huán)氧樹(shù)脂、清漆、厭氧粘合劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化硅酮材料等；為了改善層間結(jié)合，一般可在浸漬過(guò)程中抽真空，以使層間浸漬液分布均勻；浸漬過(guò)程中一般不將非晶合金片固定在一起，這樣可以充分浸漬。將浸漬后的層疊棒固化，固化的溫度和時(shí)間可根據(jù)選擇的粘結(jié)劑的種類和配比確定。然后，以預(yù)定形狀和尺寸切割所述層疊棒，形成所需形狀和尺寸的定子鐵芯，如圖2所示。對(duì)于切割的方式?jīng)]有特別的限制，可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知切割方式，包括依靠機(jī)械能通過(guò)刀具切削工件，如用切割刀片、切割輪和噴射水流等方式；也包括以電、熱、化學(xué)能等能量形式來(lái)加工工件，如電火花加工、電子束加工、等離子束加工、電解磨削等方式。在鐵芯切割成形后，可以在鐵芯表面進(jìn)行涂層處理，以防止其氧化。實(shí)施例1名義成份為Fe80Si9B11(at.%)的鐵基非晶合金帶材采用平面流鑄帶方法制備，帶材厚度為30±1jim，寬為50mm，表面光潔。首先將50mm寬的非晶合金薄帶剪成多個(gè)110mm長(zhǎng)且形狀相同的片，再將非晶合金片疊成寬50mm、長(zhǎng)110mm和高66mm的非晶棒，然后再將非晶棒在罩式爐中退火，軍式爐中通氮?dú)?。所述退火工藝為l)把所述非晶棒加熱到380°C;2)在380。C左右保溫90分鐘；3)隨爐冷卻。將退火后的非晶棒放入環(huán)氧樹(shù)脂與丙酮重量百分比為1:5的浸潰液中浸漬1小時(shí)后在180。C保溫兩小時(shí)固化，最后采用線切割將非晶棒切割成外徑為45.5mm、內(nèi)徑為22.2mm和長(zhǎng)度為66mm的18槽定子鐵芯。圖3所通過(guò)所述方法制備的非晶定子鐵芯。通過(guò)本發(fā)明制備的高速電機(jī)用非晶合金定子鐵芯具有良好的磁性能，磁導(dǎo)率高于硅鋼定子鐵芯，損耗不到硅鋼定子鐵芯的一半，見(jiàn)表表i非晶和硅鋼定子鐵芯的損耗<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實(shí)施例2:為了提高非晶定子鐵芯工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)磁場(chǎng)熱處理爐的大小與非晶棒的尺寸，釆取了以下兩種方式的磁場(chǎng)退火(1)沿棒長(zhǎng)度方向的磁場(chǎng)退火方式沿棒長(zhǎng)度方向的磁場(chǎng)退火方式的示意圖如圖6所示，將非晶棒沿長(zhǎng)度方向和磁場(chǎng)方向一致的方向》文置在恒溫磁場(chǎng)熱處理爐中。將通過(guò)切割Fe80Si9B11(at.%)的鐵基非晶合金帶得到的50mm寬、110mm長(zhǎng)的非晶片疊片成66mm高的非晶棒，共用非晶片2375g,將非晶棒在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行退火，退火工藝為1)升溫至380。C，當(dāng)溫度升至300。C時(shí)加磁場(chǎng)40mT;2)在380。C保溫卯min;3)降溫至300。C時(shí)去掉磁場(chǎng)。升溫速率為6'C/min，降溫速率為2。C/min。(2)沿圓周方向的磁場(chǎng)退火方式沿圓周方向的磁場(chǎng)退火方式的示意圖如圖7所示，此種退火方式的實(shí)現(xiàn)方法是在非晶棒疊片的夾板及層疊棒中心用電火花通孔，在孔中放入一根與層疊棒之間絕緣的通電的銅棍。將通過(guò)切割Fe80Si9B11(at.%)的鐵基非晶合金帶得到的50mm寬、110mm長(zhǎng)的非晶片疊片成66mm高的非晶棒，共用非晶片2375g，將非晶棒在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行退火，退火工藝為1)升溫至38(TC,當(dāng)溫度升至300。C時(shí)加磁場(chǎng)2mT;2)在380。C保溫90min;3)降溫至300。C時(shí)去掉/磁場(chǎng)。升溫速率為6。C/min，降溫速率為2'C/min。未涂層的情況下以不同磁場(chǎng)退火方式退火后非晶定子鐵芯的性能非晶棒經(jīng)過(guò)沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火和沿圓周方向磁場(chǎng)退火后切割得到的非晶定子鐵芯的重量分別為426.7g、430.6g,疊片系數(shù)分別為0.88、0.89，定子鐵芯的直流磁性能如表2所示，為對(duì)比方便，表2中同時(shí)給出硅鋼定子鐵芯和普通退火非晶定子鐵芯的磁性能。由表2可知，沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火的非晶定子鐵芯B2暢A^(T)、Hc略高于普通退火非晶定子鐵芯，而B(niǎo)r、n值均低于普通退火的非晶定子鐵芯；由此可以看出，沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火不能明顯改善非晶定子鐵芯的直流磁性能；而沿圓周方向磁場(chǎng)退火后非晶定子鐵芯B2。。A/m(T)、Br、H值均顯著提高，Hc降低。由此可見(jiàn)，沿圓周方向磁場(chǎng)退火可以明顯改善非晶定子鐵芯的直流磁性能。表2不同磁場(chǎng)退火后非晶定子鐵芯的直流磁性能<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>不同磁場(chǎng)退火方式退火后非晶定子鐵芯與硅鋼定子鐵芯在Bm=0.6T、l.OT頻率為0.05-1.0kHz下的損耗如表3所示。表3定子鐵芯的損耗<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>不同磁場(chǎng)退火方式退火后非晶定子鐵芯與硅鋼定子鐵芯在Bm-1.0T損耗隨頻率變化曲線如圖8所示，由圖8可見(jiàn)，沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火后非晶定子鐵芯的損耗顯著低于普通退火的非晶定子鐵芯，沿圓周方向磁場(chǎng)退火的非晶定子鐵芯的損耗高于普通退火的非晶定子鐵芯而低于硅鋼定子鐵芯的損耗。從不同磁場(chǎng)退火后非晶定子鐵芯的直流磁性能與損耗特性分析可知，沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火雖然可以顯著降低非晶定子鐵芯的損耗，但是不能提高非晶定子鐵芯的直流磁性能，沿圓周方向磁場(chǎng)退火雖然可以提高非晶定子鐵芯的直流磁性能，但是鐵芯的損耗也隨之增高。有絕緣涂層的情況下對(duì)非晶定子鐵芯磁性能的影響將涂層厚度為2jim的非晶合金帶材切片后疊片成非晶棒，將非晶棒沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火和沿圓周方向磁場(chǎng)退火，然后浸漬、固化后切割成預(yù)定形狀和尺寸的非晶定子鐵芯。涂層后非晶棒經(jīng)過(guò)沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火和沿圓周方向磁場(chǎng)退火后切割得到的非晶定子鐵芯的重量分別為414.7g、413.2g，疊片系數(shù)分別為0.86、0.86，與涂層前的非晶定子鐵芯的直流磁性能對(duì)比如表4所示。由表4可見(jiàn)，涂層后的沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火的非晶定子鐵芯與未涂層的非晶定子鐵芯直流磁性能相差不大；涂層后沿圓周方向磁場(chǎng)退火的非晶定子鐵芯與未涂層相比，B2。。。a^(T)略有降低，但仍與硅鋼定子鐵芯相當(dāng)，Br略有增加，ji值仍保持較高，使得這種非晶定子鐵芯非常適用于高速電機(jī)中。表4硅鋼定子鐵芯和非晶定子鐵芯的直流磁性能<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>涂層與未涂層非晶定子鐵芯在Bm=0.6T、1.0T頻率為0.05-1.0kHz下的損耗如表5所示。由表5可見(jiàn)，涂層后非晶定子鐵芯經(jīng)不同磁場(chǎng)退火后損耗與未涂層相比都有了顯著降低。表5涂層與未涂層非晶定子鐵芯損耗<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>涂層與未涂層非晶定子鐵芯在Bm=1.0T損耗隨頻率變化曲線如圖9所示，由圖9可見(jiàn)，涂層后沿棒長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)退火定子鐵芯與沿圓周方向磁場(chǎng)退火的定子鐵芯損耗值很接近，都小于未涂層非晶定子鐵芯，而沿圓周方向磁場(chǎng)退火后涂層定子鐵芯損耗與未涂層非晶定子鐵芯相比顯著降低。從不同磁場(chǎng)退火后涂層與未涂層非晶定子鐵芯的直流磁性能與損耗特性分析可知，涂層非晶定子鐵芯與未涂層非晶定子鐵芯的直流磁性能相差不大，涂層后非晶定子鐵芯的損耗小于未涂層非晶定子鐵芯的損耗；涂層后沿圓周方向磁場(chǎng)退火的非晶定子鐵芯具有優(yōu)良的直流磁性能和低損耗，最符合高速電機(jī)對(duì)定子鐵芯的需求。硅鋼定子鐵芯和不同工藝得到的非晶定子鐵芯的主要磁性能如表6所示，由表6可見(jiàn)，沿圓周方向磁場(chǎng)退火非晶定子鐵芯的直流B20。。AAn(T)值較高，但是其損耗值沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，而涂層后沿圓周方向磁場(chǎng)退火非晶定子鐵芯的直流B2。n。A/m(T)值與硅鋼定子鐵芯相當(dāng)，且PurmkHz損耗值與硅鋼定子鐵芯相比降低了92.3°/。，可以實(shí)現(xiàn)高效率的高速電機(jī)的應(yīng)用。表6不同工藝非晶定子鐵芯與硅鋼定子鐵芯磁性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>絕緣涂層的制備方法如下名義成份為Fes。Si9Bn(at.%)的鐵基非晶合金帶材采用平面流鑄帶方法制備，帶材厚度為26±lpm，寬為50mm，表面光潔。絕緣涂層采用浸涂、烘干的方法制備，涂層所用設(shè)備示意圖如圖IO所示。將非晶合金帶材1從帶材巻2以1m/s的速度輸送通過(guò)浸液槽4,浸液槽4的材質(zhì)為PVC。在浸液槽4中設(shè)有支撐輥5、6，帶材1由支撐輥5、6支撐。浸液槽4中盛有浸涂溶液3，浸涂溶液3為正硅酸乙酯7.999%(wt.%)、酒精88%(wt.%)、去離子水4%(wt.%)和硝酸0.001%(^%)的混合溶液，帶材l在該溶液中通過(guò)。然后帶材l從浸液槽4中向上引出，由刮液板7去除多余的浸涂液，然后通過(guò)干燥箱8，在干燥箱8中帶材在120。C烘干。烘干后的帶材經(jīng)導(dǎo)輥9而行進(jìn)到最終的巻取設(shè)備，在此處巻繞成涂層后的帶材巻IO。需要指出的是，涂層溶液可以是任何適于使帶材絕緣的溶液，例如還可以是水玻璃與水按一定比例配制的溶液，或是MgO粉和乙醇按一定比例配制的溶液。權(quán)利要求1.一種高速電機(jī)用非晶合金定子鐵芯的制備方法，該方法包括如下步驟切割非晶合金帶材，以形成具有預(yù)定長(zhǎng)度且相同形狀的多個(gè)非晶合金片；對(duì)非晶合金片疊片，以形成具有預(yù)定厚度的非晶合金片層疊棒；對(duì)所述層疊棒進(jìn)行退火；將退火后的所述層疊棒用粘結(jié)劑浸漬；將浸漬后的層疊棒固化；以預(yù)定形狀和尺寸切割所述層疊棒，形成所需形狀和尺寸的定子鐵芯。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，非晶合金成分為Fe80Si9B11。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，退火步驟是在罩式爐中氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行的。4.如權(quán)利要求l所述的方法，其中，最終定形切割步驟采用線切割。5.如權(quán)利要求l所述的方法，其中，切割非晶片的步驟之前對(duì)非晶帶材進(jìn)行涂層處理。6.如權(quán)利要求l、2或5所述的方法，其中，退火是在加磁場(chǎng)的條件下進(jìn)行的。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所加磁場(chǎng)的方向是沿著層疊棒的長(zhǎng)度方向，或沿著圓周方向。全文摘要本發(fā)明的目的在于提供一種低損耗且外觀整齊完整的高速電機(jī)用非晶合金定子鐵芯的制備方法。該制備方法包括如下步驟切割非晶合金帶材，以形成具有預(yù)定長(zhǎng)度的多個(gè)非晶合金片；對(duì)非晶合金片疊片，以形成具有預(yù)定厚度的非晶合金片層疊棒；對(duì)所述層疊棒進(jìn)行退火；將退火后的所述層疊棒用粘結(jié)劑浸漬；將浸漬后的層疊棒固化；以預(yù)定形狀和尺寸切割所述層疊棒，形成所需形狀和尺寸的定子鐵芯。由此，只需一次最終切割成形，就可制備非晶定子鐵芯。文檔編號(hào)H01F41/02GK101286676SQ20081000728公開(kāi)日2008年10月15日申請(qǐng)日期2008年2月22日優(yōu)先權(quán)日2008年2月22日發(fā)明者盧志超,周少雄,李山紅,李德仁申請(qǐng)人:安泰科技股份有限公司