电机用护盒式非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯及其制备方法

摘要

本发明属于电机的磁路零部件领域，为一种电机用护盒式非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯及其制备方法，包含如下步骤：对成卷的合金带材(3)进行冲片处理，形成多个相同的环形冲片，每个冲片内齿(1)的齿端位于同一圆周上，冲片外侧至少有一个定位槽(2)；将多个环形冲片叠放装入上端开口的护盒中，然后与护盒一起放入绝缘涂层液中进行绝缘浸涂处理；然后将冲片和护盒一起取出，对环形冲片进行压实处理，再将护盒的上端面板与内心面固定为一体，进而形成定子铁芯；对封好护盒的定子铁芯进行整体退火处理。该方法解决了该定子铁芯易受损掉渣、层间开裂、粘接应力无法消除导致性能下降等工艺难题，使铁芯的性能获得很大提高。

说明书

技术领域

本发明属于电机的磁路零部件领域，具体涉及一种电机用护盒式 非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯及其制备方法，该种定子铁芯尤其 适用于高频电机。

背景技术

随着科技的进步，使用50Hz的工频电源进行驱动的电机在很多应 用领域已经无法满足人们的使用需求。为了实现电机的高转速、高功 率密度或者高转矩密度，经常需要将电机的工作频率设计在 400-1000Hz，甚至更高。当今配有三相交流变频(VVVF)调速系统的 三相同步或异步电动机正在取代传统的、有着机械换向器的直流串励 牵引电动机，应用于电动汽车、轨道电动车、船舰以及航空领域。

通过提高供电频率来实现电机的高功率密度或者高转速，会导致 电机铁芯的涡流损耗大幅度增加，严重影响电机的效率。由于硅钢材 料具有高饱和磁感应强度和较高的磁导率，传统电机的铁芯均使用硅 钢叠片制成。然而硅钢材料的电阻率低、且片材厚度大，应用于高频 电机时铁芯损耗很高，无法满足新型高频高效电机的要求。然而，非 晶合金和硅钢材料相比具有高磁导率、低损耗的特性，可以取代硅钢 应用于中、高频电机铁芯实现高效节能的目的。

1998年6月美国Honeywell公司专利WO99/66624公开了一种高 效径向磁通电机的非晶金属定子，该定子用不同长度的带材叠加成弧 形或C形然后浸漆固化形成带有向内径方向的齿状定子。这种方法形 成的定子结构在离散的非晶态金属薄片之间包含大量的气隙，因此增 加了磁路的磁阻和运行电动机所需要的相应的电流。

2004年日本日立公司(Hitachi)发明专利US6737951B1公开了一 种非晶定子铁芯加工方法，该方法将非晶带材进行叠加，再切割成一 面或者两面具有弓形面的多面体非晶块体，然后将这些非晶块体重新 排列构成完整的定子铁芯。这种方法制作的铁芯元件和相同规格的硅 钢元件相比，在效率方面具有优势，但是在每两块多面体非晶块体的 拼接处都存在着气隙，在一定程度上影响了铁芯的性能。

2004年美国梅特格拉斯公司专利WO2004/070740公开了光刻蚀 刻法切割叠片制备非晶铁芯定子的方法。该方法工艺复杂、生产效率 低、成本高，仅适合制作形状复杂的小尺寸非晶合金铁芯，对于批量 生产大尺寸非晶合金铁芯不适用。

2008年安泰科技股份有限公司的发明专利CN101286676A公开了 一种径向非晶合金定子铁芯的制备方法。该方法首先将相同长度的非 晶合金片堆叠成具有预定厚度的非晶合金片层叠体，对所述片层叠体 进行退火，再进行浸漆固化处理，最后切割成定子铁芯。该方法制备 的非晶铁芯性能较硅钢铁芯有明显提高，为非晶电机的批量生产奠定 了一定的技术基础。

2010年李振的专利CN101908796A提出了使用非晶金属粉制作高 频电机的定子铁芯的方法。该种铁芯制作工艺简单，但是由于非晶金 属粉无序的弥散在粘合剂中，铁芯内部弥散着大量气隙，致使铁芯的 饱和磁通密度和磁导率等软磁性能显著降低，在目前电机的工作频率 范围内使用很难达到应用要求。

以上电机用非晶合金定子铁芯的制作过程都使用了浸漆后固化的 手段将非晶薄片或者粉体颗粒粘接在一起。浸漆固化会在非晶合金铁 芯中引入很大的粘接应力，而且非晶合金材料的软磁性能对应力非常 敏感，这必然导致非晶定子铁芯的饱和磁通密度、磁导率和铁芯损耗 等性能较非晶合金材料明显下降。因此，探索一种新的电机用非晶合 金定子铁芯的制备方法意义重大。这种方法应既能使非晶合金在高频 下的优异软磁特性在非晶合金铁芯中得以充分发挥，又能实现非晶合 金铁芯的低成本批量化生产，从而满足高频高效电机日益增长的市场 需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机用护盒式非晶、微晶或纳米晶合 金定子铁芯及其制备方法，该方法制备非晶、微晶或纳米晶合金定子 铁芯，只需一次冲片和一次热处理，就可以制备出软磁性能优异的非 晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯，为非晶、微晶或纳米晶合金铁芯的 商业化批量生产提供了一种新的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

电机用护盒式非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯的制备方法，该 定子铁芯为环状体，由多个相同的非晶、微晶或纳米晶合金的环形冲 片叠放而成，该环形冲片有多个内齿1，其中该方法包含如下步骤：

(1)对成卷的非晶、微晶或纳米晶合金带材3进行冲片处理，以 形成上述多个相同的环形冲片，每个环形冲片的多个内齿1的齿端位 于同一圆周上，环形冲片外侧至少设有一个定位槽2；

(2)将上述多个环形冲片叠放装入上端开口的护盒中，形成定子 铁芯形状，然后连同护盒一起放入绝缘涂层液中进行绝缘浸涂处理；

(3)待绝缘涂层液浸涂充分后，将环形冲片和护盒一起取出，对 环形冲片进行压实处理，再将护盒的上端面板与内心面固定为一体， 进而形成非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯；

(4)对封好护盒的非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯进行整体退 火处理。

所述定子铁芯的软磁材料选自铁基、铁镍基、钴基的非晶、微晶 或纳米晶薄带材料。

所述环形冲片的外侧形状为圆形或多边形。

所述步骤(1)中的冲片处理是如下连续完成的自动化冲片步骤：

使用的冲片装置从前至后依次包括：卷绕有非晶、微晶或纳米晶 合金带材3的第一旋转辊4、第一感应板5、第一支撑辊6、送带辊7、 冲台8，以及位于冲台8上方的并排的第一冲头12第二冲头13和在冲 台8上且分别与第一、第二冲台12、13相对应的第一冲孔9第二冲孔 10，其中位于前面的第一冲头12与第一冲孔9用来冲掉铁芯的内心部 分，且冲下的内心余料掉入位于第一冲孔9下方的第一装料盒14，位 于后面的第二冲头13与环形冲片外侧形状一致，与第二冲孔10配合 得到完整的环形冲片，且所述环形冲片掉入位于第二冲孔10下方的第 二装料盒15，以及位于冲台8后方的第二支撑辊16、第二感应板17、 第二旋转辊18和带材卷19。

所述冲片设备的第二冲头13的外圆周上设置至少一个与环形冲片 相匹配的定位槽。

在所述步骤(1)中，进行冲片处理的非晶、微晶或纳米晶合金带 材3的层数为≥1层且≤7层。

所述步骤(2)中的绝缘浸涂处理方法为超声浸涂法或真空浸涂法。

所述步骤(2)中的绝缘涂层液的成分选自：(1)9.999％(wt.％)的 正硅酸乙醋、86％(wt.％)的酒精、4％(wt.％)的去离子水和0.001％(wt.) 的硝酸的混合液；(2)二氧化硅或者绝缘陶瓷细粉的酒精悬浊液。

经过所述步骤(3)的压实处理后，所述非晶、微晶或纳米晶合金 定子冲片的叠片系数在0.75～0.95之间。

在进入所述步骤(4)之前，可对所述非晶、微晶或纳米晶合金定 子铁芯安装工装卡具，以防止退火过程中非晶、微晶或纳米晶合金定 子铁芯发生形变。

所述步骤(4)中非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯的整体退火处 理是在氮气、氩气或氢气的保护气氛下，按照如下步骤完成的：(I)、 以10℃/min的升温速率升温至110～150℃，保温时间为5min～300min； (II)、以60℃/min的升温速率升温至300～560℃，保温时间为 5min～300min；(III)、再以20℃/min的降温速率降温至80℃。

所述整体退火处理过程可以加磁场的条件下完成，且磁场强度为 2-40mT，磁场方向为沿铁芯圆周方向。

一种电机用护盒式非晶、微晶或纳米晶合金定子铁芯，该定子铁 芯为环状体，由多个相同的非晶、微晶或纳米晶合金的环形冲片叠放 而成，该环形冲片内侧有多个内齿1，其中每个环形冲片上的多个内齿 1的齿端位于同一圆周上，环形冲片外侧至少设有一个定位槽2；

多个环形冲片叠放装入上端开口的护盒中，形成定子铁芯形状， 然后连同护盒一起放入绝缘涂层液中进行绝缘浸涂处理；

待绝缘涂层液浸涂充分后，将环形冲片和护盒一起取出，对环形 冲片进行压实处理，再将护盒的上端面板与内心面固定为一体，进而 形成所需定子铁芯；

对封好护盒的定子铁芯进行整体退火处理。

所述环形冲片外侧形状是圆形或者多边形。

所述环形冲片的内齿1为沿径向布置。

所述护盒为全封闭的，包括分别位于该定子铁芯上下两端的、与 环形冲片形状和尺寸都相同的上端面板和下端面板20，以及与由外圆 周面及内心面构成的、其内部为与环形冲片形状相同的空心的中间部 分。

所述护盒为半封闭的，包括分别位于该定子铁芯上下两端的、与 环形冲片形状和尺寸相同的上端面板和下端面板20，以及由内心面构 成的、与环形冲片形状相同的中间部分。

所述护盒的上端面板和下端面板20的厚度为1mm，无磁力线穿过 的内心面22的厚度为0.5mm，有磁力线穿过的内心面23的厚度为 0.2mm。

所述护盒的材料选自铁、铝、铜、钛及其合金，陶瓷、有机硅树 脂、尼龙、碳纤维。

所述护盒的材料优选无磁不锈钢。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明所述的制备方法省去了浸漆和固化工艺，不仅缩短了 生产流程、降低了生产成本，而且使非晶、微晶或纳米晶定子铁芯的 生产更加节能、更加环保；

(2)本发明所述的制备方法采用护盒对合金冲片进行层间固定， 取代浸漆固化工艺进行层间粘接固定，使非晶、微晶或纳米晶定子铁 芯的机械稳定性得到了保证，避免了因层间粘接强度不够而造成加工 及装机过程中非晶、微晶或纳米晶合金铁芯发生层间开裂等问题；

(3)浸漆固化工艺制备非晶、微晶或纳米晶铁芯的粘结剂一般无 法承受消除铁芯内部应力的热处理温度，所以浸漆固化工序后不能再 通过热处理手段来消除铁芯内部的粘接应力，进而导致非晶、微晶或 纳米晶合金铁芯的软磁性能和非晶、微晶或纳米晶合金材料相比明显 下降。本发明所述的制备方法中的护盒能够承受消除非晶、微晶或纳 米晶合金铁芯内部应力的热处理温度，可以通过热处理工艺一次性消 除非晶、微晶或纳米晶合金材料本身及制作过程中在非晶、微晶或纳 米晶合金铁芯内部二次引入的所有应力，非晶、微晶或纳米晶合金材 料优异的软磁性能在铁芯中得到最大程度的发挥；

(4)本发明所述的制备方法是通过对非晶、微晶或纳米晶合金带 材进行冲压制作出带齿槽的环形冲片，然后装入带有齿槽的护盒中制 作出定子铁芯，从而避免了层间粘结法制作非晶、微晶或纳米晶合金 铁芯使用的切割手段会产生瞬间高温造成非晶、微晶或纳米晶合金材 料因高温晶化导致磁性恶化等问题；

(5)本发明所述的制备方法省掉了高成本、低效率的电火花切 割工序，大幅度降低了生产成本、提高了生产效率，更适合非晶、微 晶或纳米晶合金定子铁芯的商业化大批量生产；

(6)采用本发明所述的制备方法制备非晶、微晶或纳米晶合金 定子铁芯的过程中，可能引入应力的工序包括冲片、涂层、压实以及 铁芯的护盒封装，但是这些应力均可以通过热处理一次消除；

(7)本发明所述的制备方法制备的非晶、微晶或纳米晶定子铁 芯和硅钢定子铁芯相比具有更高的磁导率和更低的铁芯损耗，取代硅 钢铁芯应用于在高频下工作的高转速、高功率密度及高转矩密度电机 更能发挥其节能、高效及低温升的优势。

附图说明

图1为本发明所述环形冲片的示意图；

图2为本发明中对所述非晶合金带材进行冲片处理的示意图；

图3为本发明中所述护盒的无上端面板的示意图；

图4为本发明中所述非晶合金定子铁芯热处理时使用的工装卡具 及内胎的示意图；

图5为不同种类铁芯在磁通密度为B＝0.6T时铁芯损耗随频率f变 化的曲线图(图中1表示牌号DR255的硅钢铁芯、2表示使用层间粘 结法制备的非晶合金铁芯、3表示本发明中使用护盒制作的非晶合金铁 芯)；

图6为不同种类铁芯在磁通密度为B＝1.0T时铁芯损耗随频率f变 化的曲线图(图中1表示牌号DR255的硅钢铁芯、2表示使用层间粘 结法制备的非晶合金铁芯、3表示本发明中使用护盒制作的非晶合金铁 芯)。

附图标记

1     内齿                    2     定位槽

3     非晶合金带材            4     第一旋转辊

5     第一感应板              6     第一支撑辊

7     送带辊                  8     中台

9     第一冲孔                10    第二冲孔

11    压台                    12    第一冲头

13    第二冲头                14    第一装料盒

15    第二装料盒              16    第二支撑辊

17    第二感应板              18    第二旋转辊

19    带材卷                  20    下端面板

21    定位槽                  22    无磁力线穿过的内心面

23    有磁力线穿过的内心面    24    非晶合金定子铁芯

25    无磁不锈钢板            26    长螺丝

27    铁芯内胎

具体实施方式

由于采用本发明所述的制备方法制备电机用护盒式非晶、微晶或 纳米晶合金定子铁芯的方法是相同的，只需要对相应的材料进行替换， 以及根据不同材料的性能选择不同的工艺参数，即可制备出非晶、微 晶或纳米晶等不同材料的合金定子铁芯，因此，下面仅以制备非晶合 金定子铁芯为例，结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进 一步详细描述。

在本实施例中，制作电机用非晶定子合金铁芯使用的非晶合金带 材名义成份为Fe₈₀Si₉B₁₁(at.％)，带材厚度为30±1μm，宽度为140mm， 表面平整光洁。

非晶合金定子铁芯制备过程的第一步是对非晶合金带材进行冲片 处理，非晶合金定子铁芯的环形冲片的示意图如图1所示，其中，环 形冲片的内部有内齿1和槽，环形冲片外圆周的边缘具有定位槽2。非 晶合金定子铁芯的冲片处理是一个连续的自动化冲片过程，并在如图2 所示的冲片设备上进行。具体冲片处理过程如下：成卷的非晶合金带 材3放置在第一旋转辊4上，非晶合金带材3经由第一感应板5到支 撑辊6，第一感应板5的作用是感应与之接触的非晶合金带材3，当非 晶合金带材3不能与第一感应板5接触时，第一旋转棍4自动旋转送 带，当非晶合金带材3接触到第一感应板5时，第一旋转辊4停止送 带。送带辊7下沉后将非晶合金带材3压在其与第一支撑辊6之间， 然后通过旋转将非晶带材送入冲台8。其中，所述送带辊7的旋转通过 高精度伺服电机控制，工作时每隔一定时间送带一次，送带长度等于 第一冲头12和第一冲头13中心点之间的距离。第一冲头12和冲孔9 配合冲出冲片的内部齿槽，冲下的废料掉入第一装料盒14以备回收利 用；第二冲头13与非晶合金冲片外圆形状一致，与冲孔10配合冲下 如图1所示的非晶合金环形冲片，冲片有序的落入第二装料盒15中。 冲片过程中，送带辊7将非晶带材送到冲台8后，压台11首先将带材 压实，接着冲头12和13同时下冲，完成冲片后同时迅速抬起，接着 压台11抬起，送带辊7再次送带，开始下一次冲片。冲掉的非晶合金 定子铁芯冲片的带材经由第二支撑辊16下垂到第二感应板17时，第 二旋转辊18开始旋转收卷，当收卷至非晶带材接触不到第二感应板17 时停止收卷。最后第二旋转辊18把完成冲片处理的非晶合金带材废料 卷成带材卷19，以便回收利用。在上述冲片过程中，使用的非晶合金 带材可以为单层，也可以为多层，但一般在7层以下，在本实施例中 使用的非晶合金带材的层数为2层。

第二步是将上一步制备的非晶合金环形冲片装入上端开口的护盒 中，图3是非晶合金定子铁芯护盒的示意图。图3中给出了护盒的下 端面板20和内心面，此外，护盒上端还有一块和下端面板20完全一 致的上端面板。由于定子铁芯一般要装入到电机外壳中，所以一般护 盒不需要设有外圆周面，但是也可以有具有外圆周面的全封闭护盒。 本实施例中的护盒是由上下端面板和内心面组成的半封闭护盒，材质 选用无磁不锈钢。护盒材质还可以使用铁、铜、铝、钛等金属及其合 金材料，也可选用陶瓷、尼龙等非金属材料。护盒的厚度可以根据铁 芯的大小和非晶合金冲片的叠片系数而定，为了保证护盒不发生形变， 护盒的下端面板20和电机工作时无磁力线穿过的内心面22可以设计 的稍厚一些，但是由于电机的气隙不宜过大，有磁力线穿过的内心面 23可根据实际情况设计的薄一些。本实施例中上下端面厚度为1mm， 无磁力线穿过的内心面22厚度为0.5mm，有磁力线穿过的内心面23 厚度为0.2mm。把非晶合金定子冲片放入铁芯护盒后，连护盒一起放 入绝缘涂层液中进行浸涂，为了浸涂充分同时进行超声处理。绝缘浸 涂液是9.999％(wt.％)的正硅酸乙醋、86％(wt.％)的酒精、4％(Wt.％)的 去离子水和0.001％(wt.)的硝酸的混合液。

第三步是当非晶环形冲片浸涂充分后取出，使用挤压设备将非晶 合金定子铁芯的环形冲片压实，压实程度通过叠片系数来控制，叠片 系数一般在0.75-0.95之间。本实施例中叠片系数控制在0.92。同时使 用焊接或者铆钉的方式将护盒的上端面板和内心面固定为一体，进而 通过护盒的使用将非晶合金冲片制作成非晶合金定子铁芯。

第四步是给上一步制作的非晶合金定子铁芯加上工装卡具，如图4 所示。图4中非晶合金定子铁芯24的上下端面各使用一块厚度为25mm 中间和四角都开有圆孔的方形无磁不锈钢板25，中间的圆孔直径和非 晶合金铁芯的内径相同，四角的圆孔直径为10mm。使用带有螺纹的长 螺丝26穿过钢板四角的圆孔沿铁芯轴心方向紧压非晶合金定子铁芯， 防止退火过程中铁芯发生轴向变形。接着在非晶合金定子铁芯的内圆 中装入铁芯内胎，防止退火过程中铁芯发生径向形变。

第五步是对装好工装卡具的非晶合金定子铁芯进行热处理。热处 理的目的是烘干绝缘涂层液以及消除非晶合金定子铁芯中的应力进而 提高铁芯的软磁性能。热处理过程如下：1)将所述非晶合金铁芯放入 炉体内，对炉体抽真空后充入氮气再以10℃/min的加热速率升温至 130℃，在该温度保温40min；2)再对炉体进行抽真空后充入氮气，接 着以60℃/min的升温速率升温至380℃，并且在380℃保温90min；3) 然后启动快冷装置对炉体降温，以20℃/min的速率降温至80℃时取出 铁芯。至此，完成了电机用护盒式非晶合金定子铁芯的整个工序。

值得说明的是绝缘液的烘干温度一般在110-150℃之间，消除应力 的退火温度一般在300-560℃之间，保温时间一般为0-5小时。所述退 火处理可以在氮气或者氩气等保护气氛中完成，也可以在加磁场的条 件下完成。

通过上述方法制备的非晶合金定子铁芯具有优异的软磁性能，磁 导率远高于硅钢铁芯，损耗远低于硅钢铁芯，而且铁芯的可用磁通密 度明显高于采用层片间粘接法制备的非晶合金铁芯。表1给出了DR255 硅钢铁芯(厚度为0.35mm)、粘结法制备的非晶合金铁芯、护盒法制作 的非晶合金铁芯的直流磁性，从表中可以看出，护盒法制备的非晶合 金铁芯磁导率比硅钢铁芯高出10倍以上；励磁强度仅为100A/m时磁 通密度就可达1.39T，是相同励磁强度下硅钢铁芯的2倍以上，是粘接 非晶合金铁芯的3倍以上。可见护盒法制作的非晶合金铁芯的直流磁 性能优于粘结法制备的非晶合金铁芯和硅钢铁芯。

表1DR255硅钢铁芯(厚度为0.35mm)、粘结法制备的非晶合金铁芯、 与本发明护盒法制备的非晶合金铁芯的直流磁性对比。

  铁芯种类   B₁₀₀  B₄₀₀  B₈₀₀  B₂₀₀₀  B_r(T)   H_c  μ_i  μ_m  DR255硅钢铁芯   0.53   1.11   1.32   1.48   0.399   52.36   575   3242   粘接法非晶铁芯   0.38   0.78   1.07   1.34   0.416   16.83   4890   11970   护盒法非晶铁芯   1.39   1.41   1.42   1.43   0.8937   8.685   6158   56167

表2给出了DR255硅钢铁芯(硅钢片厚度0.35mm)、层间粘结法制 备的非晶合金铁芯、护盒法制备的非晶合金铁芯的铁芯损耗数据，图5 给出了三种铁芯在磁通密度为B＝0.6T和1.0T时铁芯损耗随频率f变化 的曲线图。可以看出护盒法制作的非晶合金铁芯的损耗不到层间粘结 法制备的非晶合金铁芯损耗的三分之一，低于硅钢铁芯损耗的七分之 一，而且频率越高越能体现出护盒法非晶铁芯的节能优势。可见护盒 法制作的非晶合金铁芯具有优异的软磁性能和很低的铁芯损耗，非常 适合应用于高频下工作的高速电机、高功率密度或者高转矩密度电机 的定子铁芯。

表2DR255硅钢铁芯(硅钢片厚度0.35mm)、层间粘结法制备的非晶合 金铁芯、与本发明护盒法制备的非晶合金铁芯的损耗数据对比