轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯及其制造方法
轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机的磁路零部件领域，具体设及一种轴向磁场电机用非晶、纳米晶 合金定子铁忍及其制造方法，该种定子铁忍尤其适合应用于要求高效节能的高频轴向磁场 电机。
【背景技术】
[0002] 由于高频化可W给电机带来高转速、高功率密度和高转矩密度等优势，目前已经 成为电机的发展趋势。电动汽车、高速机床、高速风机、高速水累等众多高端应用领域，不仅 要求电机具有高效率，还要求电机向高频化、小型化发展，所W必须提高电机频率。然而，传 统电机的娃钢铁忍随着频率的升高铁损迅速增加，严重降低电机效率、甚至由于发热严重 导致无法正常工作。非晶、纳米晶合金软磁材料具有低损耗、高磁导率等特性，有望替代娃 钢材料应用于高频电机定子铁忍，进而大幅度提高高频电机性能。
[0003] 非晶、纳米晶合金带材一般是具有恒定宽度、长度方向连续的薄带材料，方便卷绕 成型;而且，轴向磁场铁忍的槽型结构简单便于加工。所W，非晶、纳米晶合金带材应用于轴 向磁场电机定子铁忍更具优势。
[0004] 1998年，美国LE公司的专利US005731649A尝试了使用卷绕后浸漆固化成型的非晶 块体组合成电机定子铁忍，由于直接使用卷绕的非晶圆柱作为定子铁忍的齿部，铁忍内部 的满旋电流构成环路，导致铁损较大。
[0005] 2006年，LE公司在专利US7018498B2中公开了一种首先使用浸漆后固化成型的方 法制作出环形非晶合金铁忍，接着在一个端面锐削轴向凹槽制作非晶合金定子铁忍的方 法。由于对卷绕得到的非晶纳米晶环形铁忍进行浸漆，尤其轴向长度较大时，很难将树脂完 全浸入到非晶、纳米晶环形铁忍的层间缝隙，造成铁忍层间绝缘效果不佳、粘接强度不够， 切槽时容易碎裂，影响性能和成品率;为了使树脂较充分的浸入铁忍的层间缝隙，卷绕铁忍 时叠片系数一般较低，控制在0.75~0.85，因此影响电机的功率密度。该发明凹槽加工采用 锐削法，锐削刀具表面有齿状结构，而且非晶、纳米晶铁忍又比较脆，所W很难保障铁忍槽 的切面光洁度，影响性能。
[0006] 2010年，日本株式会社的专利CN101741153A中也公开了一种轴向磁场电机用非晶 合金定子铁忍的制作方法，首先使用浸漆后固化成型的方法制作出环形非晶合金铁忍，接 着沿轴向切割成多个形状和大小完全相同的棒状非晶块，再使用圆盘状铁忍保持部件将运 些棒状非晶块组合成定子铁忍。该方法制作非晶合金定子铁忍时也是先卷绕后浸漆固化成 型，同样存在高叠片系数下树脂难W完全浸透，影响绝缘效果和粘结强度的问题。所W，卷 绕环形铁忍后浸漆固化的方法很难W制作高叠片系数的轴向磁场非晶定子铁忍，尤其是轴 向长度较大的两端面具有凹槽结构的非晶、纳米晶定子铁忍。
[0007] 综上所述，现有轴向磁场非晶合金电机铁忍的制作均采用卷绕后浸漆固化成型再 切割凹槽的方法。该方法制作轴向磁场非晶、纳米晶铁忍，为了保证铁忍内部非晶或纳米晶 带材之间的缝隙能够较充分的被树脂浸透，叠片系数一般在0.80左右，影响工件的功率密 度。如果提高叠片系数，尤其对于轴向长度较大的铁忍，将无法保证铁忍内部带材缝隙的充 分浸漆，将造成层间绝缘不佳、粘结强度不够，影响性能和切割成品率。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有技术中存在的W上问题，本发明提供了一种轴向磁场非晶、纳米晶 电机定子铁忍及其制造方法。该方法边卷绕边在非晶或者纳米晶带材表面喷涂粘结剂W制 作环形铁忍，固化成型后再用高速砂轮切割凹槽从而制作出高性能轴向磁场电机用非晶、 纳米晶合金定子铁忍。该方法制造的非晶、纳米晶合金定子铁忍不仅软磁性能优异、粘接强 度高，而且生产工艺简单、制造成本低。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用了 W下技术方案：
[0010] -种轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍，所述铁忍为非晶或者纳米晶合金带材 卷绕多层而成的圆环体，所述圆环体的上和/或下端面上均匀分布有多个凹部，形成所述圆 环体的相邻非晶或者纳米晶合金带材层之间附有粘结层。
[0011] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，所述非晶 或者纳米晶合金带材的材质为铁基合金、铁儀基合金或钻基合金。
[0012] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，位于同一 端面上的所述多个凹部的水平中屯、线均与所述铁忍的中屯、轴线垂直相交于同一点。
[0013] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，当所述圆 环体的上和下端面均分布有凹部时，位于所述上端面的凹部的竖直中屯、线与相应地位于下 端面的凹部的竖直中屯、线重合。
[0014] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，所述粘结 层的厚度为1-2皿。
[0015] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，所述凹部 的形状为长方形。
[0016] 上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍的制造方法，包括如下步骤：
[0017] 卷绕环形件步骤，使用宽度与成品定子铁忍的轴向长度相同的非晶或者纳米晶合 金带材，将所述合金带材进行卷绕W形成具有预定内径和外径的环形件，其中，随着卷绕的 进行，不断地在卷绕前的所述合金带材的一个表面上均匀喷涂一层粘结剂，W粘结形成所 述环形件的相邻合金带材层；
[0018] 固化处理步骤，将所述环形件进行固化处理，从而得到固化后的环形件；
[0019] 凹部切割步骤，将所述固化后的环形件浸入冷却液中，使用高速砂轮在所述环形 件的上和/或下端面上进行凹部切割，从而得到具有凹部结构的环形铁忍；
[0020] 退火步骤，对所述具有凹部结构的环形铁忍进行退火处理，从而得到成品电机定 子铁忍。
[0021] 在上述制造方法中，在卷绕所述环形件时可W使用的一个非晶、纳米晶带材进行 卷绕，也可W同时使用两个W上的非晶、纳米晶带材进行卷绕。
[0022] 在上述制造方法中，喷涂于所述相邻两层合金带材间（即带材层间）的粘结剂必须 能够承受370°CW上的退火溫度，所述粘结剂可W是有机粘结剂也可W是无机粘结剂，优选 地，所述有机粘结剂为有机娃类胶、酪醒树脂胶、脈醒树脂胶、耐溫环氧胶、聚酷亚胺胶，所 述无机粘结剂为TW系列、SL系列或ZS系列的无机粘结剂。
[0023] 在上述制造方法中，所述喷涂的一层粘结剂的厚度优选为1-2WI1。
[0024] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述卷绕环形件步骤中，通过提高 卷绕时带材上的张力来提高所述成品电机定子铁忍的叠片系数，所述叠片系数为0.85-0.95〇
[0025] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述固化处理步骤中，所述固化处 理的溫度为90-300°C。
[0026] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述凹部切割步骤中，切割时所述 砂轮的转速为10000-35000转/分钟，而且所述砂轮完全置于冷却液中。更优选地，所述冷却 液为纯水、水基冷却液或者油基冷却液。
[0027] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述砂轮的厚度与凹部槽宽度一致。
[0028] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述退火步骤中，所述退火处理是 在氮气、氨气或者惰性气体(优选氣气)保护气氛下进行的。
[0029] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述退火步骤中，所述退火处理的 溫度为300-600°C，保溫时间为0.5-5.化。
[0030] 根据本发明方法制造的定子铁忍具有高叠片系数和低铁忍损耗，适合应用于频率 在400化^上的高频电机，而且频率越高，电机的节能效果越显著。尤其频率达到800化^上 时，电机效率将比使用普通娃钢铁忍的电机提高3-10%。另外，该生产工艺简单、制造成本 低。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明所述的使用具有一定宽度的非晶、纳米晶合金薄带卷绕具有预定内 外径的环形非晶、纳米晶合金环形件的过程示意图；
[0032] 图2为本发明所述的使用具有一定宽度的非晶、纳米晶合金薄带卷绕的具有预定 内外径的环形非晶、纳米晶合金环形件的示意图；
[0033] 图3为本发明所述的使用砂轮切割方式对环形非晶、纳米晶合金环形件端面切槽 时使用的切割仓的示意图；
[0034] 图4为本发明所述的在切割仓中使用砂轮切割方式对环形非晶、纳米晶合金环形 件端面切槽的过程示意图；
[0035] 图5为本发明所述的使用高速砂轮切割方式在环形件的两个轴向端面均开槽而得 到的轴向磁场非晶、纳米晶合金铁忍的示意图；
[0036] 图6为本发明所述的使用高速砂轮切割方式在环形件的一个轴向端面开槽而得到 的轴向磁场非晶、纳米晶合金铁忍的示意图。
[0037] 其中，附图标记如下：
[0038] 1、具有一定宽度的非晶、纳米晶合金带材料卷；
[0039] 2、卷绕环形铁忍过程中在带材表面喷涂粘结剂的喷头；
[0040] 3、卷绕得到的具有一定内外径的非晶、纳米晶环形件；
[0041] 4、砂轮切割凹槽时使用的切割仓;5、切割仓底部的定位圆柱体；
[0042] 6、切割凹槽时用到的冷却液;7、切割凹槽时用到的砂轮银片；
[0043] 8、轴向磁场非晶合金定子铁忍环形端面的槽；
[0044] 9、轴向磁场非晶合金定子铁忍环形端的齿；
[0045] 10、两个环形端面均具有轴向凹槽结构的非晶、纳米晶铁忍；
[0046] 11、一个环形端面均具有轴向凹槽结构的非晶、纳米晶铁忍。
【具体实施方式】
[0047] 为了更好地解释本发明，下面将参照附图来充分地描述根据本发明的轴向磁场用 定子铁忍及其制造方法。
[0048] 参照图5和6,其为本发明提供的两种轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍，所述铁 忍为非晶或者纳米晶合金带材卷绕多层而成的圆环体，所述圆环体的上和/或下端面上均 匀分布有多个凹部，形成所述圆环体的相邻非晶或者纳米晶合金带材层之间附有粘结层。
[0049] 所述非晶或者纳米晶合金带材的材质可W是本领域常用的合金，优选为铁基合 金、铁儀基合金或钻基合金，其可W采用常规的甩带法制备，也可W通过市售渠道获得。
[0050] 位于同一端面上的所述多个凹部的水平中屯、线均与所述铁忍的中屯、轴线垂直相 交于同一点。位于同一端面上的两个相邻凹部之间即为齿部。所述多个凹部均具有相同的 大小和形状。如果两端面均开设有凹部，则两个端面的凹部大小、形状均相同。上下两端面 对应的两凹部的竖直中屯、线应该是重合的，即当所述圆环体的上和下端面均分布有凹部 时，位于所述上端面的凹部与位于下端面的凹部一一相对。所述凹部的形状可W是本领域 常用铁忍中使用的任何形状，优选凹部为长方形凹槽。
[0051] 所述粘结层的厚度均匀，优选为1-2μπι，该厚度的粘结层即绝缘层既可W保证粘结 强度，又可W防止粘结层过厚影响铁忍叠片系数。
[0052] 在现有技术中，对于轴向磁场非晶合金电机铁忍的制作，通常采卷绕环形铁忍后 浸漆固化再切割凹槽的方法。但是，如果卷绕铁忍的叠片系数较高时，粘结剂很难充分浸入 到铁忍的层间缝隙，造成粘结强度不高、层间绝缘不够、切割时容易破损等问题。所W-般 叠片系数都比较低，根据轴向长度控制在0.75~0.85。鉴于此，本发明提供了一种边卷绕环 形铁忍边在带材表面喷涂粘结剂、达到预定内外径后固化成型再砂轮切割凹槽、最后退火 处理的制造非晶或纳米晶合金定子铁忍的方法。下面详细介绍一下上述轴向磁场非晶、纳 米晶电机定子铁忍的制造方法，具体如下：
[0053] 卷绕环形件即圆环体的步骤，使用宽度与成品定子铁忍的轴向长度相同的非晶或 者纳米晶合金带材卷，首先将所述合金带材卷打开并于卷绕前在一个表面上均匀喷涂一层 粘结剂，然后进行卷绕，使各层非晶带直接粘结在一起，形成环形铁忍W形成相邻合金带材 层间具有粘结层的、且具有预定内径和外径的环形件。
[0054] 也可W说，随着卷绕的进行，不断地在卷绕前已打开的合金带材的一个表面上均 匀喷涂一层粘结剂，优选喷涂在未卷绕即卷绕前已打开的合金带材的内表面，W便将未卷 绕且内表面带有粘结剂的合金带材粘结到已卷绕完成的合金带材层的外表面上，从而形成 相邻合金带材层间具有粘结层的环形件。
[0055] 所述环形件在卷绕过程中，一定是边卷环边在非晶、纳米晶带材表面同步的喷涂 粘结剂，确保卷环过程同步将各层带材粘结在一起形成环形件。在卷环过程，可W通过调整 非晶、纳米晶带材上的张力实现对叠片系数的控制，由于该方法不需要后续的浸漆处理，可 w通过大幅度提高卷环时带材上的张力实现更高的铁忍叠片系数，叠片系数可w提高到 0. 85-0.95〇
[0056] 在卷绕所述环形件时可W使用的一个非晶、纳米晶带材卷进行卷绕，也可W同时 使用两个W上的非晶、纳米晶带材卷进行卷绕。本领域技术人员应该明白，非晶合金、纳米 晶合金是两种不同原子结构的软磁合金材料，由于运两种合金一般都是具有一定宽度的长 度方向连续的薄带，根据本发明的铁忍的制作方法能够适合使用运两种软磁合金薄带制作 铁忍。使用非晶合金薄带制作的铁忍称为非晶合金铁忍，使用纳米晶合金制作的铁忍称为 纳米晶合金铁忍。
[0057] 喷涂于所述相邻两层合金带材间（即带材层间）的粘结剂必须能够承受370°CW上 的退火溫度，所述粘结剂可W是本领域常用的有机粘结剂也可W是无机粘结剂，优选地，所 述有机粘结剂为有机娃类胶、酪醒树脂胶、脈醒树脂胶、耐溫环氧胶、聚酷亚胺胶，所述无机 粘结剂为TW系列、化系列或ZS系列的无机粘结剂。运些粘结剂均为市售产品。
[0058] 在非晶、纳米晶带材表面喷涂的一层粘结剂的厚度优选为1-2μπι。
[0059] 固化处理步骤，将所述环形件进行固化处理，从而得到固化后的环形件；
[0060] 具体地，在所述固化处理步骤，固化溫度根据粘结剂的种类进行确定，一般控制在 90-300°C之间（比如 100°C、120°C、150°C、180°C、210°C、250°C、280°C、295°C)，固化时 间和 铁忍的尺寸直接相关，W确保铁忍内部的粘结剂完全固化为标准。
[0061] 凹槽切割步骤，将所述固化后的环形件浸入冷却液中，使用高速砂轮在所述环形 件的上和/或下端面上进行凹槽切割，从而得到具有凹槽结构的环形铁忍；
[0062] 在所述凹槽切割步骤中，切割时所述砂轮的转速为10000-35000转/分钟（比如 11000转/分钟、15000转/分钟、20000转/分钟、21000转/分钟、25000转/分钟、30000转/分 钟、33000转/分钟、34500转/分钟），而且所述砂轮和环形件完全置于冷却液中。更优选地， 所述冷却液为纯水、水基冷却液或者油基冷却液，均为市售产品。所述砂轮的厚度与凹槽宽 度b要保持一致，切割的凹槽为Ξ面开口矩形，即上或下端面开口、环形件内壁侧开口 W及 环形件外壁侧开口。
[0063] 根据本发明，所述的切割加工方式必须为高速或者超高速砂轮切割，砂轮的材质 可W选用立方BN、SiC、A1203、金刚石或者硬质陶瓷，砂轮的厚度必须和环形铁忍端面凹槽 的宽度相等。切割过程，砂轮的转速必须控制在10000-30000转/分钟，当切割转速达到 15000转/分钟W上时，环形铁忍不需要使用工装卡具进行固定保护可W直接切割槽型。由 于高速砂轮切割过程会产生高溫，容易造成槽的切割表面烧伤、影响性能，所W环形件和切 割砂轮必须整体置于冷却液中。
[0064] 退火步骤，对所述具有凹槽结构的环形铁忍进行退火处理，W消除粘结应力和切 割应力，从而得到性能优异的高叠片系数、低损耗的成品电机定子铁忍。
[0065] 在所述退火步骤中，所述退火处理是在氮气、氨气或者惰性气体(优选氣气)保护 气氛下进行的，所述退火处理的溫度为300°C-600°C(比如305°C、350°C、380°C、410°C、450 °(3、480°(3、520°(3、550°(3、570°(3、590°〇，保溫时间为0.5-5.化（比如0.55}1、0.化、1.2}1、 1. 化、2h、2.化、3h、3.化、4h、4.化、4.8h)。
[0066] 本发明方法得到的轴向磁场电机用非晶、纳米晶合金定子铁忍，具有很低的铁忍， 适合应用于频率高于400Hz的单转子或者双转子轴向磁场高频电机，尤其频率达到800化W 上时，电机效率将比使用普通娃钢铁忍的电机提高3-10%。
[0067] 图1示出的是在采用宽度与成品定子铁忍的高度相同的非晶或纳米晶合金带材， 将其重新卷绕W形成具有预定内径ri和预定外径nW及轴向高度h的环形件3。卷环过程中， 可W使用一个非晶或者纳米晶合金带材料卷进行卷环，也可W同时使用多个非晶或者纳米 晶合金带材料卷进行卷环，在图1中同时使用了四个非晶或者纳米晶合金带材料卷进行卷 环。并且，为了方便喷涂粘结剂，在卷环之前的每条带子的内表面附近都放置一个喷头2,用 来将粘结剂均匀的喷涂在非晶或纳米晶带材表面，W便卷环时直接粘结成环形件。由于非 晶材料表面喷涂了粘结剂，后续不需要进行浸漆处理，所W卷环时带材上的张力可W大幅 度提高，进而使环形铁忍的叠片系数显著提高，能够达到0.85-0.95，比卷绕后再浸漆的方 法制作的铁忍叠片系数可W提高约10%，也就是说可W使制作的电机的功率密度增加 10%。
[0068] 完成卷环后，在一定的溫度进行固化处理，固化后的环形铁忍如图2所示，固化处 理的溫度根据粘结剂的种类确定。接下来，将环形铁忍放置于如图3所示的切割仓4中，切割 仓为底部封闭的圆筒，为了方便切割操作，其切割仓半径r4必须大于环形件3的半径r2和切 割砂轮片的直径之和，即满足r4〉r化化3。切割时，参见图4,切割仓中的冷却液6必须将环形 件3和切割砂轮7完全浸没，W保证切割过程不会造成工件切割表面的高溫灼伤、影响性能。 在切割仓4底正中屯、设置一个与仓底面一体的定位圆柱体5,其直径和环形件内径相等，其 高度hi根据实际需求设定。如果切割双端面凹槽结构的轴向磁场铁忍，hi应该等于凹槽8的 深度a和辆部的轴向长度C的和，即hl=a+c;如果切割一个端面有凹槽结构的轴向磁场铁 忍，hi应该等于铁忍辆部轴向长度C，及hl = c。切割凹槽时，将环形件3套置于定位圆柱体5 上面。选用切割砂轮片7的厚度和轴向磁场铁忍的凹槽宽度相等，砂轮切割的方向为指向环 形铁忍的中屯、轴线，即每个切割槽的水平中屯、线方向都指向环形件的中屯、轴线。切割凹槽 时，砂轮转速要控制在10000-30000转/分钟，当切割转速达到15000转/分钟W上时，环形铁 忍可W省去工装卡具直接切割槽型结构，不会造成工件的开裂或者破损，而且切割效率高， 切割面平滑光洁。如果切割双端面具有凹槽结构的轴向磁场定子铁忍，先依次切割一个端 面的凹槽，再翻转即倒置后套置于定位圆柱体上切割另一个端面的凹槽结构，上下端面对 应的槽的大小和形状相同，且上下端面对应的槽的水平中屯、线位于同一竖直平面上。每个 槽的水品中屯、线均指向环形铁忍的中轴线，运些槽均匀分布在环形端面上。
[0069] 凹槽结构切割完毕后，进行退火处理，消除粘结应力和加工应力，使轴向磁场非 晶、纳米晶合金定子铁忍的软磁性能达到最佳。退火过程需在氣气、氮气或者氨气等保护气 氛下进行。退火处理后，便得到了轴向磁场的非晶、纳米晶合金成品定子铁忍，其中得到的 上下端面均具有凹槽的成品定子铁忍10,参见图5,得到的一个端面上具有凹槽的成品定子 铁忍11，参见图6,相邻凹槽之间的部分为齿9。
[0070] 实施例1
[0071] 在本实施例中，采用本发明所述的方法制作轴向磁场电机用非晶、纳米晶合金定 子铁忍的方法是相同的，只需要对相应的薄带材料进行替换，W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、纳米晶等不同材料的合金定子铁忍。因此，下面仅W 制备非晶合金定子铁忍为例，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。
[0072] 在本实施例中，制作电机用非晶定子合金铁忍使用的非晶合金带材名义成份为 Fe7sSi沁i3(at. % )，带材厚度为25± 1皿，宽度为80mm，表面平整光洁。对非晶合金带材及生 产该种合金带材的方法不作特别限制，本实施例采用的化78Si泌i3(at. % )合金带材为市售 产品。
[0073] 根据本发明的制备方法，第一步如图1所示，使用四卷80mm宽的非晶合金带卷绕内 径120mm、外径200mm的环形铁忍。卷绕过程中，同时在每条卷绕之前的非晶带材的内壁即内 表面不断喷涂耐溫G-2021环氧树脂胶水，当外径达到200mm时，剪断4条非晶带，便得到了内 径120mm、外径200mm、轴向长度80mm的环形非晶件。通过控制非晶带上的卷绕张力即控制拉 应力，环形铁忍的叠片系数控制在0.92。接着在150°C进行固化处理180分钟，便得到了固化 成型的环形非晶合金件。
[0074] 第二步如图4所示，将经固化处理的内径120mm、外径200mm、轴向长度80mm的环形 件套置于切割仓的定位圆柱体上，定位圆柱体的直径为120mm、高度为50mm。砂轮片厚度为 6mm，直径为100mm，切割深度为30mm，冷却液深度300mm，将环形件和切割砂轮片完全浸没在 纯水的 冷却液中。切割时，砂轮片转速设置在20000转/分钟，为了防止冷却液飞瓣在切割仓 上面可W加一个盖子。当一个宽度6mm、深30mm的槽切割完毕时，环形件沿圆周方向旋转 360°/16 = 22.5°，接着切割下一个槽，依次在环形件的一个端面上切出16个均匀分布宽度 6mm、深30mm的凹槽。然后，将环形件从定位圆柱体上取下，两个端面调换方向，接着在另一 个端面上按照同样的方式在圆周上切割出均匀分布的16个宽度6mm、深30mm的槽。切割第二 端面时，需注意与第一个端面的凹槽的位置对应，即两个端面的上下对应凹槽的轴向中屯、 线应该共线。
[0075] 第Ξ步是对切割出凹槽的非晶合金定子铁忍进行退火处理，退火的目的是消除非 晶合金带材的内部应力W及铁忍制作过程中引入的加工应力，进一步提高非晶合金定子铁 忍的软磁性能。
[0076] 热处理工艺如下：1)将所述非晶合金定子铁忍放入炉体内，在氮气的保护下W10 °C/min的加热速率升溫至370°C，在该溫度保溫120min;2)然后随炉冷却至100°CW下时取 出铁忍。至此，完成了轴向磁场电机用非晶合金定子铁忍的制作。
[0077] 对比例1
[0078] 第一步将80mm宽的牌号为B35AV1900、厚度为0.35mm的娃钢带卷绕成内径120mm、 外径200mm的环形娃钢铁忍，叠片系数控制在0.95。
[0079] 第二步对内径120mm、外径200mm、轴向长度80mm的环形娃钢铁忍进行真空浸漆，将 环形娃钢铁忍完全浸没在G-2021环氧树脂胶水中，在化化下浸溃4小时，确保环氧树脂完全 浸透。接着在150°C进行固化处理180分钟，得到了环形娃钢铁忍。
[0080] 第Ξ步如图4所示，将经固化处理的内径120mm、外径200mm、轴向长度80mm的环形 娃钢铁忍进行凹槽切割，方法同实施例1。凹槽切割完成后得到对比例1的双端面凹槽结构 轴向磁场娃钢定子铁忍样品。
[0081 ] 对比例2
[0082]本对比例省略了实施例1喷涂粘结剂的工艺，其形成粘结层即绝缘层的工艺由对 比例1的第二步真空浸漆取代，叠片系数也控制在0.92,其他工艺步骤与实施例1相同，由此 得到对比例2的双端面凹槽结构轴向磁场非晶合金定子铁忍样品。
[0083] 通过本发明方法制备的轴向磁场非晶合金定子铁忍与对比例1中制作的牌号为 B35AV1900的轴向磁场娃钢定子铁忍相比，铁忍损耗可W降低85-95%。
[0084] 通过本发明方法制备的轴向磁场非晶合金定子铁忍与对比例2中方法制备的非晶 定子铁忍相比，铁忍损耗可W降低50% W上。
[0085] 表1给出了对比例1使用牌号为B35AV1900的娃钢片制作的定子铁忍和实施例1的 非晶合金定子铁忍的损耗数据，从表中可W看出，非晶合金定子铁忍的损耗比娃钢定子铁 忍降低85-95%，而且频率越高非晶合金定子铁忍的节能优势越明显。可见，该方法制作的 轴向磁场非晶合金定子铁忍具有很低的铁忍损耗，而且生产工艺简单、周期短、成本低，非 常适合应用于高频轴向磁场电机，能够提高电机的效率、功率密度W及转矩密度。
[0086] 表1本发明实施例1制作的非晶铁忍与对比例1和对比例2的定子铁忍的损耗数据 对比
[0087]
【主权项】
1. 一种轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯，其特征在于，所述铁芯为非晶或者纳米晶 合金带材卷绕多层而成的圆环体，所述圆环体的上和/或下端面上均匀分布有多个凹部，形 成所述圆环体的相邻非晶或者纳米晶合金带材层之间附有粘结层。2. 根据权利要求1所述的轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯，其特征在于，所述非晶 或者纳米晶合金带材的材质为铁基合金、铁镍基合金或钴基合金。3. 根据权利要求1所述的轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯，其特征在于，位于同一 端面上的所述多个凹部的水平中心线均与所述电机定子铁芯的中心轴线垂直相交于同一 点;优选地，当所述圆环体的上和下端面均分布有凹部时，位于所述上端面的凹部的竖直中 心线与相应地位于下端面的凹部的竖直中心线重合。4. 根据权利要求1所述的轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯，其特征在于，所述粘结 层的厚度为1-2M1;优选地，所述凹部的形状为长方形。5. 权利要求1-4任一所述的轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯的制造方法，其特征在 于，包括如下步骤： 卷绕环形件步骤，使用宽度与成品定子铁芯的轴向长度相同的非晶或者纳米晶合金带 材，将所述合金带材进行卷绕以形成具有预定内径和外径的环形件，其中，随着卷绕的进 行，不断地在卷绕前的所述合金带材的一个表面上均匀喷涂一层粘结剂，以粘结形成所述 环形件的相邻合金带材层； 固化处理步骤，将所述环形件进行固化处理，从而得到固化后的环形件； 凹部切割步骤，将所述固化后的环形件浸入冷却液中，使用高速砂轮在所述环形件的 上和/或下端面上进行凹部切割，从而得到具有凹部结构的环形铁芯； 退火步骤，对所述具有凹部结构的环形铁芯进行退火处理，从而得到成品电机定子铁 芯。6. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述粘结剂是有机粘结剂或无机粘结 剂，优选地，所述有机粘结剂为有机硅类胶、酚醛树脂胶、脲醛树脂胶、耐温环氧胶、聚酰亚 胺胶，所述无机粘结剂为TW系列、SL系列或ZS系列的无机粘结剂。7. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述喷涂的一层粘结剂的厚度为1-2μ m〇8. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述卷绕环形件步骤中，通过提高 卷绕时带材上的张力来提高所述成品电机定子铁芯的叠片系数，所述叠片系数为0.85- 0.95〇9. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述固化处理步骤中，所述固化处 理的温度为90_300°C;在所述退火步骤中，所述退火处理是在氮气、氢气或者惰性气体保护 气氛下进行的;优选地，所述退火处理的温度为300-600°C，保温时间为0.5-5.Oh。10. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述凹部切割步骤中，切割时所述 砂轮的转速为10000-35000转/分钟，而且所述砂轮完全置于冷却液中；优选地，所述冷却液 为纯水、水基冷却液或者油基冷却液;更优选地，所述砂轮的厚度与凹部槽宽度一致。
【专利摘要】本发明公开了一种轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯及其制造方法，该方法包括下述步骤：卷绕环形件步骤，将合金带材进行卷绕以形成具有预定内径和外径的环形件，其中，随着卷绕的进行，不断地在卷绕前的所述合金带材的一个表面上均匀喷涂一层粘结剂，以粘结形成所述环形件的相邻合金带材层；固化处理步骤；凹部切割步骤以及退火步骤。该方法制造的非晶、纳米晶合金定子铁芯不仅软磁性能优异、粘接强度高，而且生产工艺简单、制造成本低。
【IPC分类】H02K1/12, H02K15/02, H02K1/02
【公开号】CN105490400
【申请号】CN201510964663
【发明人】张广强, 周少雄, 董帮少, 李宗臻, 高慧
【申请人】安泰科技股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月21日
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机的磁路零部件领域，具体设及一种轴向磁场电机用非晶、纳米晶 合金定子铁忍及其制造方法，该种定子铁忍尤其适合应用于要求高效节能的高频轴向磁场 电机。
【背景技术】
[0002] 由于高频化可W给电机带来高转速、高功率密度和高转矩密度等优势，目前已经 成为电机的发展趋势。电动汽车、高速机床、高速风机、高速水累等众多高端应用领域，不仅 要求电机具有高效率，还要求电机向高频化、小型化发展，所W必须提高电机频率。然而，传 统电机的娃钢铁忍随着频率的升高铁损迅速增加，严重降低电机效率、甚至由于发热严重 导致无法正常工作。非晶、纳米晶合金软磁材料具有低损耗、高磁导率等特性，有望替代娃 钢材料应用于高频电机定子铁忍，进而大幅度提高高频电机性能。
[0003] 非晶、纳米晶合金带材一般是具有恒定宽度、长度方向连续的薄带材料，方便卷绕 成型;而且，轴向磁场铁忍的槽型结构简单便于加工。所W，非晶、纳米晶合金带材应用于轴 向磁场电机定子铁忍更具优势。
[0004] 1998年，美国LE公司的专利US005731649A尝试了使用卷绕后浸漆固化成型的非晶 块体组合成电机定子铁忍，由于直接使用卷绕的非晶圆柱作为定子铁忍的齿部，铁忍内部 的满旋电流构成环路，导致铁损较大。
[0005] 2006年，LE公司在专利US7018498B2中公开了一种首先使用浸漆后固化成型的方 法制作出环形非晶合金铁忍，接着在一个端面锐削轴向凹槽制作非晶合金定子铁忍的方 法。由于对卷绕得到的非晶纳米晶环形铁忍进行浸漆，尤其轴向长度较大时，很难将树脂完 全浸入到非晶、纳米晶环形铁忍的层间缝隙，造成铁忍层间绝缘效果不佳、粘接强度不够， 切槽时容易碎裂，影响性能和成品率;为了使树脂较充分的浸入铁忍的层间缝隙，卷绕铁忍 时叠片系数一般较低，控制在0.75~0.85，因此影响电机的功率密度。该发明凹槽加工采用 锐削法，锐削刀具表面有齿状结构，而且非晶、纳米晶铁忍又比较脆，所W很难保障铁忍槽 的切面光洁度，影响性能。
[0006] 2010年，日本株式会社的专利CN101741153A中也公开了一种轴向磁场电机用非晶 合金定子铁忍的制作方法，首先使用浸漆后固化成型的方法制作出环形非晶合金铁忍，接 着沿轴向切割成多个形状和大小完全相同的棒状非晶块，再使用圆盘状铁忍保持部件将运 些棒状非晶块组合成定子铁忍。该方法制作非晶合金定子铁忍时也是先卷绕后浸漆固化成 型，同样存在高叠片系数下树脂难W完全浸透，影响绝缘效果和粘结强度的问题。所W，卷 绕环形铁忍后浸漆固化的方法很难W制作高叠片系数的轴向磁场非晶定子铁忍，尤其是轴 向长度较大的两端面具有凹槽结构的非晶、纳米晶定子铁忍。
[0007] 综上所述，现有轴向磁场非晶合金电机铁忍的制作均采用卷绕后浸漆固化成型再 切割凹槽的方法。该方法制作轴向磁场非晶、纳米晶铁忍，为了保证铁忍内部非晶或纳米晶 带材之间的缝隙能够较充分的被树脂浸透，叠片系数一般在0.80左右，影响工件的功率密 度。如果提高叠片系数，尤其对于轴向长度较大的铁忍，将无法保证铁忍内部带材缝隙的充 分浸漆，将造成层间绝缘不佳、粘结强度不够，影响性能和切割成品率。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有技术中存在的W上问题，本发明提供了一种轴向磁场非晶、纳米晶 电机定子铁忍及其制造方法。该方法边卷绕边在非晶或者纳米晶带材表面喷涂粘结剂W制 作环形铁忍，固化成型后再用高速砂轮切割凹槽从而制作出高性能轴向磁场电机用非晶、 纳米晶合金定子铁忍。该方法制造的非晶、纳米晶合金定子铁忍不仅软磁性能优异、粘接强 度高，而且生产工艺简单、制造成本低。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用了 W下技术方案：
[0010] -种轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍，所述铁忍为非晶或者纳米晶合金带材 卷绕多层而成的圆环体，所述圆环体的上和/或下端面上均匀分布有多个凹部，形成所述圆 环体的相邻非晶或者纳米晶合金带材层之间附有粘结层。
[0011] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，所述非晶 或者纳米晶合金带材的材质为铁基合金、铁儀基合金或钻基合金。
[0012] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，位于同一 端面上的所述多个凹部的水平中屯、线均与所述铁忍的中屯、轴线垂直相交于同一点。
[0013] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，当所述圆 环体的上和下端面均分布有凹部时，位于所述上端面的凹部的竖直中屯、线与相应地位于下 端面的凹部的竖直中屯、线重合。
[0014] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，所述粘结 层的厚度为1-2皿。
[0015] 在上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍中，作为一种优选实施方式，所述凹部 的形状为长方形。
[0016] 上述轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍的制造方法，包括如下步骤：
[0017] 卷绕环形件步骤，使用宽度与成品定子铁忍的轴向长度相同的非晶或者纳米晶合 金带材，将所述合金带材进行卷绕W形成具有预定内径和外径的环形件，其中，随着卷绕的 进行，不断地在卷绕前的所述合金带材的一个表面上均匀喷涂一层粘结剂，W粘结形成所 述环形件的相邻合金带材层；
[0018] 固化处理步骤，将所述环形件进行固化处理，从而得到固化后的环形件；
[0019] 凹部切割步骤，将所述固化后的环形件浸入冷却液中，使用高速砂轮在所述环形 件的上和/或下端面上进行凹部切割，从而得到具有凹部结构的环形铁忍；
[0020] 退火步骤，对所述具有凹部结构的环形铁忍进行退火处理，从而得到成品电机定 子铁忍。
[0021] 在上述制造方法中，在卷绕所述环形件时可W使用的一个非晶、纳米晶带材进行 卷绕，也可W同时使用两个W上的非晶、纳米晶带材进行卷绕。
[0022] 在上述制造方法中，喷涂于所述相邻两层合金带材间（即带材层间）的粘结剂必须 能够承受370°CW上的退火溫度，所述粘结剂可W是有机粘结剂也可W是无机粘结剂，优选 地，所述有机粘结剂为有机娃类胶、酪醒树脂胶、脈醒树脂胶、耐溫环氧胶、聚酷亚胺胶，所 述无机粘结剂为TW系列、SL系列或ZS系列的无机粘结剂。
[0023] 在上述制造方法中，所述喷涂的一层粘结剂的厚度优选为1-2WI1。
[0024] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述卷绕环形件步骤中，通过提高 卷绕时带材上的张力来提高所述成品电机定子铁忍的叠片系数，所述叠片系数为0.85-0.95〇
[0025] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述固化处理步骤中，所述固化处 理的溫度为90-300°C。
[0026] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述凹部切割步骤中，切割时所述 砂轮的转速为10000-35000转/分钟，而且所述砂轮完全置于冷却液中。更优选地，所述冷却 液为纯水、水基冷却液或者油基冷却液。
[0027] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述砂轮的厚度与凹部槽宽度一致。
[0028] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述退火步骤中，所述退火处理是 在氮气、氨气或者惰性气体(优选氣气)保护气氛下进行的。
[0029] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述退火步骤中，所述退火处理的 溫度为300-600°C，保溫时间为0.5-5.化。
[0030] 根据本发明方法制造的定子铁忍具有高叠片系数和低铁忍损耗，适合应用于频率 在400化^上的高频电机，而且频率越高，电机的节能效果越显著。尤其频率达到800化^上 时，电机效率将比使用普通娃钢铁忍的电机提高3-10%。另外，该生产工艺简单、制造成本 低。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明所述的使用具有一定宽度的非晶、纳米晶合金薄带卷绕具有预定内 外径的环形非晶、纳米晶合金环形件的过程示意图；
[0032] 图2为本发明所述的使用具有一定宽度的非晶、纳米晶合金薄带卷绕的具有预定 内外径的环形非晶、纳米晶合金环形件的示意图；
[0033] 图3为本发明所述的使用砂轮切割方式对环形非晶、纳米晶合金环形件端面切槽 时使用的切割仓的示意图；
[0034] 图4为本发明所述的在切割仓中使用砂轮切割方式对环形非晶、纳米晶合金环形 件端面切槽的过程示意图；
[0035] 图5为本发明所述的使用高速砂轮切割方式在环形件的两个轴向端面均开槽而得 到的轴向磁场非晶、纳米晶合金铁忍的示意图；
[0036] 图6为本发明所述的使用高速砂轮切割方式在环形件的一个轴向端面开槽而得到 的轴向磁场非晶、纳米晶合金铁忍的示意图。
[0037] 其中，附图标记如下：
[0038] 1、具有一定宽度的非晶、纳米晶合金带材料卷；
[0039] 2、卷绕环形铁忍过程中在带材表面喷涂粘结剂的喷头；
[0040] 3、卷绕得到的具有一定内外径的非晶、纳米晶环形件；
[0041] 4、砂轮切割凹槽时使用的切割仓;5、切割仓底部的定位圆柱体；
[0042] 6、切割凹槽时用到的冷却液;7、切割凹槽时用到的砂轮银片；
[0043] 8、轴向磁场非晶合金定子铁忍环形端面的槽；
[0044] 9、轴向磁场非晶合金定子铁忍环形端的齿；
[0045] 10、两个环形端面均具有轴向凹槽结构的非晶、纳米晶铁忍；
[0046] 11、一个环形端面均具有轴向凹槽结构的非晶、纳米晶铁忍。
【具体实施方式】
[0047] 为了更好地解释本发明，下面将参照附图来充分地描述根据本发明的轴向磁场用 定子铁忍及其制造方法。
[0048] 参照图5和6,其为本发明提供的两种轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁忍，所述铁 忍为非晶或者纳米晶合金带材卷绕多层而成的圆环体，所述圆环体的上和/或下端面上均 匀分布有多个凹部，形成所述圆环体的相邻非晶或者纳米晶合金带材层之间附有粘结层。
[0049] 所述非晶或者纳米晶合金带材的材质可W是本领域常用的合金，优选为铁基合 金、铁儀基合金或钻基合金，其可W采用常规的甩带法制备，也可W通过市售渠道获得。
[0050] 位于同一端面上的所述多个凹部的水平中屯、线均与所述铁忍的中屯、轴线垂直相 交于同一点。位于同一端面上的两个相邻凹部之间即为齿部。所述多个凹部均具有相同的 大小和形状。如果两端面均开设有凹部，则两个端面的凹部大小、形状均相同。上下两端面 对应的两凹部的竖直中屯、线应该是重合的，即当所述圆环体的上和下端面均分布有凹部 时，位于所述上端面的凹部与位于下端面的凹部一一相对。所述凹部的形状可W是本领域 常用铁忍中使用的任何形状，优选凹部为长方形凹槽。
[0051] 所述粘结层的厚度均匀，优选为1-2μπι，该厚度的粘结层即绝缘层既可W保证粘结 强度，又可W防止粘结层过厚影响铁忍叠片系数。
[0052] 在现有技术中，对于轴向磁场非晶合金电机铁忍的制作，通常采卷绕环形铁忍后 浸漆固化再切割凹槽的方法。但是，如果卷绕铁忍的叠片系数较高时，粘结剂很难充分浸入 到铁忍的层间缝隙，造成粘结强度不高、层间绝缘不够、切割时容易破损等问题。所W-般 叠片系数都比较低，根据轴向长度控制在0.75~0.85。鉴于此，本发明提供了一种边卷绕环 形铁忍边在带材表面喷涂粘结剂、达到预定内外径后固化成型再砂轮切割凹槽、最后退火 处理的制造非晶或纳米晶合金定子铁忍的方法。下面详细介绍一下上述轴向磁场非晶、纳 米晶电机定子铁忍的制造方法，具体如下：
[0053] 卷绕环形件即圆环体的步骤，使用宽度与成品定子铁忍的轴向长度相同的非晶或 者纳米晶合金带材卷，首先将所述合金带材卷打开并于卷绕前在一个表面上均匀喷涂一层 粘结剂，然后进行卷绕，使各层非晶带直接粘结在一起，形成环形铁忍W形成相邻合金带材 层间具有粘结层的、且具有预定内径和外径的环形件。
[0054] 也可W说，随着卷绕的进行，不断地在卷绕前已打开的合金带材的一个表面上均 匀喷涂一层粘结剂，优选喷涂在未卷绕即卷绕前已打开的合金带材的内表面，W便将未卷 绕且内表面带有粘结剂的合金带材粘结到已卷绕完成的合金带材层的外表面上，从而形成 相邻合金带材层间具有粘结层的环形件。
[0055] 所述环形件在卷绕过程中，一定是边卷环边在非晶、纳米晶带材表面同步的喷涂 粘结剂，确保卷环过程同步将各层带材粘结在一起形成环形件。在卷环过程，可W通过调整 非晶、纳米晶带材上的张力实现对叠片系数的控制，由于该方法不需要后续的浸漆处理，可 w通过大幅度提高卷环时带材上的张力实现更高的铁忍叠片系数，叠片系数可w提高到 0. 85-0.95〇
[0056] 在卷绕所述环形件时可W使用的一个非晶、纳米晶带材卷进行卷绕，也可W同时 使用两个W上的非晶、纳米晶带材卷进行卷绕。本领域技术人员应该明白，非晶合金、纳米 晶合金是两种不同原子结构的软磁合金材料，由于运两种合金一般都是具有一定宽度的长 度方向连续的薄带，根据本发明的铁忍的制作方法能够适合使用运两种软磁合金薄带制作 铁忍。使用非晶合金薄带制作的铁忍称为非晶合金铁忍，使用纳米晶合金制作的铁忍称为 纳米晶合金铁忍。
[0057] 喷涂于所述相邻两层合金带材间（即带材层间）的粘结剂必须能够承受370°CW上 的退火溫度，所述粘结剂可W是本领域常用的有机粘结剂也可W是无机粘结剂，优选地，所 述有机粘结剂为有机娃类胶、酪醒树脂胶、脈醒树脂胶、耐溫环氧胶、聚酷亚胺胶，所述无机 粘结剂为TW系列、化系列或ZS系列的无机粘结剂。运些粘结剂均为市售产品。
[0058] 在非晶、纳米晶带材表面喷涂的一层粘结剂的厚度优选为1-2μπι。
[0059] 固化处理步骤，将所述环形件进行固化处理，从而得到固化后的环形件；
[0060] 具体地，在所述固化处理步骤，固化溫度根据粘结剂的种类进行确定，一般控制在 90-300°C之间（比如 100°C、120°C、150°C、180°C、210°C、250°C、280°C、295°C)，固化时 间和 铁忍的尺寸直接相关，W确保铁忍内部的粘结剂完全固化为标准。
[0061] 凹槽切割步骤，将所述固化后的环形件浸入冷却液中，使用高速砂轮在所述环形 件的上和/或下端面上进行凹槽切割，从而得到具有凹槽结构的环形铁忍；
[0062] 在所述凹槽切割步骤中，切割时所述砂轮的转速为10000-35000转/分钟（比如 11000转/分钟、15000转/分钟、20000转/分钟、21000转/分钟、25000转/分钟、30000转/分 钟、33000转/分钟、34500转/分钟），而且所述砂轮和环形件完全置于冷却液中。更优选地， 所述冷却液为纯水、水基冷却液或者油基冷却液，均为市售产品。所述砂轮的厚度与凹槽宽 度b要保持一致，切割的凹槽为Ξ面开口矩形，即上或下端面开口、环形件内壁侧开口 W及 环形件外壁侧开口。
[0063] 根据本发明，所述的切割加工方式必须为高速或者超高速砂轮切割，砂轮的材质 可W选用立方BN、SiC、A1203、金刚石或者硬质陶瓷，砂轮的厚度必须和环形铁忍端面凹槽 的宽度相等。切割过程，砂轮的转速必须控制在10000-30000转/分钟，当切割转速达到 15000转/分钟W上时，环形铁忍不需要使用工装卡具进行固定保护可W直接切割槽型。由 于高速砂轮切割过程会产生高溫，容易造成槽的切割表面烧伤、影响性能，所W环形件和切 割砂轮必须整体置于冷却液中。
[0064] 退火步骤，对所述具有凹槽结构的环形铁忍进行退火处理，W消除粘结应力和切 割应力，从而得到性能优异的高叠片系数、低损耗的成品电机定子铁忍。
[0065] 在所述退火步骤中，所述退火处理是在氮气、氨气或者惰性气体(优选氣气)保护 气氛下进行的，所述退火处理的溫度为300°C-600°C(比如305°C、350°C、380°C、410°C、450 °(3、480°(3、520°(3、550°(3、570°(3、590°〇，保溫时间为0.5-5.化（比如0.55}1、0.化、1.2}1、 1. 化、2h、2.化、3h、3.化、4h、4.化、4.8h)。
[0066] 本发明方法得到的轴向磁场电机用非晶、纳米晶合金定子铁忍，具有很低的铁忍， 适合应用于频率高于400Hz的单转子或者双转子轴向磁场高频电机，尤其频率达到800化W 上时，电机效率将比使用普通娃钢铁忍的电机提高3-10%。
[0067] 图1示出的是在采用宽度与成品定子铁忍的高度相同的非晶或纳米晶合金带材， 将其重新卷绕W形成具有预定内径ri和预定外径nW及轴向高度h的环形件3。卷环过程中， 可W使用一个非晶或者纳米晶合金带材料卷进行卷环，也可W同时使用多个非晶或者纳米 晶合金带材料卷进行卷环，在图1中同时使用了四个非晶或者纳米晶合金带材料卷进行卷 环。并且，为了方便喷涂粘结剂，在卷环之前的每条带子的内表面附近都放置一个喷头2,用 来将粘结剂均匀的喷涂在非晶或纳米晶带材表面，W便卷环时直接粘结成环形件。由于非 晶材料表面喷涂了粘结剂，后续不需要进行浸漆处理，所W卷环时带材上的张力可W大幅 度提高，进而使环形铁忍的叠片系数显著提高，能够达到0.85-0.95，比卷绕后再浸漆的方 法制作的铁忍叠片系数可W提高约10%，也就是说可W使制作的电机的功率密度增加 10%。
[0068] 完成卷环后，在一定的溫度进行固化处理，固化后的环形铁忍如图2所示，固化处 理的溫度根据粘结剂的种类确定。接下来，将环形铁忍放置于如图3所示的切割仓4中，切割 仓为底部封闭的圆筒，为了方便切割操作，其切割仓半径r4必须大于环形件3的半径r2和切 割砂轮片的直径之和，即满足r4〉r化化3。切割时，参见图4,切割仓中的冷却液6必须将环形 件3和切割砂轮7完全浸没，W保证切割过程不会造成工件切割表面的高溫灼伤、影响性能。 在切割仓4底正中屯、设置一个与仓底面一体的定位圆柱体5,其直径和环形件内径相等，其 高度hi根据实际需求设定。如果切割双端面凹槽结构的轴向磁场铁忍，hi应该等于凹槽8的 深度a和辆部的轴向长度C的和，即hl=a+c;如果切割一个端面有凹槽结构的轴向磁场铁 忍，hi应该等于铁忍辆部轴向长度C，及hl = c。切割凹槽时，将环形件3套置于定位圆柱体5 上面。选用切割砂轮片7的厚度和轴向磁场铁忍的凹槽宽度相等，砂轮切割的方向为指向环 形铁忍的中屯、轴线，即每个切割槽的水平中屯、线方向都指向环形件的中屯、轴线。切割凹槽 时，砂轮转速要控制在10000-30000转/分钟，当切割转速达到15000转/分钟W上时，环形铁 忍可W省去工装卡具直接切割槽型结构，不会造成工件的开裂或者破损，而且切割效率高， 切割面平滑光洁。如果切割双端面具有凹槽结构的轴向磁场定子铁忍，先依次切割一个端 面的凹槽，再翻转即倒置后套置于定位圆柱体上切割另一个端面的凹槽结构，上下端面对 应的槽的大小和形状相同，且上下端面对应的槽的水平中屯、线位于同一竖直平面上。每个 槽的水品中屯、线均指向环形铁忍的中轴线，运些槽均匀分布在环形端面上。
[0069] 凹槽结构切割完毕后，进行退火处理，消除粘结应力和加工应力，使轴向磁场非 晶、纳米晶合金定子铁忍的软磁性能达到最佳。退火过程需在氣气、氮气或者氨气等保护气 氛下进行。退火处理后，便得到了轴向磁场的非晶、纳米晶合金成品定子铁忍，其中得到的 上下端面均具有凹槽的成品定子铁忍10,参见图5,得到的一个端面上具有凹槽的成品定子 铁忍11，参见图6,相邻凹槽之间的部分为齿9。
[0070] 实施例1
[0071] 在本实施例中，采用本发明所述的方法制作轴向磁场电机用非晶、纳米晶合金定 子铁忍的方法是相同的，只需要对相应的薄带材料进行替换，W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、纳米晶等不同材料的合金定子铁忍。因此，下面仅W 制备非晶合金定子铁忍为例，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。
[0072] 在本实施例中，制作电机用非晶定子合金铁忍使用的非晶合金带材名义成份为 Fe7sSi沁i3(at. % )，带材厚度为25± 1皿，宽度为80mm，表面平整光洁。对非晶合金带材及生 产该种合金带材的方法不作特别限制，本实施例采用的化78Si泌i3(at. % )合金带材为市售 产品。
[0073] 根据本发明的制备方法，第一步如图1所示，使用四卷80mm宽的非晶合金带卷绕内 径120mm、外径200mm的环形铁忍。卷绕过程中，同时在每条卷绕之前的非晶带材的内壁即内 表面不断喷涂耐溫G-2021环氧树脂胶水，当外径达到200mm时，剪断4条非晶带，便得到了内 径120mm、外径200mm、轴向长度80mm的环形非晶件。通过控制非晶带上的卷绕张力即控制拉 应力，环形铁忍的叠片系数控制在0.92。接着在150°C进行固化处理180分钟，便得到了固化 成型的环形非晶合金件。
[0074] 第二步如图4所示，将经固化处理的内径120mm、外径200mm、轴向长度80mm的环形 件套置于切割仓的定位圆柱体上，定位圆柱体的直径为120mm、高度为50mm。砂轮片厚度为 6mm，直径为100mm，切割深度为30mm，冷却液深度300mm，将环形件和切割砂轮片完全浸没在 纯水的 冷却液中。切割时，砂轮片转速设置在20000转/分钟，为了防止冷却液飞瓣在切割仓 上面可W加一个盖子。当一个宽度6mm、深30mm的槽切割完毕时，环形件沿圆周方向旋转 360°/16 = 22.5°，接着切割下一个槽，依次在环形件的一个端面上切出16个均匀分布宽度 6mm、深30mm的凹槽。然后，将环形件从定位圆柱体上取下，两个端面调换方向，接着在另一 个端面上按照同样的方式在圆周上切割出均匀分布的16个宽度6mm、深30mm的槽。切割第二 端面时，需注意与第一个端面的凹槽的位置对应，即两个端面的上下对应凹槽的轴向中屯、 线应该共线。
[0075] 第Ξ步是对切割出凹槽的非晶合金定子铁忍进行退火处理，退火的目的是消除非 晶合金带材的内部应力W及铁忍制作过程中引入的加工应力，进一步提高非晶合金定子铁 忍的软磁性能。
[0076] 热处理工艺如下：1)将所述非晶合金定子铁忍放入炉体内，在氮气的保护下W10 °C/min的加热速率升溫至370°C，在该溫度保溫120min;2)然后随炉冷却至100°CW下时取 出铁忍。至此，完成了轴向磁场电机用非晶合金定子铁忍的制作。
[0077] 对比例1
[0078] 第一步将80mm宽的牌号为B35AV1900、厚度为0.35mm的娃钢带卷绕成内径120mm、 外径200mm的环形娃钢铁忍，叠片系数控制在0.95。
[0079] 第二步对内径120mm、外径200mm、轴向长度80mm的环形娃钢铁忍进行真空浸漆，将 环形娃钢铁忍完全浸没在G-2021环氧树脂胶水中，在化化下浸溃4小时，确保环氧树脂完全 浸透。接着在150°C进行固化处理180分钟，得到了环形娃钢铁忍。
[0080] 第Ξ步如图4所示，将经固化处理的内径120mm、外径200mm、轴向长度80mm的环形 娃钢铁忍进行凹槽切割，方法同实施例1。凹槽切割完成后得到对比例1的双端面凹槽结构 轴向磁场娃钢定子铁忍样品。
[0081 ] 对比例2
[0082]本对比例省略了实施例1喷涂粘结剂的工艺，其形成粘结层即绝缘层的工艺由对 比例1的第二步真空浸漆取代，叠片系数也控制在0.92,其他工艺步骤与实施例1相同，由此 得到对比例2的双端面凹槽结构轴向磁场非晶合金定子铁忍样品。
[0083] 通过本发明方法制备的轴向磁场非晶合金定子铁忍与对比例1中制作的牌号为 B35AV1900的轴向磁场娃钢定子铁忍相比，铁忍损耗可W降低85-95%。
[0084] 通过本发明方法制备的轴向磁场非晶合金定子铁忍与对比例2中方法制备的非晶 定子铁忍相比，铁忍损耗可W降低50% W上。
[0085] 表1给出了对比例1使用牌号为B35AV1900的娃钢片制作的定子铁忍和实施例1的 非晶合金定子铁忍的损耗数据，从表中可W看出，非晶合金定子铁忍的损耗比娃钢定子铁 忍降低85-95%，而且频率越高非晶合金定子铁忍的节能优势越明显。可见，该方法制作的 轴向磁场非晶合金定子铁忍具有很低的铁忍损耗，而且生产工艺简单、周期短、成本低，非 常适合应用于高频轴向磁场电机，能够提高电机的效率、功率密度W及转矩密度。
[0086] 表1本发明实施例1制作的非晶铁忍与对比例1和对比例2的定子铁忍的损耗数据 对比
[0087]
【主权项】
1. 一种轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯，其特征在于，所述铁芯为非晶或者纳米晶 合金带材卷绕多层而成的圆环体，所述圆环体的上和/或下端面上均匀分布有多个凹部，形 成所述圆环体的相邻非晶或者纳米晶合金带材层之间附有粘结层。2. 根据权利要求1所述的轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯，其特征在于，所述非晶 或者纳米晶合金带材的材质为铁基合金、铁镍基合金或钴基合金。3. 根据权利要求1所述的轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯，其特征在于，位于同一 端面上的所述多个凹部的水平中心线均与所述电机定子铁芯的中心轴线垂直相交于同一 点;优选地，当所述圆环体的上和下端面均分布有凹部时，位于所述上端面的凹部的竖直中 心线与相应地位于下端面的凹部的竖直中心线重合。4. 根据权利要求1所述的轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯，其特征在于，所述粘结 层的厚度为1-2M1;优选地，所述凹部的形状为长方形。5. 权利要求1-4任一所述的轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯的制造方法，其特征在 于，包括如下步骤： 卷绕环形件步骤，使用宽度与成品定子铁芯的轴向长度相同的非晶或者纳米晶合金带 材，将所述合金带材进行卷绕以形成具有预定内径和外径的环形件，其中，随着卷绕的进 行，不断地在卷绕前的所述合金带材的一个表面上均匀喷涂一层粘结剂，以粘结形成所述 环形件的相邻合金带材层； 固化处理步骤，将所述环形件进行固化处理，从而得到固化后的环形件； 凹部切割步骤，将所述固化后的环形件浸入冷却液中，使用高速砂轮在所述环形件的 上和/或下端面上进行凹部切割，从而得到具有凹部结构的环形铁芯； 退火步骤，对所述具有凹部结构的环形铁芯进行退火处理，从而得到成品电机定子铁 芯。6. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述粘结剂是有机粘结剂或无机粘结 剂，优选地，所述有机粘结剂为有机硅类胶、酚醛树脂胶、脲醛树脂胶、耐温环氧胶、聚酰亚 胺胶，所述无机粘结剂为TW系列、SL系列或ZS系列的无机粘结剂。7. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述喷涂的一层粘结剂的厚度为1-2μ m〇8. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述卷绕环形件步骤中，通过提高 卷绕时带材上的张力来提高所述成品电机定子铁芯的叠片系数，所述叠片系数为0.85- 0.95〇9. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述固化处理步骤中，所述固化处 理的温度为90_300°C;在所述退火步骤中，所述退火处理是在氮气、氢气或者惰性气体保护 气氛下进行的;优选地，所述退火处理的温度为300-600°C，保温时间为0.5-5.Oh。10. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述凹部切割步骤中，切割时所述 砂轮的转速为10000-35000转/分钟，而且所述砂轮完全置于冷却液中；优选地，所述冷却液 为纯水、水基冷却液或者油基冷却液;更优选地，所述砂轮的厚度与凹部槽宽度一致。
【专利摘要】本发明公开了一种轴向磁场非晶、纳米晶电机定子铁芯及其制造方法，该方法包括下述步骤：卷绕环形件步骤，将合金带材进行卷绕以形成具有预定内径和外径的环形件，其中，随着卷绕的进行，不断地在卷绕前的所述合金带材的一个表面上均匀喷涂一层粘结剂，以粘结形成所述环形件的相邻合金带材层；固化处理步骤；凹部切割步骤以及退火步骤。该方法制造的非晶、纳米晶合金定子铁芯不仅软磁性能优异、粘接强度高，而且生产工艺简单、制造成本低。
【IPC分类】H02K1/12, H02K15/02, H02K1/02
【公开号】CN105490400
【申请号】CN201510964663
【发明人】张广强, 周少雄, 董帮少, 李宗臻, 高慧
【申请人】安泰科技股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月21日
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