專利名稱：定子由軟磁合金構(gòu)成的鐘表用步進(jìn)電機(jī)和軟磁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特別可用于鐘表的步進(jìn)電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子、定子和裝有磁心的線圈，并涉及可用于制造這些電機(jī)的FeNiCr型軟磁合金。
模擬石英表的指針地運(yùn)動(dòng)由微型步進(jìn)電機(jī)來保證，通常是Lavet式。這種電機(jī)包括由永磁體構(gòu)成的轉(zhuǎn)子，具有兩極的定子和裝有磁心的線圈。定子既可以由兩部分構(gòu)成也可以是單體的。后者被稱為“具有可磁飽和的細(xì)頸”。制造定子和磁心的部分從磁性能適用于此功能的FeNi型軟磁合金冷軋條帶切出。條帶厚度在0.4-0.8mm的數(shù)量級。磁心通常由Ni48Fe類合金制成，當(dāng)定子具有可磁飽和的細(xì)頸時(shí)多數(shù)是由Ni80Mo5Fe類合金制成。這些合金的缺點(diǎn)是昂貴，期望能獲得廉價(jià)的合金。由于石英鐘表已成為大規(guī)模的消費(fèi)產(chǎn)品，所以此問題更為重要。
為了解決此問題，業(yè)已提出使用Ni35Mo5Fe類合金。然而，這種合金的缺點(diǎn)是磁性能對-20℃和70℃之間的溫度、也就是說在鐘表的整個(gè)使用溫度范圍高度敏感。
此外，鐘表日益頻繁地在氣候條件極易使部件因氧化變劣的世界各地組裝和使用。當(dāng)然可以加倍地進(jìn)行耐腐蝕處理，但這些處理是昂貴的，因此期望能夠避免這些問題。對于Ni35Mo5Fe類合金尤其存在這種問題，該合金比Ni80Mo5Fe類合金更為廉價(jià)，但對潮濕氣氛的腐蝕更為敏感。
本發(fā)明的目的在于消除這些缺點(diǎn)，提出一種尤其適用于鐘表的合金和步進(jìn)電機(jī)，既經(jīng)濟(jì)實(shí)用、又不易氧化和對溫度變化不敏感。
為此目的，本發(fā)明的主題是一種步進(jìn)電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子，定子和由磁心及繞組組成的線圈，其中定子、尤其是具有可磁飽和的細(xì)頸的定子由FeNiCr型軟磁合金構(gòu)成，其化學(xué)組成按重量包括
40％≤Ni+Co≤60％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤13.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤13.5％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
構(gòu)成定子的FeNiCr型軟磁合金最好具有如下特性
—居里溫度Tc＞200℃
—+25℃的飽和磁感Bs在0.69-0.8特斯拉之間
—矯頑力Hc＜0.07奧斯特(1奧斯特＝79.577A/m)
—電阻率ρ＞80μΩcm。
構(gòu)成定子的FeNiCr型軟磁合金的化學(xué)組成最好如下
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤11％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
構(gòu)成定子的FeNiCr型軟磁合金的化學(xué)組成可以如下
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤12％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
此外，磁心可以由FeNiCr型合金制成，其化學(xué)組成按重量包括
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
5％≤Cr≤8％
5％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤10％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
本發(fā)明還涉及FeNiCr型軟磁合金，其化學(xué)組成按重量包括
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤11％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
本發(fā)明的合金最好含有0.1％-1％的錳和0.05％-0.3％的硅。而且最好其含氧量小于0.005％、含硫量小于0.005％。
本發(fā)明還涉及FeNiCr型軟磁合金，其化學(xué)組成按重量包括
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤12％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
本發(fā)明的合金最好含有0.1％-1％的錳和0.05％-0.3％的硅；而且最好其含氧量小于0.005％、含硫量小于0.005％。
以下將參考示意地展示用于鐘表的步進(jìn)電機(jī)的單一附圖，更準(zhǔn)確地說明本發(fā)明，但并無任何限制之意。
如

圖1所示的具有可磁飽和的細(xì)頸的Lavet式電機(jī)，包括例如由釤鈷永磁體制成的轉(zhuǎn)子1，定子2，和由磁心4和繞組5構(gòu)成的線圈3。定子2包括其中容納轉(zhuǎn)子1的洞6。在洞6的兩側(cè)定子2具有兩個(gè)變窄部分7和7′，稱為“細(xì)頸”。細(xì)頸是“磁飽和”的，即當(dāng)電機(jī)工作時(shí)構(gòu)成定子的材料的幾何結(jié)構(gòu)和性質(zhì)如下，其中磁感應(yīng)接近于材料的飽和磁感。
靜止?fàn)顟B(tài)下，即指線圈繞組中無電流通過時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置由定子的幾何結(jié)構(gòu)和特別是容納轉(zhuǎn)子的洞6的幾何結(jié)構(gòu)決定。其位置如下確定，由轉(zhuǎn)子與由定子2和線圈3的磁心4組成的磁路之間的磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁阻最小。每秒向線圈繞組5輸送電脈沖。此電脈沖產(chǎn)生使電機(jī)每次轉(zhuǎn)半圈的磁場。由電池供電。
為了使電機(jī)能滿意地工作，定子2和磁心4組成的磁路所用的材料必須是高磁導(dǎo)率、低矯頑力和高電阻率，以便使電耗減至最小，并由此使電池壽命盡可能地長。盡管構(gòu)成定子的材料的飽和磁感不能過高，以便有利于細(xì)頸在勵(lì)磁脈沖作用下的磁飽和，但為了單位質(zhì)量的能量最大，因而使電機(jī)尺寸最小，材料的飽和磁感必須要高。最終，在電機(jī)的整個(gè)工作溫度范圍必須盡可能穩(wěn)定地保持這些特性；此范圍通常在-20℃～+70℃。
定子2由FeNiCr型軟磁合金制成，按重量其包含
—40％～60％的鎳，可用含量高達(dá)7％的鈷部分置換鎳，鎳與鈷的總量保持在40％～60％；這些元素可賦予主要的磁性能和足夠的居里溫度；
—8％～13.5％的鉻，用于獲得良好的耐氧化、尤其是耐潮濕氣氛的能力；
—錳，最好在0.1％～1％，用于獲得良好的熱軋加工性能；
—硅，最好在0.05％～0.3％，保證制造期間能脫氧；
—從鉬、鈮、釩、和鎢中選擇的一種或者多種選擇性元素，這些元素含量總和要小于3％；這些元素改善了耐蝕性和熱機(jī)械強(qiáng)度，這有利于步進(jìn)電機(jī)部件的制造，但若含量過高，它們使飽和磁感Bs過分降低；
—余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
為了獲得足夠的飽和磁感Bs，Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W的總和必須小于13.5％(因?yàn)殂t含量的下限，此總和大于8％)。
制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)特別是氧和硫?qū)ΤC頑力有不利影響。而且，這些雜質(zhì)中的各種含量必須盡可能地低，最好低于50ppm。
為了使合金具有如下性能，化學(xué)組成應(yīng)能調(diào)節(jié)
—居里溫度Tc＞200℃，最好Tc＞250℃，以此獲得磁性能在-20℃～+70℃的良好的穩(wěn)定性，
—環(huán)境溫度下的飽和磁感Bs在0.6～0.9特斯拉，+25℃下最好在0.69～0.8特斯拉，
—矯頑力Hc＜0.07奧斯特，
—電阻率ρ＞80μΩcm。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以考慮以下因素來調(diào)節(jié)化學(xué)組成
—非鐵磁性元素(Fe，Ni和Co之外的元素)的含量增多時(shí)Bs下降；
—雜質(zhì)含量增多時(shí)Hc增大；
—非鐵磁性元素的含量增多時(shí)通常ρ增大；
—非鐵磁性元素的含量增多時(shí)Tc下降。
例如，該合金的組成最好如下
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤11％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
此化學(xué)組成(Ni55cr10Fe型)具有如下優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)具有適當(dāng)?shù)娘柡痛鸥?0.7特斯拉的數(shù)量級)和賦予良好耐蝕性的高鉻含量。
也可采用化學(xué)組成如下的合盒
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤12％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
此合金的優(yōu)點(diǎn)是具有因存在鉬而改善的耐蝕性。
在全部情況下，線圈3的磁心4可以有利地由Ni48Fe型或者FeNiCr型的合金構(gòu)成，組成是
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
5％≤Cr≤8％
5％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤10％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
此合金具有如下優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)具有極高的飽和磁感(1特斯拉)和可接受的耐蝕性，盡管鉻含量降低。
當(dāng)定子由組成如下的合金制成時(shí)
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤12％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)，可以用相同的合金制造線圈的磁心，這樣可以把定子和磁心作成單一部件，從而簡化制造。
通過第一實(shí)施例，由厚度為4mm的熱軋鋼帶制造厚度為0.5mm的冷軋鋼帶。冷軋期間在1.5mm的中間厚度進(jìn)行退火。組成如下(按wt％)
從冷軋鋼帶切下圓盤并在純的干燥氫氣中于1100℃退火4小時(shí)，對其測量可知此合金具有如下特性
—飽和磁感Bs-20℃時(shí)0.77特斯拉，+25℃時(shí)0.75特斯拉，+70℃時(shí)0.70特斯拉；
—居里溫度Tc275℃；
—矯頑力Hc25℃時(shí)0.06奧斯特；
—電阻率ρ25℃時(shí)90μΩcm。
這些特性特別適合制造具有飽和細(xì)頸的Lavet型電機(jī)定子。此外，由于鉻含量高，所以此合金具有的耐蝕性使得其能用來制造鐘表電機(jī)，而無需已有技術(shù)的耐蝕性處理。例如通過把樣品交替地經(jīng)受如下處理可以證明其耐蝕性，亦即在濕度大于80％的氣氛中、60℃～70℃的溫度下保持2-4小時(shí)，在-10℃～-20℃的溫度下保持2-4小時(shí)，總的保持時(shí)間在2-4周。
由此測試，已經(jīng)確定Ni55Cr10Fe型合金未出現(xiàn)任何可見的生銹痕跡，相反Ni48Fe合金則會生銹。
通過第二實(shí)施例，由厚度為4mm的熱軋鋼帶制造厚度為0.45mm的冷軋鋼帶。冷軋期間在1.4mm的中間厚度進(jìn)行退火。組成如下(按wt％)
從冷軋鋼帶切下圓盤并在純的干燥氫氣中于1100℃退火4小時(shí)，對其測量可知此合金具有如下特性
—飽和磁感Bs-20℃時(shí)0.76特斯拉，+25℃時(shí)0.75特斯拉，+70℃時(shí)0.72特斯拉；
—居里溫度Tc275℃；
—矯頑力Hc25℃時(shí)0.05奧斯特；
—電阻率ρ25℃時(shí)90μΩcm。
這些特性特別適合制造具有飽和細(xì)頸的Lavet型電機(jī)定子。此外，對比實(shí)驗(yàn)表明此合金耐潮濕腐蝕能力略有改善。
通過第三實(shí)施例，由厚度為4mm的熱軋鋼帶制造厚度為0.65mm的冷軋鋼帶。冷軋期間在1.6mm的中間厚度進(jìn)行退火。組成如下(按wt％)
此合金具有如下特性
—飽和磁感Bs-20℃時(shí)0.71特斯拉，+25℃時(shí)0.69特斯拉，+70℃時(shí)0.67特斯拉；
—居里溫度Tc260℃；
—矯頑力Hc25℃時(shí)0.06奧斯特；
—電阻率ρ25℃時(shí)90μΩcm。
此合金的耐蝕性與前述實(shí)施例相同，但由于鎳含量略有下降，所以居里溫度和飽和磁感也略有下降。
權(quán)利要求
1一種步進(jìn)電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子(1)，定子(2)和由磁心(4)及繞組(5)構(gòu)成的線圈(3)，其特征在于，定子(2)由FeNiCr型軟磁合金構(gòu)成，其化學(xué)組成按重量包括
40％≤Ni+Co≤60％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤13.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤13.5％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
2根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其特征在于，構(gòu)成定子(2)的FeNiCr型軟磁合金具有如下特性
—居里溫度Tc＞200℃
—+25℃的飽和磁感Bs在0.69-0.8特斯拉之間
—矯頑力Hc＜0.07奧斯特
—電阻率ρ＞80μΩcm。
3根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其特征在于，構(gòu)成定子(2)的FeNiCr型軟磁合金具有如下化學(xué)組成
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤11％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
4根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其特征在于，構(gòu)成定子(2)的FeNiCr型軟磁合金具有如下化學(xué)組成
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤12％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
5根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)的電機(jī)，其特征在于，定子(2)具有可磁飽和的細(xì)頸。
6根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)的電機(jī)，其特征在于，磁心(4)由FeNiCr型合金制成，其化學(xué)組成按重量包括
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
5％≤Cr≤8％
5％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤10％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
7一種FeNiCr型軟磁合金，其組成按重量包括
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤11％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
8根據(jù)權(quán)利要求7的合金，其特征在于，
0.1％≤Mn≤1％
0.05％≤Si≤0.3％。
9根據(jù)權(quán)利要求7或8的合金，其特征在于，
O＜0.005％
S＜0.005％。
10一種FeNiCr型軟磁合金，其組成按重量包括
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤12％余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
11根據(jù)權(quán)利要求10的合金，其特征在于，
0.1％≤Mn≤1％
0.05％≤Si≤0.3％。
12根據(jù)權(quán)利要求10或11的合金，其特征在于，
O＜0.005％
S＜0.005％
全文摘要
一種步進(jìn)電機(jī),包括轉(zhuǎn)子(1),定子(2)和由磁心(4)及繞組(5)構(gòu)成的線圈(3),其中,定子(2)由FeNiCr型軟磁合金構(gòu)成,其化學(xué)組成按重量包括:40%≤Ni+Co≤60%,0%≤Co≤7%,8%≤Cr≤13.5%,8%≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤13.5%,余量是鐵和制造中產(chǎn)生的雜質(zhì)。
文檔編號H02K1/02GK1176515SQ9711751
公開日1998年3月18日 申請日期1997年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月29日
發(fā)明者Ｇ·庫德克昂, L·查普特, L·庫圖, Ｄ·加塔德 申請人:安費(fèi)公司