軸向磁場電機(jī)用非晶、納米晶定子鐵芯的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)的磁路零部件領(lǐng)域，具體涉及一種軸向磁場電機(jī)用非晶、納米晶 合金定子鐵芯的制造方法，該種定子鐵芯尤其適合應(yīng)用于要求高效節(jié)能的高頻軸向磁場電 動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)高頻化可以帶來高轉(zhuǎn)速、高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為電 機(jī)的發(fā)展趨勢。電動(dòng)汽車、高速機(jī)床、高速風(fēng)機(jī)、高速水栗等眾多高端應(yīng)用領(lǐng)域，不僅要求電 機(jī)具有高效率，還要求電機(jī)向高頻化、小型化發(fā)展，所以必須提高電機(jī)頻率。然而，傳統(tǒng)電機(jī) 的硅鋼鐵芯隨著頻率的升高鐵損迅速增加，嚴(yán)重降低電機(jī)效率、甚至由于發(fā)熱嚴(yán)重導(dǎo)致無 法正常工作。非晶、納米晶合金軟磁材料具有低損耗、高磁導(dǎo)率等特性，有望替代硅鋼材料 應(yīng)用于尚頻電機(jī)定子鐵芯，進(jìn)而大幅度提尚尚頻電機(jī)性能。
[0003] 非晶、納米晶合金帶材一般是具有恒定寬度、長度方向連續(xù)的薄帶材料，方便卷繞 成型;而且，軸向磁場鐵芯的槽型結(jié)構(gòu)簡單便于加工。所以，非晶、納米晶合金帶材應(yīng)用于軸 向磁場電機(jī)定子鐵芯更具優(yōu)勢。
[0004] 1998年，美國LE公司的專利US005731649A嘗試了使用卷繞后浸漆固化成型的非晶 塊體組合成電機(jī)定子鐵芯，由于直接使用卷繞的非晶圓柱作為定子鐵芯的齒部，鐵芯內(nèi)部 的渦旋電流構(gòu)成環(huán)路，導(dǎo)致鐵損較大。
[0005] 2006年，LE公司在專利US7018498B2中公開了一種首先使用浸漆后固化成型的方 法制作出環(huán)形非晶合金鐵芯，接著在一個(gè)端面銑削軸向凹槽制作非晶合金定子鐵芯的方 法。由于對卷繞得到的非晶納米晶環(huán)形鐵芯進(jìn)行浸漆，尤其軸向長度較大時(shí)，很難將樹脂完 全浸入到非晶、納米晶環(huán)形鐵芯的層間縫隙，造成鐵芯層間絕緣效果不佳、粘接強(qiáng)度不夠， 切槽時(shí)容易碎裂，影響性能和成品率;為了使樹脂較充分的浸入鐵芯的層間縫隙，卷繞鐵芯 時(shí)疊片系數(shù)一般較低，只能控制在〇. 75~0.85，影響電機(jī)的功率密度。該發(fā)明凹槽加工采用 與槽等寬的刀具直接銑削開槽，切削量很大，加工效率低;而且銑削刀具外圓周端是齒狀結(jié) 構(gòu)，由于非晶、納米晶鐵芯較脆，切面光潔度難于保障，影響性能。
[0006] 2010年，日本株式會(huì)社的專利CN101741153A中也公開了一種軸向磁場電機(jī)用非晶 合金定子鐵芯的制作方法，首先使用浸漆后固化成型的方法制作出環(huán)形非晶合金鐵芯，接 著沿軸向切割成多個(gè)形狀和大小完全相同的棒狀非晶塊，再使用圓盤狀鐵芯保持部件將這 些棒狀非晶塊組合成定子鐵芯。該方法制作非晶合金定子鐵芯時(shí)也是先卷繞后浸漆固化成 型，同樣存在高疊片系數(shù)下樹脂難以完全浸透，影響絕緣效果和粘結(jié)強(qiáng)度的問題。所以，卷 繞環(huán)形鐵芯后浸漆固化的方法很難以制作高疊片系數(shù)的軸向磁場非晶定子鐵芯，尤其是軸 向長度較大的兩端面具有凹槽結(jié)構(gòu)的非晶、納米晶定子鐵芯。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有軸向磁場非晶合金電機(jī)鐵芯的制作均采用卷繞后浸漆固化成型再 切割凹槽的方法。該方法制作軸向磁場非晶、納米晶鐵芯，為了保證鐵芯內(nèi)部非晶或納米晶 帶材之間的縫隙能夠較充分的被樹脂浸透，疊片系數(shù)一般在0.80左右，影響工件的功率密 度。如果提高疊片系數(shù)，尤其對于軸向長度較大的鐵芯，將無法保證鐵芯內(nèi)部帶材縫隙的充 分浸漆，將造成層間絕緣不佳、粘結(jié)強(qiáng)度不夠，影響鐵芯性能和切割成品率。而且，對于開寬 度較大的凹槽的鐵芯，采用與槽等寬刀具的切削量很大、加工效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，本發(fā)明提供了一種軸向磁場電機(jī)用非晶、 納米晶定子鐵芯的制造方法。該方法邊在非晶或者納米晶帶材表面浸涂粘結(jié)劑邊卷繞以在 卷繞后的環(huán)形鐵芯中即含有粘結(jié)劑，固化成型后再采用鉆孔和切縫相結(jié)合的方法加工凹槽 從而制造出高性能軸向磁場電機(jī)用非晶、納米晶合金定子鐵芯。該方法制造的非晶、納米晶 合金定子鐵芯不僅鐵芯軟磁性能優(yōu)異，而且加工效率大幅度提高，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0010] -種軸向磁場電機(jī)用非晶、納米晶合金定子鐵芯的制造方法，所述鐵芯是由非晶 或者納米晶合金帶材卷繞多層而成的圓環(huán)體，所述圓環(huán)體的上和/或下端面上均勻分布有 多個(gè)凹槽，形成所述圓環(huán)體的相鄰非晶或者納米晶合金帶材層之間附有粘結(jié)劑層，所述鐵 芯的制造方法包括如下步驟：
[0011] 卷繞環(huán)形件步驟，使用寬度與成品定子鐵芯的軸向長度相同的非晶或者納米晶合 金帶材，將所述合金帶材進(jìn)行卷繞以形成具有預(yù)定內(nèi)徑和外徑的環(huán)形件，其中，在卷繞的過 程中，同步地在卷繞前的所述合金帶材的表面上浸涂一層粘結(jié)劑，以使卷繞后的相鄰各層 非晶或納米晶帶材粘結(jié)在一起形成所述環(huán)形件；
[0012] 固化處理步驟，將所述環(huán)形件進(jìn)行固化處理，從而得到固化成型的環(huán)形件；
[0013] 凹槽的切割步驟，在所述固化成型的環(huán)形件的上和/或下端面上均勻切割多個(gè)凹 槽，從而得到具有凹槽結(jié)構(gòu)的圓環(huán)體型鐵芯；
[0014] 退火步驟，對所述具有凹槽結(jié)構(gòu)的圓環(huán)體型鐵芯進(jìn)行退火處理，從而得到成品軸 向磁場電機(jī)用非晶、納米晶合金定子鐵芯。
[0015] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述非晶或者納米晶合金帶材的材 質(zhì)選自鐵基合金、鐵鎳基合金或鈷基合金;優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑是有機(jī)粘結(jié)劑或者無機(jī)粘結(jié) 劑;更優(yōu)選地，所述有機(jī)粘結(jié)劑為有機(jī)硅類膠、酚醛樹脂膠、脲醛樹脂膠、耐溫環(huán)氧膠、聚酰 亞胺膠，所述無機(jī)粘結(jié)劑為TW系列、SL系列或ZS系列的無機(jī)粘結(jié)劑。
[0016] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，在所述卷繞環(huán)形件步驟中，所述合金 帶材的表面上浸涂的粘結(jié)劑的厚度是通過如下方法控制的:將在浸涂裝置浸涂完粘結(jié)劑的 合金帶材穿過設(shè)置于所述浸涂裝置出口處且相對設(shè)置的兩片刮漆片之間的間隙，從而將合 金帶材表面上多余的粘結(jié)劑刮掉;更優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑層的厚度為1 -3μηι。
[0017] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，在所述卷繞環(huán)形件步驟中，通過提高 卷繞時(shí)帶材上的張力以及降低所述合金帶材表面形成的粘結(jié)劑層厚度來提高所述成品電 機(jī)定子鐵芯的疊片系數(shù)，所述疊片系數(shù)為〇. 85-0.95。
[0018] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，在所述凹槽的切割步驟中，切割后的 位于同一端面上的多個(gè)所述凹槽的水平中心線均與所述定子鐵芯的中心軸線垂直相交于 同一點(diǎn)；更優(yōu)選地，當(dāng)所述圓環(huán)體的上和下端面均分布有凹槽時(shí)，位于所述上端面的凹槽的 豎直中心線與相應(yīng)下端面的凹槽的豎直中心線重合，并且上和下端面的所述凹槽的寬度和 深度均相等。
[0019] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，在所述凹槽的切割步驟中，每個(gè)所述 凹槽的切割方法采用如下兩種方式中的一種，第一種切割方式:鉆孔步驟，使用鉆孔刀具在 所述環(huán)形件的外周壁上以距離待開槽端面垂直距離為a-b/2的位置為中心沿所述環(huán)形件的 直徑方向向所述環(huán)形件的內(nèi)周壁鉆一個(gè)直徑等于b的通孔，其中，a為所述凹槽的深度，b為 所述凹槽的寬度;窄縫切割步驟，使用由雙薄片切割刀具自所述通孔垂直對應(yīng)的待開槽端 面位置向所述通孔方向切割，一直切割到與所述通孔相通，從而開出一條寬度為b、深度為a 且底部為半圓形的U型凹槽;第二種切割方式：窄縫切割步驟，使用由雙薄片切割刀具自待 開槽端面位置沿豎直方向向所述環(huán)形件內(nèi)部切割至距離所述待開槽端面垂直距離為a-b/2 的位置，以開出深度為a-b/2、寬度為單薄片厚度的兩條窄縫，其中，a為所述凹槽的深度，b 為所述凹槽的寬度，雙薄片切割刀具的總厚度等于所述凹槽的寬度b;鉆孔步驟，使用鉆孔 刀具在外周壁上以所述兩條窄縫底部連線的中點(diǎn)為中心沿所述環(huán)形件的直徑方向向所述 環(huán)形件的內(nèi)周壁鉆一個(gè)直徑等于b的通孔，從而開出一條寬度為b、深度為a且底部為半圓形 的U型凹槽;更優(yōu)選地，所述凹槽的寬度b 2 3mm;進(jìn)一步地，所述鉆孔刀具在鉆孔割時(shí)的轉(zhuǎn)速 為3000-30000轉(zhuǎn)/分鐘，所述雙薄片切割刀具在切割時(shí)的轉(zhuǎn)速為1000-30000轉(zhuǎn)/分鐘。
[0020] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，每個(gè)所述凹槽的切割方法中的任何 一種方式均還包括如下步驟:修磨步驟，使用厚度與所述凹槽寬度b相等的厚片修磨刀具對 所述底部為半圓形的U型凹槽進(jìn)行修磨，從而得到一條寬度為b、深度為a的矩形截面凹槽； 更優(yōu)選地，所述厚片修磨刀具在修磨時(shí)的轉(zhuǎn)速為10000-30000轉(zhuǎn)/分鐘，所述鉆孔刀具、所述 雙薄片切割刀具和所述厚片修磨刀具工作時(shí)均在冷卻液的保護(hù)下進(jìn)行;進(jìn)一步地，所述冷 卻液為油基冷卻液或水基冷卻液。
[0021] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述鉆孔刀具是材質(zhì)為高速工具鋼 或者硬質(zhì)合金的鉆孔刀具，或者是鑲嵌有材質(zhì)為SiC、立方BN、金剛石、剛玉或者硬質(zhì)陶瓷刀 頭的復(fù)合鉆孔刀具。
[0022]在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述雙薄片切割刀具由兩個(gè)半徑和 厚度相同的圓形薄切割片、夾在兩個(gè)所述薄切割片之間的具有一定厚度的中間圓隔板以及 貫穿兩個(gè)所述薄切割片和所述中間隔板中心的軸組成，兩個(gè)所述薄切割片和所述中間隔板 的厚度之和等于所述凹槽的寬度b，所述薄切割片的半徑R 4減去所述中間圓形隔板的半徑R3 大于所述凹槽的深度a;更優(yōu)選地，所述薄切割片的厚度為0.5-1.5mm，材質(zhì)為SiC、立方BN、 金剛石、剛玉或者硬質(zhì)陶瓷。
[0023]在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，在所述固化處理步驟中，所述固化處 理的溫度為90_300°C，固化時(shí)間為0.5-5小時(shí);更優(yōu)選地，所述退火處理是在氮?dú)?、惰性氣體 或者氫氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行;進(jìn)一步，所述退火處理的溫度為300_600°C，保溫時(shí)間為0.5-5.0小時(shí)。
[0024]根據(jù)本發(fā)明方法制造的軸向磁場電機(jī)用非晶、納米晶定子鐵芯具有高疊片系數(shù)和 低鐵芯損耗，適合應(yīng)用于頻率在400Hz以上的高頻電機(jī)，而且頻率越高，電機(jī)節(jié)能效果越顯 著。當(dāng)頻率高