一種非晶態合金徑向磁場電機的製作方法

2023-12-10 07:03:27

專利名稱：一種非晶態合金徑向磁場電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有非晶態合金材質的徑向磁場電機。
背景技術：
非晶態合金是一種誕生於20世紀70年代的新型軟磁材料。大致具有用分子式 A7CH85B5JCch2ciK表達的成分。下標表示不同元素所佔百分比，其中A代表鐵、鎳和鈷中的至少一種；B表示硼、碳和磷中至少一種；C表示矽、鋁和鍺中至少一種。非晶態合金與傳統矽鋼片材料相比具有多方面的優勢，其鐵心損耗極低，特別是當磁場交變頻率很高，諸如 0. 5kHz 20kHz時，這種低損耗的特徵更加明顯。因此，非晶態合金非常適合製造具有高效率、高速運行和緊湊體積要求的電機。所述的電機所指是一廣義概念，泛指各種形式的發電機、電動機和具有回饋制動能力的電動機。然而非晶態合金硬度極高，是矽鋼片3倍 5 倍左右，直接使用常規衝壓工藝加工非晶合金材料將會極速的消耗衝模，使得加工成本上升。最為常用的薄帶形式非晶合金材料厚度只有0. 03mm，是一般矽鋼片的1/10左右；如果仿照矽鋼片疊壓工藝一片一片疊壓非晶態合金薄帶，不僅時間長成本高，而且獲得的疊壓係數也很低。同時這種材料工作溫度低，以線切割和焊接等具有高溫伴隨特徵的加工工藝都會導致材料「重結晶」，哪怕這種重結晶是局部的，對材料特性，如損耗等也會造成巨大影響。正是由於上述幾方面原因，使得非晶合金材料雖然具有優異的電磁性能，但不能很容易的直接應用於傳統徑向磁場結構電機。不少學者和技術人員提出了適合非晶材料加工的不同結構的非晶電機。中國專利CN201010121452. 7提出了一種具有非晶態合金鐵芯的橫向磁場電機。 定子鐵芯由多個單元電機定子鐵芯組成。每個單元電機定子由Q個U型非晶態合金鐵芯沿圓周均布組成，Q個U型鐵芯的開口部分構成一個垂直於轉子軸的定子槽，這種結構不適合徑向磁場電機。U型非晶態合金鐵芯採用非晶帶材卷制而成，單個U型鐵芯構成一個完整的迴路。每個單元電機的U型鐵芯開口部分構成該橫向磁場電機非晶定子的筒狀定子槽， 大大減少了對定子鐵芯加工工序，避免了加工工藝對非晶材料性能的影響。且該橫向磁場非晶電機能方便的擴大電機的功率和尺寸，避免了非晶帶刺寬度對非晶定子鐵芯尺寸的限制。然而該電機結構為橫向磁場電機，其非晶定子鐵芯不適合用於傳統徑向磁場電機。發明專利US5731649提出了一種卷制非晶合金薄帶製造軸向磁場電機定子鐵心的方式。其發明中定子由一系列圓柱體組合而成。圓柱體分成兩種，第一種當做定子的齒， 而另一種當做定子的軛。所有當做齒的圓柱體都與當做軛的圓柱體連接，以形成完整磁通路。兩種圓柱體都使用非晶合金薄帶同心螺旋式卷繞而成。專利CN201010121452. 7和專利US5731649中電機結構分別為橫向磁場電機和軸向磁場電機，其非晶定子不能適用於傳統徑向磁場電機。因此學者和技術人員們提出了不同加工徑向磁場電機非晶定子鐵芯的方法，以適應非晶合金材料特殊的機械性能。中國專利CN200810007282. 2和CN200910105338. 2都從不同角度闡述了應用非晶合金材料進行製造徑向磁通電機定子鐵芯的方案。
CN101286676A中公開了一種用於高速電機的徑向磁場非晶態合金定子鐵心的製備方法。將非晶合金帶材切割成具有預定長度的多個非晶合金片，疊壓形成具有預定厚度的非晶合金片層疊棒，對所述層疊棒進行退火，退火後的所述層疊棒用粘結劑浸漬固化，最後切割所述層疊棒，形成所需形狀和尺寸的定子鐵芯。同時，由於非晶合金材料在沿鐵心軸向方向疊壓而成，非常適合於傳統徑向磁場結構電機。但是由於使用軸向方向逐一疊放非晶薄帶的方式製造鐵心，鐵芯大小受帶材寬度限制，而且不能避免加工時間長、成本高的缺點οCN200910105338. 2提出了模塊化製作徑向磁場電機非晶態合金定子的方法，擺脫整體切割製備非晶態合金定子受到非晶態合金帶材的最大寬度限制的缺點，使非晶合金定子鐵芯適用於直徑較大的電機。將非晶態合金帶材製成的非晶態合金疊片堆，沿層疊厚度方向，將所述非晶態合金疊片堆切割成具有徑向厚度的瓦片狀弧形柱面體，並在該弧形柱面體內面切割出用於嵌入繞組的槽位，從而製成非晶態合金定子模塊，將N個非晶態合金定子模塊組合聯結成一個完整的環形定子鐵芯。該方法雖然解決了非晶定子鐵芯受帶材寬度限制的缺點，但仍然不能避免加工時間長，成本高的缺點。

發明內容
為了克服現有技術中徑向磁場電機定子鐵心需切割定子齒槽導致加工時間長、附加工序多和電機大型化能力受到非晶態合金薄帶尺寸限制等問題，本發明提出了一種新型徑向磁場非晶態合金電機。本發明所提出的徑向磁場非晶態合金電機具有徑向磁場電機的基本形式。該電機由機殼、定子鐵芯、定子繞組、轉子、轉軸組成。定子鐵心由一系列U型非晶態合金鐵芯組合而成。本發明避免了切割定子齒的工藝，最大程度的降低了附加應力和伴生過溫導致的材料性能下降，減小了加工時間、加工難度和加工成本。所述的定子鐵芯包含nXQ個U型非晶態合金鐵芯，nXQ個U型非晶態合金鐵芯分成η組U型非晶態合金鐵芯沿軸向疊放，每組有Q個U型非晶態合金鐵芯，呈環形排布， Q為電機槽數，η為大於等於1的整數。U型非晶態合金鐵芯正立時，朝上的兩個上端面為開口面，左側面為左接觸面，右側面為右接觸面，U型非晶態合金鐵芯開口面所在的平面與 U型非晶態合金鐵芯包圍的區域為U型非晶態合金鐵芯半包圍區域。每組Q個U型非晶態合金鐵芯的開口面均朝內，即U型非晶態合金鐵芯的開口面面向轉子軸，每個U型非晶態合金鐵芯的左接觸面與其順時鐘方向相鄰的U型非晶態合金鐵芯的右接觸面緊密貼合，每個U型非晶態合金鐵芯的右接觸面與其逆時鐘方向相鄰的U 型非晶態合金鐵芯的左接觸面緊密貼合，形成一個環形的帶齒槽的非晶態合金鐵芯。Π組U 型非晶態合金鐵芯軸向排布，構成定子鐵芯。U型非晶態合金鐵芯半包圍區域構成定子槽， 電樞繞組從定子槽中穿過。U型非晶態合金鐵芯由非晶態合金帶材卷疊塊彎曲而成，因此該徑向磁場非晶電機不需切割定子槽，減少了加工工序。而且非晶帶材的寬度只限制了 U型鐵芯的寬度，通過調整U型鐵芯的長度和寬度可以自由的調整該徑向磁場非晶電機定子鐵芯尺寸。所述的U型非晶態合金鐵芯可以採用任意一種開口型電感鐵心。所謂開口型電感指磁路中包含氣隙的電感形式。其中一種開口型電感鐵心的製造方式如下第一步使用非晶態合金薄帶疊壓成非晶態合金疊塊。第二步、將非晶態合金疊塊彎曲成任意形狀的U型鐵芯。本發明電機中的轉子可以是永磁式、磁阻式、閉合繞組構成的感應式，也可以是上述形式的各種組合形式。與定子鐵心相比，轉子鐵心的損耗在總損耗中所佔比例很小，可以用與定子相同的非晶合金材料或者常規矽鋼片製造本發明電機的轉子。當使用常規矽鋼片製造所述的轉子時，電機總損耗不會顯著增加，同時製造成本會比採用非晶合金材料製造轉子明顯降低。本發明具有以下的優點本發明電機所用定子鐵心由一系列結構相同的定子鐵心單元構成，每個定子鐵心單元可以使用非晶合金疊塊彎曲製成。本發明中所用定子鐵心不需要切割齒槽，最大程度的減少了再加工工序，避免了非晶材料重結晶和附加應力的隱患。本發明的定子鐵心單元的寬度等於非晶合金薄帶寬度，可以通過多個鐵芯軸向疊加增加定子鐵芯的疊長。而且高度和軸向長度均不受非晶合金材料幾何尺寸限制，由這些鐵心單元組成的電機定子鐵心以及電機整機可以非常容易的實現大型化。因此採用發明中的非晶定子鐵芯，可以擺脫非晶帶材寬度對定子鐵芯尺寸的限制，很容易的實現大型化的非晶定子鐵芯。本發明的電機可以只有定子採用非晶合金材料。


圖1本發明實施例1的結構圖，圖中1機殼，2定子鐵芯，3電樞繞組，4轉子，5轉子軸；圖2本發明實施例1的定子鐵芯在垂直於軸的平面上的正視圖，圖中201 U型非晶態合金鐵芯，2011 U型非晶態合金鐵芯開口面，2012 U型鐵芯的半包圍區域，2013 U型非晶態合金鐵芯的左接觸面，2014 U型非晶態合金鐵芯的右接觸面；圖3a、圖北本發明實施例2的定子鐵芯在垂直於軸的平面上的正視圖，圖中201 U型非晶態合金鐵芯，2011 U型非晶態合金鐵芯開口面，2012 U型鐵芯的半包圍區域，202 筒狀鐵芯；圖4製造所述U型非晶態合金鐵芯單元所用的非晶合金材料疊塊211 ；圖如、圖恥為由非晶合金材料疊塊彎曲製成的U型非晶態合金鐵芯示意圖，圖中 201a、201b為由211彎曲製成的不同形狀的U型非晶態合金鐵芯。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。如圖1、圖2、圖3a、圖北所示，本發明所提出的徑向磁場非晶合金電機包括機殼 1、定子鐵心2、電樞繞組3、轉子4和轉子軸5。定子鐵心2包含nXQ個U型非晶態合金鐵芯201，nXQ個U型非晶態合金鐵芯201分成η組U型非晶態合金鐵芯201沿軸向疊放，每組的Q個U型非晶態合金鐵芯201呈環形排布，η為大於等於1的整數，Q為定子槽數。如圖2、圖3a、圖北所示，每組Q個U型非晶態合金鐵芯的開口面2011均朝內，即CN 102545415 A
U型非晶態合金鐵芯的開口面面向轉子軸，每個U型非晶態合金鐵芯的左接觸面2013與其順時鐘方向相鄰的U型非晶態合金鐵芯的右接觸面2014緊密貼合，每個U型非晶態合金鐵芯的右接觸面2014與其逆時鐘方向相鄰的U型非晶態合金鐵芯的左接觸面2013緊密貼合，形成一個環形的帶齒槽的非晶態合金鐵芯。定子軸向方向上排布有η組U型非晶態合金鐵芯201。U型非晶態合金鐵芯半包圍區域2012構成定子槽，電樞繞組3從定子槽中穿過。如圖3a、圖3b所示，定子鐵芯可包含nXQ個U型非晶態合金鐵芯201和一個筒狀鐵芯202，η為大於等於1的整數，Q為電機槽數。每組有Q個U型非晶態合金鐵芯201，呈環形排布。η組型非晶態合金鐵芯固定在同一個筒狀鐵芯202的內壁上，呈環形排布。筒狀鐵芯202由軟磁材料製成。筒狀鐵芯202的內表面和外表面可以是圓形也可以是多邊形。 如圖3a所示，筒狀鐵芯202的內外表面均為圓形。如圖北所示，筒狀鐵芯202的內外表面均為多邊形。所述的U型非晶態合金鐵芯201由非晶合金薄帶材料疊塊彎曲製得，非晶合金薄帶材料疊塊如圖4所示。W為非晶合金疊塊的寬度，受非晶合金薄帶的寬度的限制，也即U 型非晶態合金鐵芯201的寬度；L為非晶合金疊塊的長度，L決定了得到的U型非晶態合金鐵芯長度；H為非晶合金疊塊的高度，也是U型非晶態合金鐵芯高度。可以根據需要得到不同形狀的柱體鐵心。如圖5&、圖恥所示，非晶合金薄帶材料疊塊經彎曲後可製成不同形狀的非晶態合金U型非晶態合金鐵芯，如形狀各不相同的鐵芯201a和201b。如圖fe所示，其中U型非晶態合金鐵芯正立時，朝上的兩個上端面為開口面2011，左側面為左接觸面2013，右側面為右接觸面2014，開口面所在的平面與U型非晶非晶態合金鐵芯包圍的區域為U型非晶態合金鐵芯半包圍區域2012。半包圍的區域2012用來容納電樞繞組3，構成電機定子槽，電樞繞組3從定子槽穿過。從U型非晶態合金鐵芯201的製造方式和定子鐵芯的構成方式可以看出，定子槽由U型鐵芯半包圍區域2012構成，避免了切割製造定子齒槽帶來的加工難度和非晶材料性能的衰減。雖然非晶合金薄帶寬度W有限，可以通過增加構成定子鐵心2的U型非晶態合金鐵芯201的組數n，從而增加定子鐵芯長度，長度為n*W。U型非晶態合金鐵芯長度L和高度 H都不受材料寬度限制，因此電機定子外徑、齒部尺寸、軛部尺寸也不受材料寬度限制。所得非晶合金電機可以非常容易的實現大型化。電機中轉子可以是永磁的、磁阻式的或者感應式的。其材料可以是非晶合金材料也可以是傳統矽鋼片材料。
權利要求
1.一種非晶態合金徑向磁場電機，由機殼(1)、定子鐵芯O)、電樞繞組(3)、轉子(4) 和轉子軸(5)構成，其特徵在於，所述的定子鐵芯(2)包含nXQ個U型非晶態合金鐵芯 O01)，nXQ個U型非晶態合金鐵芯O01)分成η組軸向疊放，每組有Q個U型非晶態合金鐵芯Ο01)，呈環形排布，Q為電機槽數，η為大於等於1的整數；所述的U型非晶態合金鐵芯(201)正立時，朝上的兩個上端面為開口面(2011)，左側面為左接觸面(2013)，右側面為右接觸面(2014)，開口面所在的平面與U型非晶態合金鐵芯(201)包圍的區域為U型非晶態合金鐵芯半包圍區域Ο012)；每組Q個U型非晶態合金鐵芯的開口面Q011)均朝內，即面向轉子軸；每個U型非晶態合金鐵芯的左接觸面Q013)與其順時鐘方向相鄰的U型非晶態合金鐵芯的右接觸面Ο014)緊密貼合，每個U型非晶態合金鐵芯的右接觸面Q014)與其逆時鐘方向相鄰的U型非晶態合金鐵芯的左接觸面緊密貼合，形成一個環形的帶齒槽的非晶態合金鐵芯；η組U型非晶態合金鐵芯(201)軸向排布，構成定子鐵芯O) ；U型非晶態合金鐵芯半包圍區域Ο012)構成定子槽，電樞繞組(3)從定子槽中穿過。
2.按照權利要求1所述的非晶態合金徑向磁場電機，其特徵在於所述的定子鐵芯包含 η組U型非晶態合金鐵芯(201)和一個筒狀鐵芯(20 ，每組有Q個U型非晶態合金鐵芯 O01)，n組U型非晶態合金鐵芯軸向疊放型非晶態合金鐵芯Q01)固定在同一個筒狀鐵芯(202)的內壁上，η為大於等於1的整數。
3.按照權利要求2所述的非晶態合金徑向磁場電機，其特徵在於所述的筒狀鐵芯 (202)的內表面和外表面是圓形或多邊形，由軟磁材料製成。
4.按照權利要求1所述的非晶態合金徑向磁場電機，其特徵在於所述的U型非晶態合金鐵芯(201)通過以下方法製造首先將非晶態合金薄帶疊壓成非晶合金疊塊011)，然後將所述的非晶態合金疊塊彎曲製成U型非晶態合金鐵芯(201)。
全文摘要
一種非晶態合金徑向磁場電機，其定子鐵心(2)包含有n×Q個U型非晶態合金鐵芯(201)，分成n組軸向疊放，每組有Q個U型非晶態合金鐵芯(201)，呈環形排布，n大於等於1，Q為電機槽數。每組Q個U型非晶態合金鐵芯(201)左右緊密貼合，形成環形帶齒槽的定子鐵芯。U型非晶鐵芯的半包圍區域(2012)構成電機定子槽，電樞繞組(3)從定子槽穿過。將非晶態合金薄帶疊壓成非晶疊塊(211)，將非晶疊塊(211)彎曲可製成U型非晶態合金鐵芯(201)。該電機定子鐵芯(2)無需切割定子齒槽，減小了非晶定子鐵芯的加工難度，避免了加工導致非晶材料磁性能的衰減。此外電機定子鐵芯的尺寸不受非晶帶材寬度限制，容易實現電機的大型化。
文檔編號H02K1/16GK102545415SQ201210033439
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月15日 優先權日2012年2月15日
發明者李琦, 溫旭輝, 範濤 申請人:中國科學院電工研究所