[发明专利]一种具有非晶态合金铁心的横向磁场电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有非晶态合金材质的部件，诸如定子或者转子的电机，更具体的涉及 一种高效率、低铁损耗的横向磁场结构电机。

背景技术

非晶态合金是一种诞生于20世纪70年代的新型软磁材料。大致具有用分子式A_70-85B_5-20C_0-20所表达的成分。下标表示不同元素所占百分比，其中A代表铁、镍和钴中的至少一种；B表 示硼、碳和磷中至少一种；C表示硅、铝和锗中至少一种。这种材料与传统硅钢片材料相比 具有多方面的优势，最为重要的是具有非常低的铁心损耗。特别是当磁场交变频率很高，诸 如0.5kHz～20kHz时，这种低损耗的特征更加明显。因此，这种材料非常适合制造具有高效 率、高速运行和紧凑体积要求的电机。在本文中电机所指是一广义概念，泛指各种形式的发 电机、电动机和具有回馈制动能力的电动机。在上述优异性能以外，这种材料硬度极高，是 硅钢片3倍～5倍左右；直接使用常规冲压工艺加工非晶合金材料将会极速的消耗冲模，使得 加工成本上升。最为常用的薄带形式非晶合金材料厚度只有0.03mm，是一般硅钢片的1/10 左右；如果仿照硅钢片叠压工艺一片一片叠压非晶态合金薄带，不仅时间长成本高，而且获 得的叠压系数也很低。同时这种材料工作温度低，以线切割和焊接等具有高温伴随特征的加 工工艺都会导致材料“重结晶”，哪怕这种重结晶是局部的，对材料特性，如损耗等也会造 成巨大影响。此外，非晶态合金材料性能受应力影响比较明显，任何不当的连接、固定、装 配和再加工都会产生额外的应力，导致非晶合金制成的结构件性能下降。正是由于上述几方 面原因，使得非晶合金材料虽然具有优异的电磁性能，但不能很容易的直接应用于传统径向 磁场结构电机。

为了解决上述问题，不同形式的电机或者电机组件被提出，以适应非晶合金材料特殊的 机械性能。在发明专利CN101286676A，US5731649和CN200480009398.X都从不同角度阐述 了应用非晶合金材料进行电机制造的方案。CN101286676A中公开了一种制造用于高速电机的 非晶态合金定子铁心的方法。包括非晶合金薄带切割、轴向叠片成型、整体退火、粘接固化、 齿槽切割等几个工序。所得定子铁心经过退火、施加绝缘镀层等工艺过程保证了材料低铁损 耗的特性。同时，由于非晶合金材料在沿铁心轴向方向叠压而成，非常适合于传统径向磁场 结构电机。但是由于使用轴向方向逐一叠放非晶薄带的方式制造铁心，不能避免加工时间长、 成本高和叠压系数低的问题。

发明专利US5731649提出了一种卷制非晶合金薄带制造定子铁心的方式。其发明中定子 由一系列圆柱体组合而成。圆柱体分成两种，第一种当做定子的齿，而另一种当做定子的轭。 所有当做齿的圆柱体都与当做轭的圆柱体连接，以形成完整磁通路。两种圆柱体都使用非晶 合金薄带同心螺旋式卷绕而成。为了阻挡交流磁场产生的涡流，这种形式的铁心不能应用于 径向磁通结构的电机，而只能应用于轴向磁通电机。由于使用螺旋式卷绕的方式制造铁心， 与轴向逐一叠片的方式相比生产率大大提升，叠压系数也在一定程度上提高。而且，该发明 专利中所提出的定子铁心不需要任何后续加工工序以切割出电机常用的齿槽结构，避免了由 再加工可能导致的重结晶和附加应力等潜在问题。但是，这种结构电机定子铁心轴向长度等 于非晶合金薄带的宽度。由于材料制备能力所限，非晶合金薄带宽度一般最大在50mm～100mm 之间。本领域技术人员都应了解，在轴向磁通电机中，定子铁心轴向长度决定了电机轭部高 度，而为了防止铁心进入饱和状态，增加所需激磁电流，电机齿部宽度要与轭部高度相匹配。 因此有限宽度的非晶合金薄带限制了这种结构电机轴向和径向方向的尺寸，使得电机不能实 现大型化。与此同时，由于存在当做齿的圆柱体和当做轭的圆柱体之间的连接，连接处存在 附加气隙，浪费了磁动势。而且，不同圆柱体之间的连接又增加了伴生应力，在一定程度上 降低了材料特性。

发明专利CN200480009398.X提出了一种适用于轴向磁通电机的整体式定子铁心。这种铁 心同样采用螺旋式卷绕非晶合金薄带构成，生产率较高。与发明专利US5731649不同，该专 利使用水切割等工艺手段在得到的定子铁心上切割出齿槽结构。避免了由于定子拼接带来的 问题。但是，这种结构定子轴向长度依然等于非晶态合金薄带的宽度，且依然用于轴向磁通 结构电机，因此具有和发明专利US5731649相同的问题，即不能实现电机大型化。