[發明專利]一種具有非晶態合金鐵心的橫向磁場電機

無效

• 申請號: 201010121452.7
• 申請日: 2010-03-10
• 公開（公告）號: CN101795024A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 范濤;溫旭輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02K1/02
• 分類號: H02K1/02;H02K1/14;H02K1/18;H02K21/12;H02K21/24;H02K15/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種具有非晶態合金材質的部件，諸如定子或者轉子的電機，更具體的涉及 一種高效率、低鐵損耗的橫向磁場結構電機。

背景技術

非晶態合金是一種誕生于20世紀70年代的新型軟磁材料。大致具有用分子式A_70-85B_5-20C_0-20所表達的成分。下標表示不同元素所占百分比，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表示硅、鋁和鍺中至少一種。這種材料與傳統硅鋼片材料相比 具有多方面的優勢，最為重要的是具有非常低的鐵心損耗。特別是當磁場交變頻率很高，諸 如0.5kHz～20kHz時，這種低損耗的特征更加明顯。因此，這種材料非常適合制造具有高效 率、高速運行和緊湊體積要求的電機。在本文中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。在上述優異性能以外，這種材料硬度極高，是 硅鋼片3倍～5倍左右；直接使用常規沖壓工藝加工非晶合金材料將會極速的消耗沖模，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，是一般硅鋼片的1/10 左右；如果仿照硅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 得的疊壓系數也很低。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征的加 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。此外，非晶態合金材料性能受應力影響比較明顯，任何不當的連接、固定、裝 配和再加工都會產生額外的應力，導致非晶合金制成的結構件性能下降。正是由于上述幾方 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于傳統徑向 磁場結構電機。

為了解決上述問題，不同形式的電機或者電機組件被提出，以適應非晶合金材料特殊的 機械性能。在發明專利CN101286676A，US5731649和CN200480009398.X都從不同角度闡述 了應用非晶合金材料進行電機制造的方案。CN101286676A中公開了一種制造用于高速電機的 非晶態合金定子鐵心的方法。包括非晶合金薄帶切割、軸向疊片成型、整體退火、粘接固化、 齒槽切割等幾個工序。所得定子鐵心經過退火、施加絕緣鍍層等工藝過程保證了材料低鐵損 耗的特性。同時，由于非晶合金材料在沿鐵心軸向方向疊壓而成，非常適合于傳統徑向磁場 結構電機。但是由于使用軸向方向逐一疊放非晶薄帶的方式制造鐵心，不能避免加工時間長、 成本高和疊壓系數低的問題。

發明專利US5731649提出了一種卷制非晶合金薄帶制造定子鐵心的方式。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。為了阻擋交流磁場產生的渦流，這種形式的鐵心不能應用于 徑向磁通結構的電機，而只能應用于軸向磁通電機。由于使用螺旋式卷繞的方式制造鐵心， 與軸向逐一疊片的方式相比生產率大大提升，疊壓系數也在一定程度上提高。而且，該發明 專利中所提出的定子鐵心不需要任何后續加工工序以切割出電機常用的齒槽結構，避免了由 再加工可能導致的重結晶和附加應力等潛在問題。但是，這種結構電機定子鐵心軸向長度等 于非晶合金薄帶的寬度。由于材料制備能力所限，非晶合金薄帶寬度一般最大在50mm～100mm 之間。本領域技術人員都應了解，在軸向磁通電機中，定子鐵心軸向長度決定了電機軛部高 度，而為了防止鐵心進入飽和狀態，增加所需激磁電流，電機齒部寬度要與軛部高度相匹配。 因此有限寬度的非晶合金薄帶限制了這種結構電機軸向和徑向方向的尺寸，使得電機不能實 現大型化。與此同時，由于存在當做齒的圓柱體和當做軛的圓柱體之間的連接，連接處存在 附加氣隙，浪費了磁動勢。而且，不同圓柱體之間的連接又增加了伴生應力，在一定程度上 降低了材料特性。

發明專利CN200480009398.X提出了一種適用于軸向磁通電機的整體式定子鐵心。這種鐵 心同樣采用螺旋式卷繞非晶合金薄帶構成，生產率較高。與發明專利US5731649不同，該專 利使用水切割等工藝手段在得到的定子鐵心上切割出齒槽結構。避免了由于定子拼接帶來的 問題。但是，這種結構定子軸向長度依然等于非晶態合金薄帶的寬度，且依然用于軸向磁通 結構電機，因此具有和發明專利US5731649相同的問題，即不能實現電機大型化。