轴向磁场电机用非晶、纳米晶定子铁芯的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机的磁路零部件领域，具体涉及一种轴向磁场电机用非晶、纳米晶 合金定子铁芯的制造方法，该种定子铁芯尤其适合应用于要求高效节能的高频轴向磁场电 动机或者发电机。
【背景技术】
[0002] 电机高频化可以带来高转速、高功率密度和高转矩密度等优势，目前已经成为电 机的发展趋势。电动汽车、高速机床、高速风机、高速水栗等众多高端应用领域，不仅要求电 机具有高效率，还要求电机向高频化、小型化发展，所以必须提高电机频率。然而，传统电机 的硅钢铁芯随着频率的升高铁损迅速增加，严重降低电机效率、甚至由于发热严重导致无 法正常工作。非晶、纳米晶合金软磁材料具有低损耗、高磁导率等特性，有望替代硅钢材料 应用于尚频电机定子铁芯，进而大幅度提尚尚频电机性能。
[0003] 非晶、纳米晶合金带材一般是具有恒定宽度、长度方向连续的薄带材料，方便卷绕 成型;而且，轴向磁场铁芯的槽型结构简单便于加工。所以，非晶、纳米晶合金带材应用于轴 向磁场电机定子铁芯更具优势。
[0004] 1998年，美国LE公司的专利US005731649A尝试了使用卷绕后浸漆固化成型的非晶 块体组合成电机定子铁芯，由于直接使用卷绕的非晶圆柱作为定子铁芯的齿部，铁芯内部 的涡旋电流构成环路，导致铁损较大。
[0005] 2006年，LE公司在专利US7018498B2中公开了一种首先使用浸漆后固化成型的方 法制作出环形非晶合金铁芯，接着在一个端面铣削轴向凹槽制作非晶合金定子铁芯的方 法。由于对卷绕得到的非晶纳米晶环形铁芯进行浸漆，尤其轴向长度较大时，很难将树脂完 全浸入到非晶、纳米晶环形铁芯的层间缝隙，造成铁芯层间绝缘效果不佳、粘接强度不够， 切槽时容易碎裂，影响性能和成品率;为了使树脂较充分的浸入铁芯的层间缝隙，卷绕铁芯 时叠片系数一般较低，只能控制在〇. 75~0.85，影响电机的功率密度。该发明凹槽加工采用 与槽等宽的刀具直接铣削开槽，切削量很大，加工效率低;而且铣削刀具外圆周端是齿状结 构，由于非晶、纳米晶铁芯较脆，切面光洁度难于保障，影响性能。
[0006] 2010年，日本株式会社的专利CN101741153A中也公开了一种轴向磁场电机用非晶 合金定子铁芯的制作方法，首先使用浸漆后固化成型的方法制作出环形非晶合金铁芯，接 着沿轴向切割成多个形状和大小完全相同的棒状非晶块，再使用圆盘状铁芯保持部件将这 些棒状非晶块组合成定子铁芯。该方法制作非晶合金定子铁芯时也是先卷绕后浸漆固化成 型，同样存在高叠片系数下树脂难以完全浸透，影响绝缘效果和粘结强度的问题。所以，卷 绕环形铁芯后浸漆固化的方法很难以制作高叠片系数的轴向磁场非晶定子铁芯，尤其是轴 向长度较大的两端面具有凹槽结构的非晶、纳米晶定子铁芯。
[0007] 综上所述，现有轴向磁场非晶合金电机铁芯的制作均采用卷绕后浸漆固化成型再 切割凹槽的方法。该方法制作轴向磁场非晶、纳米晶铁芯，为了保证铁芯内部非晶或纳米晶 带材之间的缝隙能够较充分的被树脂浸透，叠片系数一般在0.80左右，影响工件的功率密 度。如果提高叠片系数，尤其对于轴向长度较大的铁芯，将无法保证铁芯内部带材缝隙的充 分浸漆，将造成层间绝缘不佳、粘结强度不够，影响铁芯性能和切割成品率。而且，对于开宽 度较大的凹槽的铁芯，采用与槽等宽刀具的切削量很大、加工效率低。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明提供了一种轴向磁场电机用非晶、 纳米晶定子铁芯的制造方法。该方法边在非晶或者纳米晶带材表面浸涂粘结剂边卷绕以在 卷绕后的环形铁芯中即含有粘结剂，固化成型后再采用钻孔和切缝相结合的方法加工凹槽 从而制造出高性能轴向磁场电机用非晶、纳米晶合金定子铁芯。该方法制造的非晶、纳米晶 合金定子铁芯不仅铁芯软磁性能优异，而且加工效率大幅度提高，更适合大规模生产。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0010] -种轴向磁场电机用非晶、纳米晶合金定子铁芯的制造方法，所述铁芯是由非晶 或者纳米晶合金带材卷绕多层而成的圆环体，所述圆环体的上和/或下端面上均匀分布有 多个凹槽，形成所述圆环体的相邻非晶或者纳米晶合金带材层之间附有粘结剂层，所述铁 芯的制造方法包括如下步骤：
[0011] 卷绕环形件步骤，使用宽度与成品定子铁芯的轴向长度相同的非晶或者纳米晶合 金带材，将所述合金带材进行卷绕以形成具有预定内径和外径的环形件，其中，在卷绕的过 程中，同步地在卷绕前的所述合金带材的表面上浸涂一层粘结剂，以使卷绕后的相邻各层 非晶或纳米晶带材粘结在一起形成所述环形件；
[0012] 固化处理步骤，将所述环形件进行固化处理，从而得到固化成型的环形件；
[0013] 凹槽的切割步骤，在所述固化成型的环形件的上和/或下端面上均匀切割多个凹 槽，从而得到具有凹槽结构的圆环体型铁芯；
[0014] 退火步骤，对所述具有凹槽结构的圆环体型铁芯进行退火处理，从而得到成品轴 向磁场电机用非晶、纳米晶合金定子铁芯。
[0015] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述非晶或者纳米晶合金带材的材 质选自铁基合金、铁镍基合金或钴基合金;优选地，所述粘结剂是有机粘结剂或者无机粘结 剂;更优选地，所述有机粘结剂为有机硅类胶、酚醛树脂胶、脲醛树脂胶、耐温环氧胶、聚酰 亚胺胶，所述无机粘结剂为TW系列、SL系列或ZS系列的无机粘结剂。
[0016] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述卷绕环形件步骤中，所述合金 带材的表面上浸涂的粘结剂的厚度是通过如下方法控制的:将在浸涂装置浸涂完粘结剂的 合金带材穿过设置于所述浸涂装置出口处且相对设置的两片刮漆片之间的间隙，从而将合 金带材表面上多余的粘结剂刮掉;更优选地，所述粘结剂层的厚度为1 -3μηι。
[0017] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述卷绕环形件步骤中，通过提高 卷绕时带材上的张力以及降低所述合金带材表面形成的粘结剂层厚度来提高所述成品电 机定子铁芯的叠片系数，所述叠片系数为〇. 85-0.95。
[0018] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述凹槽的切割步骤中，切割后的 位于同一端面上的多个所述凹槽的水平中心线均与所述定子铁芯的中心轴线垂直相交于 同一点；更优选地，当所述圆环体的上和下端面均分布有凹槽时，位于所述上端面的凹槽的 竖直中心线与相应下端面的凹槽的竖直中心线重合，并且上和下端面的所述凹槽的宽度和 深度均相等。
[0019] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述凹槽的切割步骤中，每个所述 凹槽的切割方法采用如下两种方式中的一种，第一种切割方式:钻孔步骤，使用钻孔刀具在 所述环形件的外周壁上以距离待开槽端面垂直距离为a-b/2的位置为中心沿所述环形件的 直径方向向所述环形件的内周壁钻一个直径等于b的通孔，其中，a为所述凹槽的深度，b为 所述凹槽的宽度;窄缝切割步骤，使用由双薄片切割刀具自所述通孔垂直对应的待开槽端 面位置向所述通孔方向切割，一直切割到与所述通孔相通，从而开出一条宽度为b、深度为a 且底部为半圆形的U型凹槽;第二种切割方式：窄缝切割步骤，使用由双薄片切割刀具自待 开槽端面位置沿竖直方向向所述环形件内部切割至距离所述待开槽端面垂直距离为a-b/2 的位置，以开出深度为a-b/2、宽度为单薄片厚度的两条窄缝，其中，a为所述凹槽的深度，b 为所述凹槽的宽度，双薄片切割刀具的总厚度等于所述凹槽的宽度b;钻孔步骤，使用钻孔 刀具在外周壁上以所述两条窄缝底部连线的中点为中心沿所述环形件的直径方向向所述 环形件的内周壁钻一个直径等于b的通孔，从而开出一条宽度为b、深度为a且底部为半圆形 的U型凹槽;更优选地，所述凹槽的宽度b 2 3mm;进一步地，所述钻孔刀具在钻孔割时的转速 为3000-30000转/分钟，所述双薄片切割刀具在切割时的转速为1000-30000转/分钟。
[0020] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，每个所述凹槽的切割方法中的任何 一种方式均还包括如下步骤:修磨步骤，使用厚度与所述凹槽宽度b相等的厚片修磨刀具对 所述底部为半圆形的U型凹槽进行修磨，从而得到一条宽度为b、深度为a的矩形截面凹槽； 更优选地，所述厚片修磨刀具在修磨时的转速为10000-30000转/分钟，所述钻孔刀具、所述 双薄片切割刀具和所述厚片修磨刀具工作时均在冷却液的保护下进行;进一步地，所述冷 却液为油基冷却液或水基冷却液。
[0021] 在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述钻孔刀具是材质为高速工具钢 或者硬质合金的钻孔刀具，或者是镶嵌有材质为SiC、立方BN、金刚石、刚玉或者硬质陶瓷刀 头的复合钻孔刀具。
[0022]在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述双薄片切割刀具由两个半径和 厚度相同的圆形薄切割片、夹在两个所述薄切割片之间的具有一定厚度的中间圆隔板以及 贯穿两个所述薄切割片和所述中间隔板中心的轴组成，两个所述薄切割片和所述中间隔板 的厚度之和等于所述凹槽的宽度b，所述薄切割片的半径R 4减去所述中间圆形隔板的半径R3 大于所述凹槽的深度a;更优选地，所述薄切割片的厚度为0.5-1.5mm，材质为SiC、立方BN、 金刚石、刚玉或者硬质陶瓷。
[0023]在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述固化处理步骤中，所述固化处 理的温度为90_300°C，固化时间为0.5-5小时;更优选地，所述退火处理是在氮气、惰性气体 或者氢气的保护气氛下进行;进一步，所述退火处理的温度为300_600°C，保温时间为0.5-5.0小时。
[0024]根据本发明方法制造的轴向磁场电机用非晶、纳米晶定子铁芯具有高叠片系数和 低铁芯损耗，适合应用于频率在400Hz以上的高频电机，而且频率越高，电机节能效果越显 著。当频率高