[发明专利]低铁损的整体非晶态金属磁性部件、其制备方法和含有它的电动机

说明书

本申请是一项发明专利申请的分案申请，其母案的申请日为2004年1月16日、申请号为200480009398.X (PCT/US2004/001211)、发明名称为“用于电动机的低铁损非晶态金属磁性部件”。

技术领域

本发明涉及非晶态金属磁性部件，更特别地，涉及具有普通多面体形状、低铁损、整体非晶态金属磁性部件的高效电动机。

背景技术

电动机一般包含由大量非取向硅钢的层叠叠片制成的磁性部件。在可变磁阻电动机和涡流电动机中，定子由层叠叠片制成。在鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机中，定子和转子都由层叠叠片制成。一般通过将机械软的、非取向硅钢冲压、冲孔或切割成所需的形状来形成每个叠片。形成的叠片然后被层叠并捆绑形成具有所需几何形状并有足够机械完整性以在电动机生产和运行过程中保持它们构造的转子或定子。

机器中的定子和转子被小的间隙隔开并隔开一定距离，其中间隙为：（i）径向的，即通常垂直于转子旋转的轴，或（ii）轴向的，即通常平行于旋转轴。在电磁电机中，磁通线通过穿越间隙连接转子和定子。电磁电机因此可被广泛地分别分成径向或轴向磁通设计。相应的术语径向和轴向间隙设计也用于电动机领域。径向磁通电机是目前最为常见的。上述冲孔和层叠方法广泛用于构造径向磁通电机的转子和定子。

尽管与非取向硅钢相比，非晶态金属能提供优良的磁性能，但它们由于一些物理性质和随后的制造障碍而长期被认为不适用于整体磁性部件如电动机的转子和定子。例如，非晶态金属比非取向钢薄和硬，因此导致制造工具和冲模磨损更快。产生的加工和制造成本的增加使使用这种常规技术如冲孔和冲压制造整体非晶态金属磁性部件在商业上不切实际。非晶态金属的薄度也转变成组装部件中叠片数量的增加，进一步增加了非晶态金属转子或定子磁组件的总成本。

非晶态金属一般以具有均匀带宽度的薄连续带形式提供。但是，非晶态金属是非常硬的材料，这使它非常难于容易地切割或成形。一旦被退火达到峰值磁性能，非晶态金属带就变得非常脆。这使得使用常规途径构造整体非晶态金属磁性部件困难和昂贵。非晶态金属带的脆性也导致对整体磁性部件在应用如电动机中的耐久性的关注。

磁性定子受到极其高的磁力，该磁力在高旋转速度需要的频率下变化迅速。这些磁力能对定子材料施加相当大的应力，并可破坏非晶态金属磁性定子。转子还受到由正常旋转和在机器通电或断电和负载变化可能急剧时旋转加速引起的机械力。

已提出了数量有限的非常规途径用于构造非晶态金属部件。例如，Frischmann的美国专利4197146公开了用成型和压实的非晶态金属薄片制造的定子。尽管这种方法允许形成复杂的定子形状，但结构在离散的非晶态金属薄片颗粒之间包含大量气隙。这种结构大大增加了磁路的磁阻和相应的运行电动机所需要的电流。

德国专利DE2805435和DE2805438教导的方法将定子分成绕线片和极靴。非磁性材料被插入到绕线片和极靴之间的连接处，增加了有效间隙，并相应提高了磁路的磁阻和运行电动机所需要的电流。包括极靴的材料层被定向使得它们的面垂直于回绕铁片中层的面。这种构造还增加了定子的磁阻，因为绕线片和极靴的相邻层只在它们各自面之间的结合点处会合，而不是沿整个线段。另外，这种方法教导绕线片中的叠片通过焊接彼此连接。使用热强化过程如焊接连接非晶态金属叠片将使非晶态金属在结合处和附近再结晶。甚至再结晶非晶态金属的小段通常都增加定子中的磁损至不可接受的水平。

与使用铁磁非晶态金属有关的另一困难起因于磁致伸缩现象。任何磁致伸缩材料的某些磁性都响应施加的机械应力变化。例如，当包含非晶态材料的部件受到应力时，部件的磁导率一般降低，铁损增加。非晶态金属器件由于磁致伸缩现象引起的软磁性下降可由以下源的任意联合产生的应力引起，包括：（i）电动机运行过程中的磁力和机械力；（ii）由机械夹紧或以其它方式固定整体非晶态金属磁性部件在适当位置引起的机械应力；或（iii）由热膨胀和/或非晶态金属材料磁饱和产生的膨胀引起的内部应力。当非晶态金属磁性定子受到应力时，其引导或集中磁通的效率就降低，产生较高的磁损，效率降低，热产生增加和功率降低。这种降低的程度可相当大，取决于具体的非晶态金属材料和应力的实际强度，如美国专利5731649所示。铁损的降低经常表达为破坏因子，即所得器件实际表现的铁损和在无应力的实验室条件下测得的组成材料的固有铁损的比。