专利名称：一种软磁复合材料及相关制造电机中导磁组件的工艺的利记博彩app
技术领域：
本发明属节能、环保的新一代电机材料及零部件制造领域，涉及一种交、直流电机 中采用的新型磁性材料制造方法和相关的电机导磁组件制造工艺，具体来说，采用改性纯 铁粉，添加若干小比例物质，再干粉造粒后，经过模压和热处理、交流充磁后制成软磁复合 材料(SMC)，再用这种软磁复合材料压制成电机中导磁组件。
背景技术：
电机发展趋势是制造流程环境友好、成本低、可回收、功率比体积密度大，以电动 汽车为例由于电池技术、能量管理技术、控制技术的发展，电动汽车技术开始成熟，电动汽 车实现零排放、低噪音优点，获得用户青睐，国家出台了系列政策来支持电动汽车的量产。 在电动汽车的驱动系统中，高功率密度和高效率的驱动方式一直是设计者追求的目标，目 前电动汽车驱动系统没有形成统一模式，从动力空间配制模式来看，有两个不同发展方 向其一是沿着传统的汽车技术演化，驱动电机取代汽油内燃机，采用集中动力方式， 一台高速电机，转速达到每分钟2万转以上，再变速来驱动汽车运动，在相同的额定输出功 率下，高速电机相比低速时体积更小、重量更轻，然而与车轮之间功率传递过程中离合、减 速、差速会带来功率损耗和零部件复杂性。其二是开发大转矩的轮式电机驱动系统，也就是电机集中到车轮里面，整车采用 分散动力模式，例如一种模式是一台约50kw的电机与两台20kw-40kw轮式电机构成时速 约250公里的轿车体系。由于省去了功率传递部分，整车有用空间增大，运行效率提高。美国米其林公司08 年正式推出主动车轮并已用于车商车型中。车轮电机是一个重要方向，目前还看不出哪种方式会成为主流。共同的是，驱动电 机都要高功率密度前提下体积小、发热量低、噪音低。为了设计出这种电机，行业中都采用 复合软磁材料(SMC)来代替传统的硅钢片制造导磁组件，主要是铁芯部件。这种软磁复合 材料要求每单位质量损耗小、密度小、磁化性能好、制造简单、可以复杂构型。由于采用粉末 冶金的压铸工艺代替硅钢片的叠层工艺制造导磁组件，可以更有目的的设计磁场，如使主 极磁场的三次和五次谐波到达一定百分比，增大电机转矩的同时减少电机的重量，其最大 转矩可达550Nm以上，转矩/重量比为llNm/Kg以上。电动车中采用的横向磁场(或称为横向磁通)电机，原理上是永磁同步电机，目前 是电动军舰主驱动电机，正开始用于电动汽车中，其磁场是三维的，磁场利用率高，但是导 磁组件异常复杂，利用软磁复合材料压铸来制造已经成为主要工艺路线。其它电动车中电机，如永磁无刷直流电机、交流感应电机等等，也都面临相同的需 求用高性能的磁性材料来设计导磁组件，满足电动车整车指标。汽车速度变换范围大，电机都是按照市电频率50Hz来设计的，传统的电机设计，降低转速是以提高电机极对数为前提的，比如要将电机额定转速设计在500r/min，以传统 的永磁同步电机的设计为例，电机需要设计成6对极，这使得电机直径变得很大、重量很 重、成本大大增加。随着电力电子技术的发展，变频器和交流伺服驱动器的诞生，电机设计 不再局限于50Hz，人们可以在较少的极对数下将电机设计成低速力矩电机。然而传统硅钢 片制成的电机导磁组件有致命缺陷即工作频率升高后，总损耗中涡流损耗占有很高比例， 涡流损耗是频率二次方函数，导致电机效率严重下降。而软磁复合材料制成导磁组件的总 损耗几乎全是磁滞损耗，磁滞损耗是频率的线性函数，显然，在高频工作时，或者说变频工 作时，保障电机中导磁组件涡流低则更为重要。用本发明材料制成的电机变频调速时相比 硅钢片材料电机性能稳定，表现在电动车高速和低速变速时无冲击、无停滞感觉；负重爬坡 时动力充足。但是软磁复合磁性材料与硅钢片在磁性能对比上有一个大的缺陷，即相比导磁率 要低很多，一般只有硅钢片的十分之一，永磁电机的结构正弥补了这一缺陷，因为在永磁电 机中，永磁体可以看作是有效磁隙，磁路磁导率由有效气隙支配，因此相比硅钢片，复合磁 性材料低的磁导率已经不太重要，电动汽车电机主流是大量采用永磁组件，显然，复合磁性 材料取代硅钢片，用于电动车电机中制造导磁组件，制造的导磁组件克服了硅钢片在叠层 方向和其垂直方向磁性能不同缺陷，具有各向同性、工艺简单、少或者无切削、可复杂成型、 成本路线低。且利于环保，但车用驱动电机也对软磁复合磁性材料的指标和制造工艺提出 了高要求，例如极低的涡流损耗、高的磁导率(或称导磁率)、高的饱和磁通密度、导磁组 件高的横向断裂强度、导磁组件工作频率可到400Hz、低的磁滞损耗等。上述指标取决于复合磁性材料组份和制造工艺，也涉及导磁组件压制工艺。具体来说，首先要选取磁性能好的磁性材料，涉及到铁粉的种类、粒径；其次涉及 到改性的措施，例如磷酸绝缘膜厚度；再其次涉及到压制成导磁组件的工艺，要添加改善复 合磁性材料流动性的助流剂和进行干粉造粒，使得粉体压制的密实度高。因为模具中粉体 传递压力呈指数率递减，一旦粉体流动性不好，则会使得压制密实度低、磁损大。再者就是 热处理工艺，通过一次或者多次热处理才能消除应力和增强力学指标。一些公司和研究者作出了一些研究，例如，专利号CN1^6669A公开了住友公司发 明专利软磁性材料、压粉磁芯、变压器磁芯、电机磁芯、和制备压粉磁芯的方法。其材料配 方采用本发明类似组份，但是没有热处理到400-700度左右的环节，导磁率低。专利号CN101213014A公开了三菱制钢株式会社专利制造绝缘软磁性金属粉末 成型体的方法。用软磁性金属粉末，表面形成无机绝缘膜，再进行热处理方法来压制导磁材 料，该专利部分工艺与本发明类似，没有涉及干粉造粒提升压制导磁组件密实度措施，且烧 结过程中，没有添加增加强度的无机物。其制成的导磁组件横向呈断裂强度偏低。专利号CN1012^807A公开了湖州科达磁电有限公司专利有机/无机复合绝缘包 覆铁粉的软磁复合材料及其制造方法，采用二氧化硅胶体和环氧树脂等分别进行无机硅包 覆和有机包覆，能形成较好的绝缘层，但是没有对热处理工艺进行权利要求和进行描述，事 实上，热处理工艺对磁性参数的稳定和提升非常重要。专利CN101199030A公开了瑞典霍加纳斯股份有限公司专利软磁性复合材料。采 用含软磁性铁或铁基粉末，进行表面磷化处理，形成绝缘层，添加有机属性的、不耐高温且 在高温下会挥发的润滑剂混合均勻后压制成导磁组件，再进行热处理，在热处理工序中采用了蒸汽处理方式来氧化工件表面铁粉，以提高产品的机械强度。该专利前段与本发明相 似，但是添加润滑剂并在热处理中挥发，要不留下空洞是很难控制的，且该专利中没有涉及 交流充磁降低磁损耗、提高导磁率的描述。专利号CN12476^公开了吴羽化学工业株式会社专利软磁性复合材料。其采用 的是镁锌系铁氧体与有机树脂混合工艺制造粉体，由于镁锌系比纯铁粉工作频率高，不适 合低频50Hz电机应用。且有机材料不耐高温，不适合高温下热处理工艺，制成的电机导磁 组件力学指标低。专利号CN1656575A公开了罗博特博施有限公司专利软磁体粉末复合材料、它的 制造方法和应用。介绍了采用纯铁粉，磷化处理包覆绝缘层，再压制成导磁组件和热处理工 艺。但是缺添加增强强度的添加剂工序，也缺压制成导磁部件的工艺中改进密实度而添加 助流剂的措施。类似的专利有专利号CN1910706A，住友电气株式会社专利软磁材料和压粉磁芯及其制备方 法；专利号CN1965379A，住友电气株式会社专利软磁材料、软磁粉末和制备软磁材 料的方法；专利号CN1902719A霍加纳斯股份有限公司专利粉末组合物、制造软磁元件和 软磁复合元件的方法。以上专利中软磁复合材料配方缺少增强强度的烧结添加剂，也没有 涉及干粉造粒工艺环节。专利号CN1461089A公开了夏先斌专利用软磁复合材料制造的电机电器，该专利 采用高达5-13%的绝缘剂来混合纯铁粉，制成的导磁组件导磁率低、饱和磁通密度低。该软 磁复合材料不能用于电动汽车主驱动电机中。其它专利不再列举，上述专利有足够代表性，如上所述，都在采取复合磁性材料或 者工艺来制造电机，以克服硅钢片(或称为矽钢片)材料制作电机回收不方便、功率比体积 密度低、噪音大、变频到高频段工作时候效率低的缺陷。但是所列举的措施，有些在铁粉品 种选取上、有些在改性方法上、在粉体压制密度上、在热处理工艺上有缺陷，使得复合磁性 材料制成的电机无法达到商用的性价比。
发明内容
本发明要解决的问题本发明的目的之一开发出低涡流损耗、高导磁率的复合磁性材料，并独创和完善 诸多工艺来减少制成的导磁组件的涡流损耗，提高磁导率，适应电动汽车对电机的诸于三 维磁场、复杂导磁结构、高的磁性能的需求。代替传统的硅钢片，使得电动汽车电机体积小、 功率密度高、重量轻、可靠性高、回收环保、性价比高。本发明的目的之二 不得在降低磁性能前提下，解决复合磁性材料导磁组件用于 高性能电机，例如电动车电机中，遇到的横向断裂强度不足的问题。解决问题的方法为实现上述目的，本发明采取如下措施措施一选好铁粉并做好包覆，满足磁性能指标。电机导磁组件磁感应强度高、最大相对导磁率高、磁滞损耗低、矫顽力低。要达到 这些指标，涉及到铁粉选型、包覆、配制压制复合粉体诸多环节工艺参数的优化。本发明
其一是采用高纯度材料。市售的铁粉有还原铁粉、雾化铁粉、羰基铁粉、硅铁粉等 品种。还原铁粉铁含量在98. 5%以下，硅铁粉含铁量在75%以下，两种铁粉含杂质多， 影响磁性能，而雾化铁粉，其铁含量在98. 5%以上，杂质少，适合本发明采用。羰基铁粉适合 用于频率在IKhz电器中，不适合用于本发明领域。其二是选好铁粉合适的形貌和粒度。铁粉粒度在60-250目适合用于本发明。颗 粒状态近似球形，长棒状最优，因为压制的密度相比球形的要大，具有良好的可压缩性能和 小的气隙。其三是添加绝缘剂来降低涡流损耗。降低复合磁性材料制成的导磁组件涡流损耗 的公知的方法是在纯铁粉颗粒之间引入绝缘层。绝缘层采用无机磷酸盐来初始包覆纯雾化 铁粉，具有抗高密度压制、抗高温的特点。为了防止压铸和烧结过程中一些铁粉有不规则的 突起部分刺破绝缘层，再加入纳米氧化铝、纳米氧化镁粉体，优选纳米氧化铝来作绝缘添加 剂。其四是改善粉体的流动性，首先在复合组份中添加助流剂，其次通过干粉造粒，使 得待压制的复合磁性材料松装密度高、流动性好，在压制成型过程中密实度高、磁损低。经过以上多种减少涡流损耗的工序，使得制成的导磁组件涡流损耗低。措施二 成型时交流充磁保障磁性能复合磁性材料制成的导磁组件，需要采用压制来保障磁性能指标。具体来说，磁导 率与成型压力有很大关系，压制密度越大则磁导率越高，但是实验表明，磷酸化包覆的颗粒 之间有弹性，一味增强压力，密度并不能同步增加。一种措施是采用良好润滑剂，使得压制 时颗粒之间摩擦小，应力低。但是助流剂的加入，使得绝缘层变厚，绝缘层象气隙一样，也会 降低磁导率，本发明除采用助流剂外，还在压制的模具中增加交流充磁机给压制件强迫充 磁的工艺来降低位错。具体来说，采用强的交变磁场，频率是50hz-1000hz之间。一边加交 变磁场一边在模具中缓慢增加压力。交变磁场下，材料内部颗粒之间自动调整位错和部分消除了应力。措施三提升力学性能和热处理改进磁性能本发明为了适应电动汽车高转矩、频繁启动等力学要求，导磁组件的横向断裂强 度至少要到200Mpa以上，为此，在复合磁性材料的配方中添加了耐高温粘接剂或者称为烧 结剂，例如可由满足粘接强度的低熔点无机粉体或者满足粘接强度的其它耐高温的无机粘 接剂组成，可以极大增强力学性能。压制到高密度时虽提高了磁导率，但是也增加了位错和应力，虽然在前述工艺中 有交流充磁工序，但是不能完全消除应力和位错，公知的措施是压制件进行热处理。热处理 工序可以在压制导磁组件过程中，在模具中加入，即保温压制，也可以压制完毕后再移出模 具处理，为了提升工作效率，少占用压机时间，优选采用移出模具再热处理模式。可梯度升 温来热处理；另一种选择是热等静压处理导磁组件。本发明效果如上述，根据本发明，可以提供具有需要的磁性性能的软磁复合材料和用之制造 导磁组件，用于电动汽车驱动电机中和家用、工业电机中。
本发明的目的、特点、优点，从下面参考附图所作的描述中，将变得更为明显，附图中图1是本发明复合磁性材料压制的导磁组件内部磁性颗粒和绝缘物等剖面示意图，其 中1-1表示纯铁粉；1-2表示包覆层由磷酸铁等无机物构成的复合绝缘层。图2是本发明实施实例二电动车一种轮式或称轮胎轴向磁场电机的导磁组件；2-1表示汽车轴；2-2表示轮胎；2-3表示转子；2-4表示车架；2-5表示定子；2-6表示永磁体。图3是本发明实施实例三电动车一种轮式或称轮胎径向磁场电机的导磁组件；3-1表示轮胎外胎；3-2表示安装盘；3-3表示电机；3-4表示内嵌入永磁体的电机转子；3-5表示电机定子。图4是本发明实施实例四中交流电机定子示意图下面再结合优选的实施实例来进一步讲述本发明其它特点和优点，或者从该以下 详细说明中明白本发明的其它特点和优点。下面参考附图，描述本发明优选实施例。
具体实施例方式实施实例一复合磁性材料的制造和压制成导磁组件(1)选取粒度为100目的雾化铁粉，选用磷酸，浓度为85%，密度为1. 69克/毫 升；无水乙醇浓度不小于99. 7%，密度为0. 79克/毫升；将铁粉与包覆液(磷酸与乙醇混 合物)照一定比例混合均勻，在60度水浴中充分搅拌，使其反应。然后在90度下烘干1小 时，除去乙醇，得到干燥的改性铁粉。改变磷酸与铁粉的质量比可以得到包覆厚度不同的改 性铁粉。(2)改性铁粉与无机粘接剂、纳米氧化铝、气相法二氧化硅粉体，照质量百分比 96 3 0.5 0.5均与混合，再加入5%造粒助剂搅拌均勻后干粉造粒成颗粒状，再干燥 成待压制的复合磁性材料。(3)以上制成的复合磁性材料加入模腔内，模具中喷涂润滑剂加压，压力逐步提升 到20吨/每平方厘米。并在压机模具中安装交流充磁装置，交流充磁的方向视导磁组件使 用的磁场方向定，充磁的频率50hz-1000hz，充磁能量可调。压力提升的同时开始充磁。(4)压力到10-20吨/每平方厘米后，移除模具到炉中加热退火，退火温度200度 左右，时间约30分钟，之后再在非保护气体下，在热处理炉中700度内热处理，30分钟不等。(5)制成的导磁组件，微观形貌见附图1所示图1-1表示纯铁粉；图1-2表示包覆层由磷酸铁、纳米氧化铝、气相法二氧化硅、无机粘接剂构成的复合绝缘物组成。(6)上述步骤制成的导磁组件，导磁率在IOOkhz内不变，有效导磁率500以上。横 向断裂强度200Mpa以上，事实上，可以通过调整无机粘接剂添加量来调整导磁组件横向断 裂强度，适应不同的电机要求。实施实例二电动车一种轮式或称轮胎轴向磁场电机的导磁组件；轴向磁场电机结构紧凑、高转矩密度，非常适合与轮胎一体化设计，形成轮胎电 机，常设计成轴向永磁无刷直流电机。附图2是用本发明制造的这种轮胎电机中导磁组件 示意图，其2-1表示汽车轴；2-2表示轮胎；2-3表示双转子；2-4表示车架；2_5表示定子； 2-6表示永磁体。其中转子磁芯用本发明复合磁性材料制成导磁组件。此款电机属于轮边 电机，也是电动汽车车轮电机的一种。实施实例三电动车一种轮式或称轮胎径向磁场电机的导磁组件
本发明用于设计永磁径向磁通轮式电机，结构见附图3所示是一种外转子式轮式 电机，其原理与永磁无刷直流电机基本相同。采用本发明材料制造内定子磁芯，其上绕线成 定子(其3-5)，转子(3-4)上嵌入永磁体，转子通过安装盘(3-2)与车轮(3-1)相连，用本 发明制造的轮式电机功率在20Kw以上。实施实例四一种交流电机定子选用本发明材料照上述发明实例一工艺制成附图4所示之交流电机定子，其具有 如下特征(1)冷却性能优良硅钢片叠成是二维散热架构，本发明的导磁组件是三维散热结构。(2)低的损耗工作频率也可以高于50Hz，正是本发明材料优势地方频率高后，涡流损耗不增 力口。而硅钢片是按照平方率增加。(3)回收环保采用压制的方法可以压碎定子组件，不像硅钢片经过环氧树脂浸渍制成的定子回 收不便。(4)功率比体积率高、性价比高采用本发明的电机轴向长度较硅钢片定子电机减小了 20%，并节省了 5%铜线。以上根据本发明的不同实施实例作了说明和论述，然而本发明不特别受限于这些 实施例，任何熟悉了该项技术者在本发明领域内，作出的制造工艺微调和配方的修饰，皆涵 盖在本发明的专利范围内。
权利要求
1.本发明涉及一种软磁复合材料组份和制造方法及制成的导磁组件成型工艺，其特征 是选用一定粒径和纯度的软磁材料经过化学处理，再配制小比例的其余成份制成待压制的 软磁复合材料，电机中导磁组件用本发明之待压制的软磁复合材料经一定压制工艺制成， 可取代和部分取代电机中采用的传统的硅钢片(或称为矽钢片，以下同)的导磁组件，具体 包含如下流程和工艺参数步骤一待压制的软磁复合材料的配制；其复合组份由改性纯铁粉、粘接剂、绝缘剂、抗氧剂、助流剂(或称为润滑剂、分散剂， 以下同)组成，照重量百分比计，改性纯铁粉占92% -99%，其余组 份占8% -1%，其中 粘接剂占总重量7% -1% ； 绝缘剂占总重量0. 1% -1% ； 抗氧剂(或称为稳定剂)占总重量0. 01% -1% ； 助流剂占总重量0.01% -5% ； 以上复合成份总和均需满足100% ；按照比例称量以上物质，纯铁粉先经过化学改性成为改性纯铁粉，再添加粘接剂、绝缘 剂、抗氧剂、助流剂构成复合组份，再混合2-8%造粒助剂，混合均勻后干粉造粒成颗粒状， 干燥后制成待压制的复合磁性材料。步骤二 采用上述所述步骤一制成的待压制的软磁复合材料粉体在模具内加压压制成 导磁组件；步骤三导磁组件热处理和表面处理制成电机中可用的成品。
2.如权利要求1所述，改性纯铁粉是采用磷酸盐膜包覆的粉状铁粉。铁粉中铁元素纯 度98%以上，粒径60-210目，铁粉形貌扁平状更佳，经过磷酸处理，纯铁粉被一层磷酸铁包 覆，包覆厚度为0. 01微米-1微米。
3.如权利要求1所述之助流剂，选用10微米以下的无机粉末，如气相法氧化铝、二氧化 钛、高岭土、滑石粉、云母粉等。用于减少改性铁粉颗粒之间的团聚，增强粉体流动性。
4.如权利要求1所述，复合组份中烧结绝缘剂是纳米氧化铝粉或者纳米氧化镁粉。烧 结添加剂指低熔点无机物，或者其它保障粘接力学性能的耐高温粘接剂。
5.如权利要求1所述，造粒助剂是一种乳液，优选乙烯、环氧乙烷和水用乳化方法所制 成的一种均勻乳化液，无毒。
6.如权利要求1所述，导磁组件为电机磁芯、线圈骨架、电机铁轭、电机铁粉芯、电机铁 芯等传统硅钢片制成的电机中部件。
7.如权利要求6所述，导磁组件采用如下方式制造首先采用本发明待压制的软磁复 合材料在模具中压制成型，其次再进行梯度升温热处理在高于铁粉居里温度，但低于破坏绝缘膜的临界温度的高温下，在非氧化气氛中，例如 真空或惰性气氛中热处理(又称为退火，以下同)温度为200度-500度之间，时间10分钟 以上；然后在300度-800度温度下，在氧化性气氛如空气中再次热处理，时间10分钟以上。
8.如权利要求7所述，退火期间，装配导磁组件的模具具有交流充磁设备，充磁频率为 50Hz-1000Hz，充磁能量可调。
9.如权利要求6所述，导磁组件模压压力不低于500-800Mpa，采用静压或者保温静压方式进行；也可采用热等静压后期处理。
10.如权利要求6所述导磁组件，指电机中传统用硅钢片制作的定子和转子组件，用于 电动车主驱动电机中，如车胎电机或者其它名称主动轮胎电机、轮胎电机、轮内电机、轮外 电机、轮边电机、电动汽车牵引电机等等，也可用于家用和工业电机中。
全文摘要
本发明涉及一种复合软磁材料制造方法和用之制造新一代交、直流节能、环保型电机中的导磁组件的工艺。步骤为其一选用雾化铁粉化学改性表面形成绝缘层；其二均匀混合绝缘剂和耐高温无机粘接剂、助流剂、造粒助剂后干粉造粒、烘干成待压制的复合磁性材料；其三上述待压制的复合磁性材料在有交流充磁的模具中压制成导磁组件，再梯度热处理；本发明之材料制成的导磁组件横向断裂强度高、导磁率和损耗等磁性指标符合高性能的诸于电动车等驱动电机要求，可以代替硅片钢片制造电机中导磁组件。
文档编号H02K15/00GK102130543SQ20101004442
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者周红卫 申请人:周红卫