一种电机铁芯用硅钢-非晶复合材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及电机磁路零部件技术领域，提供一种电机铁芯用硅钢

【技术实现步骤摘要】
一种电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及电机磁路零部件
，尤其涉及一种电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料及其制备和应用。

技术介绍

[0002]软磁材料是指具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。该种材料可以迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度，也容易受外加磁场磁化，又容易退磁，是牵引电机中的关键结构和功能材料，主要是用于制造牵引电机的定子铁芯和转子铁芯部件，让电机磁通传输更快、电磁结构更为紧密，降低定子铁芯和转子铁芯的能量损耗。
[0003]目前已获应用的软磁材料主要包括硅钢、坡莫合金、铁铝系合金、软磁铁氧体、铁基非晶合金、纳米晶软磁合金和软磁复合材料等。其中，软磁材料目前电机中应用到的软磁材料主要以硅钢为主，硅钢通常也称电工钢，是指碳含量在0.02％以下，硅含量在1.5～4.5％的铁硅合金，硅的加入使合金形成了铁硅固溶体，提高了电阻率，减少了涡流损耗，同时也降低了磁滞损耗，在弱磁和中等磁场条件下的磁导率增加；无取向硅钢片饱和磁密高、机械强度高，被广泛应用于各类电机铁芯，包括电机定子和转子部件。
[0004]非晶合金是一种新型的软磁合金材料，不存在晶界和位错，不存在阻碍畴壁运动的障碍物，与电工钢相比，具备磁导率高、矫顽力小、电阻率高、厚度薄、耐腐蚀和力学性能优良的优势，这使其制成电机铁芯后，在高频下工作时涡流损耗以及磁滞损耗都很低，所以损失的能量很低，只有硅钢片的10％甚至更低，极大的提高了电机效率，具有广阔的应用前景；由于非晶合金在降低铁损方面的优势，为高效电机的制造者提供了一种新的材料体系。
[0005]对于软磁材料，需要兼顾高饱和磁感应强度和低铁损的软磁铁芯材料，饱和磁感应强度和饱和磁密的提高有利于提高电流密度，降低材料重量，达到高转矩的性能要求；低铁损有利于提高电机效率，改善电机的散热和冷却系统的设计要求。当前存在将硅钢和非晶制成复合材料以期实现二者优势互补的技术方案，但效果并不显著，比如专利申请CN106602754A中使用无取向硅钢带材和非晶软磁薄带复合，虽然可在一定程度上使得制造的非晶
‑
硅钢复合定子铁芯具有低损耗、高饱和磁感应强度的特点，但因其本质上是将硅钢和非晶两种材料进行机械的叠压，且非晶材料的厚度为0.02～0.05mm，这并不利于该材料在电机中应用，随着非晶层的含量增加，复合体的机械强度降低，不能满足电机铁芯的强度要求，而且机械混合结构设计的硅钢
‑
非晶复合体会限制电机的应用领域，特别是，在中低频电机非晶层发挥不出低铁损的优势；又如专利申请CN1856847A中制得的由高分子化合物层和磁性金属薄板构成的磁性基材的层压体，也是属于机械叠压的加工方式，且中间层为树脂，利用热压的方式进行压制复合，这使得该方法在具体实施的时候可能会存在非晶材料在热压过程中会产生晶化现象，导致磁性能衰退甚至失效，发挥不出非晶材料的性能优势的问题。
[0006]因此，研究一种能尽可能发挥硅钢和非晶材料优势而具备高机械强度、低中高频状态下均达到低铁损和高饱和磁感应强度的电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料具有十分重要
的意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料及其制备和应用，用以解决现有技术中电机铁芯用软磁材料性能不佳的缺陷，通过磁控溅射工艺将硅钢和非晶材料结合实现电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备且充分发挥二者优势互补的作用，制得的硅钢
‑
非晶复合材料兼具硅钢的高饱和磁感强度和非晶层的低铁损特性，可以有效降低铁芯的涡流损耗和磁滞损耗，提高电机效率，且该复合材料的机械性能好，二者的结合强度和稳定性高，非常适用于电机铁芯。
[0008]具体地，本专利技术提供一种电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备方法，包括：采用Fe
70～90
Si
5～12
B
8～15
系列靶材在预处理后的硅钢片表面进行磁控溅射得表面含有100～1000nm厚非晶层的硅钢非晶复合材料。
[0009]将硅钢和非晶材料进行结合时，能够选择的加工方式多种多样，本专利技术通过对硅钢
‑
非晶复合材料的深入研究发现，硅钢
‑
非晶复合材料的性能好坏，很大程度上受加工方式及其形成的结构所影响，如目前常采用的机械压制的加工手段，对非晶材料的厚度、机械强度等性能就提出了较高的要求，或者不恰当的后处理方式也会容易使非晶材料的结构或者性能下降。而在本专利技术的研究中注意到，若直接在硅钢材料上形成非晶材料也存在巨大的技术难度，如本专利技术中采用的磁控溅射工艺，其在形成非晶层时，非晶层的厚度十分关键，具体为：非晶层的厚度对于铁芯的涡流损耗和磁滞损耗影响巨大，虽然非晶层厚度越厚，涡流损耗和磁滞损耗越低，铁损也降低，电机效率提升。但是，非晶层越厚，也越容易在加工加工和使用过程中产生晶化，导致磁性能衰退甚至失效，进而导致，电机铁损升高，电机效率降低。因此合理控制非晶层的厚度，对于硅钢
‑
非晶复合材料的性能控制，显得极为重要。本专利技术通过多次探索，对于所选择的Fe
70～90
Si
5～12
B
8～15
系列靶材而言，当控制其厚度为100～1000nm时，可以在最大程度上发挥非晶层改善硅钢片的涡流损耗和磁滞损耗的作用且实现非晶层结构和性能的稳定，降低铁损，提高电机效率，该厚度进一步优选为500nm～800nm。
[0010]根据本专利技术提供的电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备方法，所述磁控溅射得非晶层时采用的溅射气压为0.1Pa～2Pa。
[0011]本专利技术进行磁控溅射形成非晶层的过程中，对溅射气压做了对比，发现，溅射气压主要影响非晶薄膜的组织，溅射气压越低，薄膜生长速率变慢，生产效率降低，溅射气压越高，薄膜厚度均匀性不容易控制，非晶磁性能的稳定性受到影响。当所述磁控溅射得非晶层时采用的溅射气压为0.1Pa～2Pa，综合效果最好。
[0012]根据本专利技术提供的电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备方法，在沉积所述非晶层之前，采用SiO2靶材在所述硅钢片表面进行磁控溅射得第一绝缘层；和/或，在沉积所述非晶层之后，采用SiO2靶材在所述硅钢非晶复合材料表面再进行磁控溅射得第二绝缘层。
[0013]本专利技术还在硅钢片和非晶层之间设置第一绝缘层，该绝缘层的作用主要是隔离硅钢片和非晶层，降低涡流损耗。
[0014]本专利技术基于对非晶层在后续转运、加工过程中受到外界作用而晶化的影响的考虑，还在非晶层上进一步设置第二绝缘层，通过试验发现，第二绝缘层能够有效保护非晶
层，使其结构和性能稳定。
[0015]根据本专利技术提供的电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备方法，所述进行磁控溅射得第一绝缘层时采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备方法，其特征在于，包括：采用Fe
70～90
Si
5～12
B
8～15
系列靶材，在预处理后的硅钢片表面进行磁控溅射，得表面含有100～1000nm厚非晶层的硅钢非晶复合材料。2.根据权利要求1所述的电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射得非晶层时采用的溅射气压为0.1Pa～2Pa。3.根据权利要求1或2所述的电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备方法，其特征在于，在沉积所述非晶层之前，采用SiO2靶材在所述硅钢片表面进行磁控溅射得第一绝缘层；和/或，在沉积所述非晶层之后，采用SiO2靶材在所述硅钢非晶复合材料表面再进行磁控溅射得第二绝缘层。4.根据权利要求3所述的电机铁芯用硅钢
‑
非晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述进行磁控溅射得第一绝缘层时采用的溅射气压为0.1Pa～2Pa；和/或，所述进行磁控溅射得第二绝缘层时采用的溅射气压为0.1Pa～2Pa。5.根据权利要求3或4所述的电机铁芯用硅钢
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁俊才，章潇慧，孙梅玉，柳柏杉，裴中正，王雅伦，李要君，杨为三，陈强，陈朝中，
申请(专利权)人：中车工业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：