一种铁芯及直线电机的制作方法

1.本发明属于电力设备领域，尤其涉及一种应用于直线电机，采用非晶带材通过叠压制成的非晶长定子铁芯及直线电机。


背景技术：

2.电力电子产品发展十分迅速，在生产、生活各个领域内广泛应用。不同产品的应用场景不同，其中，部分产品运行于户外环境中，若防护不当，会造成产品内部的软磁材料容易腐蚀老化，性能下降的问题。
3.为了克服上述问题，电机、变压器等铁芯产品常在其表面采用环氧树脂进行固化，一方面增加铁芯整体强度，另一方面又使铁芯完全密封，防止铁芯腐蚀老化。然而，温度交变、紫外线照射等可能导致环氧树脂发生开裂或老化失效，从而导致铁芯性能下降。为提高环氧树脂使用寿命，通常采用增加环氧树脂厚度的方式，然而，单对固定尺寸的铁芯产品而言，如：电机类产品，增加环氧树脂厚度就需减小铁芯尺寸，影响产品性能(如产品功率密度下降)。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是克服现有以环氧树脂作为固化层的铁芯存在的固化层使用寿命低，以及影响铁芯性能的问题，提出一种具有可有效降低动子铁芯、长定子铁芯之间的气隙厚度、降低磁阻、提高电机的效率，增加导磁面积、提高磁通量、减少漏磁，提升电机效率、使用寿命长，固化时间短、生产效率高特点的铁芯及直线电机。
5.为解决所述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.本发明一方面提供一种铁芯，由铁芯材料及包覆在所述铁芯材料表面的固化层组成，所述铁芯材料为软磁材料，所述固化层为聚脲材料。
7.优选的，通过喷涂固化或浇注固化在所述铁芯材料表面形成所述固化层得到所述铁芯。
8.优选的，所述喷涂固化或所述浇注固化的固化温度为20
‑
80℃。
9.优选的，所述喷涂固化或所述浇注固化的固化温度为60℃。
10.本发明另一方面提供一种直线电机，所述直线电机以上述任一技术方案所述的铁芯作为长定子。
11.优选的，所述长定子的所述铁芯材料为非晶带材。
12.优选的，所述长定子的所述固化层的厚度为0.5
‑
1.5mm。
13.优选的，所述长定子的所述固化层的厚度为1mm。
14.优选的，所述直线电机的电磁气隙为8
‑
20mm。
15.优选的，所述直线电机的机械气隙为5
‑
17mm。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
17.本发明提供了一种铁芯，以聚脲材料作为固化层，相比于传统的以环氧树脂作为固化层，在达到相同防腐耐老化作用的情况下，聚脲材料作为固化层的涂层厚度减小，且寿命更高，具有更好的防腐、绝缘、耐紫外线、耐温度交变性能；在此基础上，机械气隙不变，电磁气隙降低，进而降低磁阻、提高磁通量、减少漏磁，提升电机效率。
18.本发明提供了一种铁芯，以聚脲材料作为固化层，聚脲材料反应固化温度及固化时长更低，可有效提高产品生产效率；
19.本发明还还提供一种直线电机，该直线电机的长定子铁芯外表面采用聚脲材料作为固化层，在保证防腐耐老化作用的情况下，所需固化层的厚度减小，当长定子铁芯的尺寸固定时，固化层的厚度减薄，产品的整体尺寸减小，固化材料及配套其他材料用量更少，有利于节约成本；当长定子外形尺寸固定时，固化层的厚度减薄，长定子铁芯的尺寸可以增加，铁芯导磁面积增大，动定子之间的气隙减小，提高了产品性能。
20.(1)当铁芯1尺寸固定时，固化层2厚度减薄，产品的整体尺寸减小，固化材料及配套其他材料用量更少，有利于节约成本；
21.(2)当铁芯整体尺寸固定时，固化层2厚度减薄，铁芯1尺寸增加，铁芯导磁面积增大，动定子之间的气隙减小，提高了产品性能。
附图说明
22.图1为本发明实施例所提供的铁芯的结构示意图；
23.图2为本发明长定子铁芯与动子铁芯位置关系图；
24.图3为本发明长定子铁芯与动子铁芯位置关系局部放大图。
25.以上各图中：1、铁芯材料；2、固化层；3、长定子铁芯；4、固化层；5、动子铁芯；6、动子铁芯涂层。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本发明具体实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明总的技术方案的部分具体实施方式，而非全部的实施方式。基于本发明的总的构思，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都落于本发明保护的范围。
27.本发明一方面提供一种铁芯，如图1所示，该铁芯由铁芯材料1及包覆在所述铁芯材料1表面的固化层2组成，所述铁芯材料1为软磁材料，所述固化层2为聚脲材料。该铁芯以聚脲材料作为固化层2，相比于传统的以环氧树脂作为固化层2，在达到相同防腐耐老化作用的情况下，聚脲材料作为固化层2的涂层厚度减小，且寿命更高，具有更好的防腐、绝缘、耐紫外线、耐温度交变性能。
28.在一优选实施例中，通过喷涂固化或浇注固化在所述铁芯材料1表面形成所述固化层2得到所述铁芯。具体的，当铁芯产品结构简单，尺寸精度要求较低时，可采用喷涂固化工艺完成铁芯密封，喷涂需选用专门的聚脲喷涂设备，ab组分分别加热后在喷枪喷头处快速反应，喷涂到铁芯表面，再自然条件或加热养护；当铁芯产品结构复杂，局部无法喷涂或喷涂尺寸精度法达到产品尺寸精度要求时，可采用浇注固化工艺实现铁芯密封防护，针对产品固化厚度要求，设计浇注模具，进行浇注固化，加热养护。可选的，所述喷涂固化或所述
浇注固化的固化温度为20
‑
80℃，聚脲材料反应固化温度及固化时长更低，可有效提高产品生产效率。可以理解的是，该固化温度还可以是30℃、40℃、50℃、60℃、70℃及其范围内的任意点值，优选的，所述喷涂固化或所述浇注固化的固化温度为60℃。
29.本发明还提供一种直线电机，所述直线电机以上述任一技术方案所述的铁芯作为长定子。如图2所示，该直线电机的长定子铁芯3(即长定子的铁芯材料)采用聚脲材料作为固化层4，在保证防腐耐老化作用的情况下，所需固化层4的厚度减小，当长定子铁芯3的尺寸固定时，固化层4的厚度减薄，产品的整体尺寸减小，固化材料及配套其他材料用量更少，有利于节约成本；当长定子外形尺寸固定时，固化层4的厚度减薄，长定子铁芯3的尺寸可以增加，铁芯导磁面积增大，动定子之间的气隙减小，提高了产品性能。
30.在一优选实施例中，所述长定子的所述铁芯材料为非晶带材。该技术方案具体限定了长定子铁芯3采用非晶带材作为铁芯材料，聚脲材料作为长定子铁芯3表面的固化层4，有利于大幅度提升悬浮力及牵引力，具体的，非晶带材制作的长定子比硅钢材料制作的长定子磁导率更高，损耗更低，硅钢材料损耗高，产品使用过程中局部温度可达到105℃，对于其表面的固化层而言，产品使用温度高会降低材料使用寿命，采用非晶带材制作长定子铁芯，降低了产品损耗及温升，提高了产品的使用寿命。
31.在一优选实施例中，所述长定子的所述固化层4的厚度为0.5
‑
1.5mm。该技术方案具体限定了固化层4的厚度，原因在于，固化层4的厚度低于0.5mm存在防老化性能差的问题，而固化层4的厚度高于1.5mm的话，其对于产品的防老化及耐腐蚀等性能的提高无太大效果，反而导致影响直线电机性能的问题。可以理解的是，固化层4的厚度还可以是0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm及其范围内的任意点值。需要说明的是，传统的以环氧树脂作为固化层多采用浇注的方式在铁芯材料表面进行涂覆，固化层厚度太厚容易出现较大的漏磁，影响电机铁芯输出功率，太薄则老化实验无法通过，本技术方案采用聚脲材料作为固化层4，为保证磁性能与涂层的机械性能、抗老化性能等，喷涂聚脲材料涂层厚度只要不小于0.5mm，即可保证良好的抗老化、防腐蚀等性能，同时，由于固化层4厚度的减小，一方面，当长定子铁芯3的尺寸固定时，固化层4的厚度减薄，产品的整体尺寸减小，固化材料及配套其他材料用量更少，有利于节约成本；另一方面，当定子外形尺寸固定时，固化层4的厚度减薄，长定子铁芯3的尺寸可以增加，铁芯导磁面积增大，动定子之间的气隙减小，提高了产品性能。进一步的，聚脲材料喷涂快速固化的方式使得涂层厚度更均匀。优选的，所述定子的所述固化层4的厚度为1mm。
32.在一优选实施例中，所述直线电机的电磁气隙为8
‑
20mm。该技术方案进一步限定了电磁气隙，如图3所示，该电磁气隙是指长定子铁芯3端面与动子铁芯5端面的间隙宽度，可以理解的是，该电磁气隙还可以是10mm、12mm、12.5mm、14mm、16mm、18mm及其范围内的任意点值。该直线电机的长定子以聚脲材料作为固化层4，与以环氧树脂作为固化层的直线电机长定子铁芯相比，产品外形尺寸固定情况下，聚脲材料作为固化层4的长定子比环氧树脂作为固化层的长定子的固化层厚度更薄，因此，前者的实际铁芯材料尺寸更大，软磁材料有效利用空间更大，长定子铁芯3端面与动子铁芯5端面间的气隙更小，齿部面积增大，增加有效导磁面积，减少漏磁。如在高速磁浮直线的电机应用中，长定子铁芯3表面的固化层4外端面与动子铁芯5的动子铁芯涂层6之间机械气隙保持不变，采用环氧树脂材料的长定子铁芯的固化层厚度为1.5mm，在满足相同耐老化性能情况下，采用聚脲材料的长定子铁芯的固化
层4厚度可减小至0.5
‑
1.5mm，后者长定子铁芯3端面与动子铁芯5端面的电磁气隙更小，因铁心磁导率远大于空气磁导率，电磁气隙越小，系统有效磁导率越高，产品性能越优，同时，根据公式φ＝b
·
a可知(ф磁通密度，b磁感应强度，a导磁面积)，固化层越薄，铁心齿部两侧越宽，增加齿部宽度有利于抑制谐波及增加铁心导磁面积，提高产品性能。
33.在一优选实施例中，所述直线电机的机械气隙为5
‑
17mm。该技术方案进一步限定了机械气隙，该机械气隙是指长定子铁芯3表面的固化层4表面与动子铁芯涂层6表面的间隙宽度，由于直线电机通常机械气隙要大于5mm，考虑到涂层厚度的波动性，如果小于5mm则容易出现摩擦损坏涂层导致铁芯受损，本发明实施例优选机械气隙10mm。需要说明的是，动子铁芯表面的涂层优选1mm。
34.为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的一种铁芯及直线电机，下面将结合具体实施例进行描述。
35.实施例1
36.以非晶带材作为铁芯材料1，在非晶带材的外表面以聚脲材料作为固化层2，固化层2厚度为0.5mm，得到铁芯；
37.以上述铁芯作为直线电机的长定子，并保证该直线电机的电磁气隙为11.5mm，机械气隙为10mm；
38.长定子铁芯的长度为1030mm,高度为91.5mm,厚度为175mm。
39.实施例2
40.以非晶带材作为铁芯材料1，在非晶带材的外表面以聚脲材料作为固化层2，固化层2厚度为1mm，得到铁芯；
41.以上述铁芯作为直线电机的长定子，并保证该直线电机的电磁气隙为12mm，机械气隙为10mm；
42.其中，长定子铁芯的外形尺寸与实施例1长定子铁芯的外形尺寸相同。
43.实施例3
44.以非晶带材作为铁芯材料1，在非晶带材的外表面以聚脲材料作为固化层2，固化层2厚度为1.5mm，得到铁芯；
45.以上述铁芯作为直线电机的长定子，并保证该直线电机的电磁气隙为12.5mm，机械气隙为10mm；
46.其中，长定子铁芯的外形尺寸与实施例1长定子铁芯的外形尺寸相同。
47.实施例4
48.以非晶带材作为铁芯材料1，在非晶带材的外表面以聚脲材料作为固化层2，固化层2厚度为2mm，得到铁芯；
49.以上述铁芯作为直线电机的长定子，并保证该直线电机的电磁气隙为13mm，机械气隙为10mm；
50.其中，长定子铁芯的外形尺寸与实施例1长定子铁芯的外形尺寸相同。
51.对比例1
52.以非晶带材作为铁芯材料1，在非晶带材的外表面以环氧树脂作为固化层2，固化层2厚度为1.5mm，得到铁芯；
53.以上述铁芯作为直线电机的长定子，并保证该直线电机的电磁气隙为12.5mm，机
械气隙为10mm；
54.其中，长定子铁芯的外形尺寸与实施例1长定子铁芯的外形尺寸相同。
55.对比例2
56.以硅钢作为铁芯材料1，在硅钢的外表面以聚脲材料作为固化层2，固化层2厚度为1mm，得到铁芯；
57.以上述铁芯作为直线电机的长定子，并保证该直线电机的电磁气隙为12mm，机械气隙为10mm；
58.其中，长定子铁芯的外形尺寸与实施例1长定子铁芯的外形尺寸相同。
59.对比例3
60.以硅钢作为铁芯材料1，在硅钢的外表面以环氧树脂作为固化层2，固化层2厚度为1.5mm，得到铁芯；
61.以上述铁芯作为直线电机的长定子，并保证该直线电机的电磁气隙为12.5mm，机械气隙为10mm；
62.其中，长定子铁芯的外形尺寸与实施例1长定子铁芯的外形尺寸相同。
63.性能测试
64.对上述实施例1
‑
4及对比例1
‑
3的直线电机采用36槽12极直线电机设计，电机次级齿槽宽度比为1:1，初级齿槽宽度比1.8:1，在初级励磁电流为25adc，初级线圈数为300，次级电压为12kv，次级线圈数为1，相电流为680arms的工况下，进行悬浮力及牵引力测试，测试结果如表1所示。
65.表1测试结果
[0066][0067][0068]
结合表1，可以发现：
[0069]
关于聚脲材料作为固化层的优势：最优实施例2(需要说明的是，虽然从悬浮力和牵引力性能来看，实施例1的性能优于实施例2，但是，实施例1的固化层厚度为0.5mm，在实际生产中，需要考虑抗老化作用，因此，综合来看，实施例2为最优实施例)与对比例1比较，在保证同样的可靠性的前提下，聚脲材料固化层厚度环氧树脂固化层，在机械气隙相同的前提下，由于聚脲材料固化层较薄，则电机定子铁芯与动子铁芯的之间间距可以更小，即电磁气隙更小，有效导磁率更高，提升电机性能，实施例2与对比例1相比，悬浮力提升约7.28％，牵引力提升约1.04％
[0070]
非晶带材作为铁芯材料的优势：最优实施例2与对比例2进行比较，在同样的机械气隙与电磁气隙的前提下，实施例2比对比例2的悬浮力提升6.63％；牵引力提升1.57％。
[0071]
非晶带材作为铁芯材料及聚脲材料作为其固化层的优势：相对于传统的硅钢与环
氧树脂的组合，即最优实施例2与对比例3进行比较，在相同的机械气隙的前提下，实施例2比对比例3的悬浮力提升约13.8％，牵引力提升约6.6％。
[0072]
另外，对实施例2的直线电机聚脲涂层进行耐老化试验，测试结果如表2所示。
[0073]
表2耐老化试验结果
[0074]
年份厚度/mm抗拉强度/mpa断裂伸长率/％20102.520.68470.7220192.2717.80403.35变化率
‑
9.15％
‑
13.89％
‑
14.31％
[0075]
如表2可以发现，经过9年自然老化，厚度损失小于10％，拉伸强度和断裂伸长率保持原有性能的85％以上。