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1、电机槽楔用各向异性导磁复合材料进展圭至篁!皇垫垄堡旦鱼塑墨丝呈堕墨盒堑垄垦一一电机槽楔用各向异性导磁复合材料进展803李军,刘颖,许自贵,连利仙,唐安斌,涂铭旌(1.四川大学材料科学与工程学院,t/11成都610065;2.东材企业集团公司,四川绵阳621000)摘要:用各向异性导磁复合材料制备磁性槽楔是槽楔用导磁复合材料的发展趋势.本文综述了各向异性导磁复合材料的结构组成,并简要介绍了其相对于各向同性导磁复合材料所具备的特点,最后对目前各向异性导磁复合材料中存在的一些问题提出了看法和建议.关键词:各向异性;导磁复合材料;槽楔中图分类号:TM271文献标识码:A文章编号:1001-9731(2
2、005)060803061引言电机定子一般采取齿槽结构以方便导线放置,并用绝缘槽楔(通常为玻璃纤维和树脂)固定导线.齿槽结构和不导磁的绝缘材料的存在引起转子转动时气隙磁密产生很大的脉动,在定转子的表面及齿部产生相应的附加损耗,使电机的效率下降,振动和噪声增加,温升提高.如何提高电机效率,节约能耗成为人们一直关心的问题.上世纪6O年代,发达国家开始研制电机槽楔用导磁复合材料1.最初的导磁复合材料由还原铁粉和树脂构成,这种材料的力学性能和磁性能偏低,不能大规模应用.随后出现由磁粉,树脂以及玻璃纤维组成的各向同性导磁复合材料,结构如图1(a)所示,力学性能和磁性能都有较大提高.将其制成磁性槽楔后取代
3、定子中的绝缘槽楔,可减少磁密脉动,降低电机的温升和噪声,提高电机效率.但各向同性导磁复合材料在方向的漏磁很大,导致电机起动转矩和最大转矩降低1O左右,使其在重载起动电机以及转矩裕量较小的电机上应用受到限制.为了减少电机楔入磁楔后转矩的下降,各向异性导磁复合材料引起人们极大关注5?6l.2电机槽楔用各向异性导磁复合材料的结构各向异性导磁复合材料的结构如图1(b)所示,其中不但有磁性材料,基体树脂和增强纤维,还有由非导磁材料构成的区域.基体树脂和增强纤维决定材料的力学性能;磁性物质决定材料的导磁性能;非导磁材料决定材料导磁性的各向异性.)各向同性yi_.b图1模压导磁复合材料的结构Fig1Stru
4、ctureofthemoldedcompositemagneticmaterials2.1基体树脂电机槽楔用各向异性导磁复合材料的基体树脂为各种热固性树脂.参照电机行业的方法7,根据树脂体系耐热性不同,可将其分为B级(130),F级(155),H级(180).B级树脂主要是环氧酚醛树脂体系,用其压制的绝缘玻璃布层压板力学性能L8如表1所示.环氧酚醛树脂的特点是价格较低,具有优良的耐化学腐蚀性和尺寸稳定性.但酚醛树脂固化时有大量小分子物质放出,材料中气孔较多,脆性较大,力学性能较低.更重要的是,材料内部的气孔可能成为钉扎畴壁的中心,造成畴壁移动困难,对材料磁化产生很大影响,从而大幅降低材料的磁化
5、率.因而各向异性导磁复合材料的基体树脂不宜使用B级环氧酚醛树脂.F级树脂种类很多.唐安斌等人9合成了一种改性的酚醛环氧树脂,固化时小分子物质大量减少,树脂耐热温度达到174,力学性能有较大提高,如表1所示.由于酚醛环氧树脂的固化属于缩聚反应,即使改性后固化时还是有一定小分子物质放出.凌鸿等人1用苯并恶嗪中间体合成了一种开环聚合酚醛树脂,固化时发生开环自聚,或与预聚物进行不放小分子物质的固化反应,制得低空隙率的材料,力学性能有较大提高.对于电机槽楔用导磁复合材料,材料的抗弯*基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2003AA33X010)收稿日期:2004一i025通讯作者:刘
6、颖作者简介:李军(1977一),男,重庆万州人,在读博士,2000年于四川大学获工学硕士学位,现在四川大学材料科学与工程学院,师从涂铭旌院士和刘颖教授.从事磁性材料研究.8o4助强度比较重要.由于加入的磁粉粒径较大,在材料中不能形成颗粒增强效应,使复合材料力学性能降低,限制磁性槽楔的应用.使用高强度的树脂基体可使问题得到缓解.凌鸿等人用耐热温度达到180.C苯并恶嗪树脂为基体,得到的层压板达到646MPa.由于苯并恶嗪成本较高,王劲等人合成了一种苯并恶嗪/E一44环氧混合树脂,耐热温度达到179.C,用其丝堕塑鲞制备的绝缘板达到567MPa.刘峰等人L1用E一44环氧,二胺基二苯砜和耐热树脂合
7、成了一种更低成本的改性环氧树脂,用其制备的层压板达到626MPa,耐热温度达到172.C,完全能满足实际需求.由于F级树脂性能较高,制备的材料气隙率较小,因而适于制备各向异性导磁复合材料.表1玻璃纤维增强绝缘层压板的力学性能Table1Propertiesofinsulatinglaminatereinforcedbyglassfiber树脂类型密度(g/cm)纵向弯曲强度(MPa)纵向冲击强度(kJ/m)环氧酚醛L1.701.90350l50改性酚醛环氧1.784ll开环聚合酚醛l_l叫1.9O463苯并恶嗪l_ln_1.8O646353苯并恶嗪/E一44一567E一44/二胺基二笨砜/耐热
8、树脂1.701.9062649苯并恶嗪/二苯醚_】1.701.906l3l93芳烷基酚1.701.90578242增韧双马酰亚胺1.87465H级树脂中应用比较广泛的是二苯醚树脂.为防止二苯醚树脂固化时小分子物质的放出,刘峰等人用苯并恶嗪对二苯醚树脂进行改性,耐热温度达到199,用其制得的层压板处理后达到613MPa.赵成等人合成了一种耐热温度达到H级的芳烷基酚树脂,成本较低,其层压板的达到578MPa.蒋必彪等人L】合成了一种增韧的双马酰亚胺树脂,耐热温度可达214,用其制备的层压板达到465MPa.H级树脂虽然耐热性能很好,但价格相对较高,制备各向异性导磁复合材料时应根据实际需求来确定是否
9、选用该类树脂.2.2增强纤维玻璃纤维无疑是性价比最高的增强材料.对于各向异性导磁复合材料而言,材料的磁性能十分重要.大多数磁粉表面属于亲水性表面,含有大量自由羟基.为了防止材料使用过程中空气中的水分继续吸附在磁粉表面而导致磁糊氧化,应该选用吸水率低,强度高,耐老化性能好的无碱玻璃纤维.无碱玻璃纤维编织的玻璃布有不同形态,目前应用于各向异性导磁复合材料的主要有平纹布和斜纹布.平纹布中具有较多的交织点和屈曲数,相互紧靠,如图2A所示,因而平纹布紧密牢固.斜纹布是一根或多根经纱从一根纬纱上有规律穿过,如图2B所示,其交织点比平纹布少,弹性较好,强度较高,厚度大幅增加.各向异性导磁复合材料需要保持一定
10、的磁性能,树脂相对含量并不高.一定量的树脂溶液在粘度一定的前提下,充分浸润斜纹布比充分浸润平纹布困难,从而导致斜纹布增强的复合材料材料力学性能有所下降.故导磁复合材料一般选用平纹布作为增强体.A平纹布B斜纹布图2玻璃布的结构Fig2Structureofglasscloth为了使磁性槽楔不但有良好的磁性能,还有一定的介电性能,电子工业用的7628玻璃布也开始用于制取各向异性导磁材料.日东纺织公司193开发出一种NE玻璃纤维,虽然拉伸强度和弹性模量比E纤维有所下降,但介电性能却大幅提高.玻璃纤维单根原丝中含有肉眼看不见的气泡,每100万根单丝中约有1008O0根含空心段的玻璃纤维,为此日本旭硝子
11、株式会社口研制的无气泡玻璃纤维,纤维的力学性能有很大提高.平纹布中的交织点树脂浸透较少,易产生白班,日东纺公司n用喷水针刺法对织造完毕的玻璃布进行再加工,使经纱与纬纱的交织点凸起减缓,纤维分散开来填充交织点四周的空隙,玻璃布的平滑性大大提高,而且还大大提高玻璃布的树脂浸透性,层间剥离性及尺寸稳定性等.2.3磁性材料电机槽楔用各向异性导磁复合材料的磁导率对电机性能有较大影响.目前磁性槽楔中常用的软磁材料是氧化还原铁粉,由其制得的各向异性导磁材料在y方向的相对磁导率仅为7.5,x方向的为3.5Ez.用高磁导率的磁性材料可得磁导率更高的导磁材料.导磁复合材料中的导磁可是粉体,也可是薄片,薄带甚至条带
12、,因而铁基软磁材料,Permalloy合金和纳米晶软磁材料等都能用于其中.奎垩笠!皇旦鱼旦呈丝墨壁星全塑堂垦一P.Baudouin等人制备了0.65ram的Fe一3Si合金薄带,在没有轴向变形的前提下,合金的H为190A/m,最大相对磁导率/l达到3100.WafikHarara的实验结果口表明Fe一3Si合金经过射线辐射后,由于畴壁的转动减少,磁导率可以较辐射前平均提高5,这为制备高磁导率的软磁材料开辟了一条新途径.由于Fe一3Si合金和Fe一样具有bcc结构,Eoo1方向是其易磁化方向,如果在该方向形成织构组织则有利于合金的磁化2.R.PremKumara等人L25J将低Si含量的硅钢冷轧
13、后在650后进行2h再结晶退火,热压后得到(110)oo1织构组织,实验结果表明随着变形量的增加和退火时间的延长,材料的织构组织增加,材料磁导率不断增加,但变形量过大将引起材料磁性能的恶化.目前通过获取织构的方法得到的Fe-3Si取向性硅钢薄带H仅为9.6A/m,达到560002.在铁基软磁合金中,Sendust合金以其成本较低,磁性能较高而备受人们关注.ShojiYoshida等人L2将成分为Fe7oAIsGazP9.65CB6Si的合金在590MPa的轴向压力下420脉冲烧结,然后440退火,得到的合金H为12A/m,达到8000.目前成分为FeAISi合金的磁导率可达1200002.上世
14、纪6O年代Enoch和Fudge2乳提出NiFe系高磁导率合金应具备一定的磁性原子比理论,Rassmann3.进一步提出在NiFe系合金中磁性原子比在3.650.6时,合金的磁致伸缩系数和各向异性常数K都趋于0,从而获得高磁导率合金.陈国均等人.在该理论的指导下,设计出一系列高磁导率的合金,如成分为Ni79CrMo2_5Cu3_zNb._rMn0_5A10_15的合金,工业化生产后其最大磁导率/l达到ll0000.任卫斌采用新的退火工艺,对成分为NiFe(MoCu)Mno.的合金在1000真空氢气炉中保温4h,合金H为1.02A/m,/l可达285000.对Permalloy合金进行大形变量冷
15、轧,再经过10001200热处理,同样也可得到(110)l:oo1织构组织,经过600磁场热处理后可以得到单轴磁各向异性.张莹对成分为NiFe(MoCu)9_lMno.的合金轧制后在保护气氛下1180.C保温5h,为防止Ni.Fe有序相转变,快速冷却到500后保温1h,冷却到300后出炉,由此得到的合金H为0.41A/m,可达444000.如今出现的超Permalloy合金,其/l已达到6000002.非晶软磁材料已成功地应用于导磁复合材料.姚德利胡已制备出非晶磁性槽楔,这种磁楔的磁导率和电阻率都较高,不但能减少电机附加损耗,还能降低涡流损耗.H.Chiriac等人研究了Mo和Nb对成分为Co
16、68-z5一FeSi12.25B15M(MMo,Nb)非晶性能的影响,发现用Mo和Nb取代合金中Co能使非晶丝的/l达到18000;他们又用快淬,真空铸造和Cu模铸造得到26mm宽,0.2mm厚的Fe56Co7Ni7Zr6MNbB.(Mzr,Nb,Ti,Ta)非晶条带,其/l达到33000.快速凝固制备的合金具有很大内应力,稳定性较差,通过一定热处理可得纳米晶材料.由于aFe与非晶相之间的交换耦合作用,且晶粒尺寸小于磁交换作用长度,因而平均磁晶各向异性很小;通过调整成分可使其磁致伸缩趋近于零,因此纳米晶合金具有优异的软磁性能36,37.AkinoriKojima等人m将Fe一4和Fe.ZrB.
17、非晶粉末通过挤压成型后在660退火后得到纳米晶材料,/l分别达9000和15400.Takadate等人3叼发现在纳米晶FeNbB.中加入少量Nd可提高合金软磁性能,当Nd加入量为0.1(原子分数)时,合金可达38000.G.Buttino制备的纳米晶FeCuNb.SiB.合金起始磁导率就高达29000.而J.H.Yang等人【4将Co66Fe4Ni1Sil5B14合金先炉冷到居里温度附近后快速水冷,得到的非晶合金在420退火后得到纳米晶合金,其起始磁导率可达40000.刘伟德等人制备的(FeCo)7CuNb.(SiB).z_r纳米晶合金/l达到87500.含Co合金的软磁性能虽然较高,但成本
18、也高,因而Yoshizawa等人胡研究的Fe.CuNi.Si.B.系列合金引起人们极大兴趣.H.ChiriacK制备了成分为Fe7.CuNi.SisB9纳米晶合金,其/l可达40000.张正明等人制备的Fe7z_rCu1NbMoV1Si5B9纳米晶合金/l达到70000.严彪等人【4制备的Fe.CuNb1.7V.5MnSi1B9纳米晶合金高达95000.这些合金中不含昂贵的金属Co,软磁性能较高,备受人们重视.MnZn软磁铁氧体也是一类磁导率比较高的磁性材料,但在各向异性导磁复合材料中无法利用这种烧结块体.SetsuoYamamoto等人胡用等离子火花烧结法在导电基材上(如石墨,Permall
19、oy合金)得到了一层MnZn铁氧体,从而得到H仅有90A/m的复合层片,具有较好的软磁性能.能否在导磁材料中直接使用MnZn铁氧体预烧料,或者使用烧结MnZn铁氧体粉碎后的粉末,这是今后值得研究的一个工作.2.4非导磁材料各向异性导磁复合材料中最常用的非导磁材料是SiO.粉末.Takashima.M等人用包覆金属铜的钢丝制备了一种各向异性导线.由于铜是一种抗磁性金属,导线厚度方向的磁导率大于宽度方向的磁导率.由此可知,抗磁性金属也可作为各向异性导磁材料中的非导磁相.但目前电机槽楔用各向异性导磁材料中还没有用抗磁性金属作为非导磁材料,这也是今后值得注意的一个地方.3电机槽楔各向异性导磁复合材料的
20、特点用各向异性导磁复合材料制成的磁性槽楔和用各806丝向同性导磁材料制成的磁楔一样,都能减小电机的附加损耗,降低电机温升,提高电机效率.由于气隙磁通主要沿磁楔两侧进人楔内,磁楔中间部位的磁通量较小,因而主磁通方向的磁阻增加不大;漏磁通方向磁通必须要经过非导磁区,该磁路的磁阻增加很大,漏磁通大大减少.因而相比于各向同性槽楔,各向异性磁楔使电机起动转矩和最大转矩的下降减小,运行稳定性大大提高.3.1起动转矩和最大转矩的下降幅度减小在如图3所示的定子槽口中,定子槽口如果楔人绝缘槽楔,槽漏抗为j:3一2nfm(缶+hq)定子槽口楔人各向同性磁楔,槽漏抗变为:2,(缶+)定子槽口楔人在主磁通方向上磁导率
21、相同的各向异性磁楔,槽漏抗变为:)_2fm.(缶+)式中N为导体数;.为真空磁导率;为磁楔磁导率;Z为铁芯轴向长度;f为电机频率;为电机定子的槽漏抗;b为各向异性磁楔中非导磁区的宽度.由于>1,因而)>)>).F.Taegen等人【5的实验证明电机定子槽口楔入磁楔后,电机的卡氏系数k小于楔人绝缘槽楔时的k6.而?K?MaapoB的实验证明5,楔人各向异性磁楔后,相比于各向同性磁楔,七;随着b的增加而增加,因而k6>七>忌.楔人磁楔后电机的谐波漏抗变化为:一1一+式中为楔人各向异性磁楔电机的谐波漏抗;为楔人各向同性磁楔电机的谐波漏抗;为楔人绝缘槽楔电机的谐波漏抗.由
22、于是和k;的减小,引起)1和3的增加.而是;>是;,因而;>>.这和Kaga.Akio等人【s的实验结果相同.槽漏抗和谐波漏抗的增加引起电机总漏抗的增加,>>,由此引起电机起动总漏抗3的增加,.>>如果r为电机起动总电阻,则电机起动总阻抗:Z:(r+t)专且>>Z电机的起动转矩为:丝!笙!塑!童一9.56mlUrst.一式中为定子绕组相数;U为定子绕组电压.由于>Z>Z楔人磁楔后电机的起动转矩下降,而楔人各向异性磁楔后起动转矩的下降幅度减小.电机的最大转矩【7j:TM:!坌=:=8nf(rl+/r+)式中P为极数;r为定子电阻.
23、由于>>y,楔人磁楔后电机的最大转矩下降,而楔人各向异性磁楔后最大转矩的下降幅度也减小.一9.56KMsIn=所以:,W,Conductor/OI】c丰盂Magneticwedge一bl图3楔入磁楔后的定子槽Fig3Slotofthestatorwithmagneticwedgesapplied3.2磁楔运行稳定性提高电机运行时,磁楔受到很大的电磁作用力,长期作用会使磁楔松动,最终发生脱楔现象,进而引起电机故障.因而磁楔运行稳定性也是衡量磁楔质量的一个重要标准.对于各向同性磁楔,将其两端看成支承梁,如图4(a)所示,其挠度为:)一矗EJ为磁楔刚度.发生最大的挠度点应在磁楔断面中心线
24、上,即z=处,因而:b5场mx一丽对于各向异性磁楔,如果所用增强材料,磁粉和树脂与各向同性磁楔相同,即使有0.25b0.30b的非导磁材料,其刚度也基本不变,因而其挠度为:x4一(一要)+(一)Yl(h礓厂最大挠度:bhbYaxY一2一丽由此可知,yL1yr舢即各向异性磁楔所受电磁作用力仅为各向同性磁楔的1/5,因而其运行稳定性达到提高.李军等:电机槽楔用各向异性导磁复合材料进展YIDJ昝同异任Si02厂lI/XO.64当前各向异性导磁复合材料存在的问题和建议各向异性导磁复合材料目前主要的制备方法是模压成型.模压成型材料虽然成型公差很小,但对于不同型号的电机,制备模压各向异性磁楔需要不同的模具
25、.由图1(b)所示的结构知,增强纤维仅集中在表面且层数较少,外力一旦突破表层的增强纤维便可直接作用于内部磁粉层和非导磁粉层.这些粉层中的粉末是靠其表面少量的树脂和压制压力的作用相互粘结在一起,强度不高;压制压力较小(一般<20MPa),粉末没有完全塑性变形,粉末层内有很多孔隙;粉末层中没有增强纤维,裂纹产生后便很难阻止其失稳扩张,这些因素也引起模压各向异性磁楔力学性能较低.而目前应用较为广泛的层压各向同性导磁复合材料不存在模具的问题,并且力学性能较高.如果能用层压法制备各向异性的导磁复合材料,则上述问题可以迎刃而解.因为增强玻璃纤维布也是非导磁材料,如果将非导磁粉末均匀分散在中间的几层玻
26、璃布上,层压成型后也可以在材料的中部形成非导磁区域的层压材料,如图5所示.这种材料可看成是粉末层中分布着许多增强纤维的各向异性材料,裂纹在粉末层内不易扩张,因而其力学性能有较大提高.Fig5Structureofanisotropiclaminatedmagneticwedges目前各向异性导磁复合材料中,玻璃纤维,磁粉(通常是高纯度还原铁粉)和SiO粉末之间由于导热系数和密度相差较大,热压成型后材料内部的残余应力较大,甚至在磁粉层与sio粉末层之间以及磁粉层与纤维层之间出现由于热膨胀不一致而导致的缝隙.针对这种情况,在玻璃纤维不易更换的前提下,可以考虑更换导磁粉末和非导磁粉末.由2.3知软磁
27、铁氧体粉末目前还未用于各向异性导磁材料.软磁铁氧体粉末与还原铁粉相比,导热系数和密度与玻璃纤维和SiOz粉末相差都要小得多,成型后材料内的残余应力能减小.同理,如果非导磁材料用抗磁性金属,例如金属铜,同样也能减小材料中的残余应力.在制备过程中由于没有保护气氛,较高的成型温度(一般在16O200)和较长的成型时间(一般在12O180min)很容易引起磁粉氧化,从而影响其磁性能.如果选用高磁导率的软磁铁氧体粉末或非晶软磁粉末,不但可避免磁粉氧化,还可提高减少磁粉用量,提高磁楔力学性能.因而,今后有必要研究铁氧体粉末和抗磁性金属粉末在各向异性导磁复合材料中的应用.磁粉和非导磁粉末的加入引起导磁复合材
28、料力学性能的恶化.根据J.Leidner等人的理论,这主要是因为粉末的粒径较大(通常在8O/zm左右),粉末与基体树脂之间未能形成有效粘结,且大颗粒的粉末容易成为应力集中源.用小粒径的纳米晶磁粉不但可使材料具有较高的磁性能,还有可能让磁粉与树脂之间形成有效粘结,从而提高材料力学性能.同理,用亚微米级甚至纳米级的SiO.粉末也可能让非导磁粉末与树脂之间形成有效粘结,进而提高材料力学性能.参考文献:1ShiminIG.ZiberovVN.JISovietEleetrica1Ennee卜ing.l978.49(7):lO6一ll0.2AnazawaY,KagaA.J.IEEETransonMag,l
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