CN1081402C - 定子由软磁合金构成的钟表用步进电机和软磁合金 - Google Patents
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Abstract
一种步进电机，包括转子(1)，定子(2)和由磁心(4)及绕组(5)构成的线圈(3)，其中，定子(2)由FeNiCr型软磁合金构成，其化学组成按重量包括：40%≤Ni+Co≤60%，0%≤Co≤7%，8%≤Cr≤13.5%，8%≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤13.5%，余量是铁和制造中产生的杂质。
Description
本发明涉及特别可用于钟表的步进电机，包括转子、定子和装有磁心的线圈，并涉及可用于制造这些电机的FeNiCr型软磁合金。
模拟石英表的指针的运动由微型步进电机来保证，通常是Lavet式。这种电机包括由永磁体构成的转子，具有两极的定子和装有磁心的线圈。定子既可以由两部分构成也可以是单体的。后者被称为“具有可磁饱和的细颈”。制造定子和磁心的部分从磁性能适用于此功能的FeNi型软磁合金冷轧条带切出。条带厚度在0.4-0.8mm的数量级。磁心通常由Ni48Fe类合金制成，当定子具有可磁饱和的细颈时多数是由Ni80Mo5Fe类合金制成。这些合金的缺点是昂贵，期望能获得廉价的合金。由于石英钟表已成为大规模的消费产品，所以此问题更为重要。
为了解决此问题，业已提出使用Ni35Mo5Fe类合金。然而，这种合金的缺点是磁性能对-20℃和70℃之间的温度、也就是说在钟表的整个使用温度范围高度敏感。
此外，钟表日益频繁地在气候条件极易使部件因氧化变劣的世界各地组装和使用。当然可以加倍地进行耐腐蚀处理，但这些处理是昂贵的，因此期望能够避免这些问题。对于Ni35Mo5Fe类合金尤其存在这种问题，该合金比Ni80Mo5Fe类合金更为廉价，但对潮湿气氛的腐蚀更为敏感。
本发明的目的在于消除这些缺点，提出一种尤其适用于钟表的合金和步进电机，既经济实用、又不易氧化和对温度变化不敏感。
为此目的，本发明的主题是一种步进电机，包括转子，定子和由磁心及绕组组成的线圈，其中定子、尤其是具有可磁饱和的细颈的定子由FeNiCr型软磁合金构成，其化学组成按重量包括：
40％≤Ni+Co≤60％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤13.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤13.5％余量是铁和制造中产生的杂质。
构成定子的FeNiCr型软磁合金最好具有如下特性：
—居里温度Tc＞200℃
—+25℃的饱和磁感Bs在0.69-0.8特斯拉之间
—矫顽力Hc＜0.07奥斯特(1奥斯特＝79.577A/m)
—电阻率ρ＞80μΩcm。
构成定子的FeNiCr型软磁合金的化学组成最好如下：
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤11％余量是铁和制造中产生的杂质。
构成定子的FeNiCr型软磁合金的化学组成可以如下：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤12％余量是铁和制造中产生的杂质。
此外，磁心可以由FeNiCr型合金制成，其化学组成按重量包括：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
5％≤Cr≤8％
5％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤10％余量是铁和制造中产生的杂质。
本发明还涉及FeNiCr型软磁合金，其化学组成按重量包括：
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤11％余量是铁和制造中产生的杂质。
本发明的合金最好含有0.1％-1％的锰和0.05％-0.3％的硅。而且最好其含氧量小于0.005％、含硫量小于0.005％。
本发明还涉及FeNiCr型软磁合金，其化学组成按重量包括：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤12％余量是铁和制造中产生的杂质。
本发明的合金最好含有0.1％-1％的锰和0.05％-0.3％的硅；而且最好其含氧量小于0.005％、含硫量小于0.005％。
以下将参考示意地展示用于钟表的步进电机的单一附图，更准确地说明本发明，但并无任何限制之意。
如图1所示的具有可磁饱和的细颈的Lavet式电机，包括：例如由钐钴永磁体制成的转子1，定子2，和由磁心4和绕组5构成的线圈3。定子2包括其中容纳转子1的洞6。在洞6的两侧定子2具有两个变窄部分7和7′，称为“细颈”。细颈是“磁饱和”的，即当电机工作时构成定子的材料的几何结构和性质如下，其中磁感应接近于材料的饱和磁感。
静止状态下，即指线圈绕组中无电流通过时，转子的位置由定子的几何结构和特别是容纳转子的洞6的几何结构决定。其位置如下确定，由转子与由定子2和线圈3的磁心4组成的磁路之间的磁感应产生的磁阻最小。每秒向线圈绕组5输送电脉冲。此电脉冲产生使电机每次转半圈的磁场。由电池供电。
为了使电机能满意地工作，定子2和磁心4组成的磁路所用的材料必须是高磁导率、低矫顽力和高电阻率，以便使电耗减至最小，并由此使电池寿命尽可能地长。尽管构成定子的材料的饱和磁感不能过高，以便有利于细颈在励磁脉冲作用下的磁饱和，但为了单位质量的能量最大，因而使电机尺寸最小，材料的饱和磁感必须要高。最终，在电机的整个工作温度范围必须尽可能稳定地保持这些特性；此范围通常在-20℃～+70℃。
定子2由FeNiCr型软磁合金制成，按重量其包含：
—40％～60％的镍，可用含量高达7％的钴部分置换镍，镍与钴的总量保持在40％～60％；这些元素可赋予主要的磁性能和足够的居里温度；
—8％～13.5％的铬，用于获得良好的耐氧化、尤其是耐潮湿气氛的能力；
—锰，最好在0.1％～1％，用于获得良好的热轧加工性能；
—硅，最好在0.05％～0.3％，保证制造期间能脱氧；
—从钼、铌、钒、和钨中选择的一种或者多种选择性元素，这些元素含量总和要小于3％；这些元素改善了耐蚀性和热机械强度，这有利于步进电机部件的制造，但若含量过高，它们使饱和磁感Bs过分降低；
—余量是铁和制造中产生的杂质。
为了获得足够的饱和磁感Bs，Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W的总和必须小于13.5％(因为铬含量的下限，此总和大于8％)。
制造中产生的杂质特别是氧和硫对矫顽力有不利影响。而且，这些杂质中的各种含量必须尽可能地低，最好低于50ppm。
为了使合金具有如下性能，化学组成应能调节：
—居里温度Tc＞200℃，最好Tc＞250℃，以此获得磁性能在-20℃～+70℃的良好的稳定性，
—环境温度下的饱和磁感Bs在0.6～0.9特斯拉，+25℃下最好在0.69～0.8特斯拉，
—矫顽力Hc＜0.07奥斯特，
—电阻率ρ＞80μΩcm。
本领域的技术人员可以考虑以下因素来调节化学组成：
—非铁磁性元素(Fe，Ni和Co之外的元素)的含量增多时Bs下降；
—杂质含量增多时Hc增大；
—非铁磁性元素的含量增多时通常ρ增大；
—非铁磁性元素的含量增多时Tc下降。
例如，该合金的组成最好如下：
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤11％余量是铁和制造中产生的杂质。
此化学组成(Ni55Cr10Fe型)具有如下优点，可同时具有适当的饱和磁感(0.7特斯拉的数量级)和赋予良好耐蚀性的高铬含量。
也可采用化学组成如下的合金：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤12％余量是铁和制造中产生的杂质。
此合金的优点是具有因存在钼而改善的耐蚀性。
在全部情况下，线圈3的磁心4可以有利地由Ni48Fe型或者FeNiCr型的合金构成，组成是：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
5％≤Cr≤8％
5％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤10％余量是铁和制造中产生的杂质。
此合金具有如下优点，可同时具有极高的饱和磁感(1特斯拉)和可接受的耐蚀性，尽管铬含量降低。
当定子由组成如下的合金制成时：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Al+Cu+Mo+Nb+V+W≤12％余量是铁和制造中产生的杂质，可以用相同的合金制造线圈的磁心，这样可以把定子和磁心作成单一部件，从而简化制造。
通过第一实施例，由厚度为4mm的热轧钢带制造厚度为0.5mm的冷轧钢带。冷轧期间在1.5mm的中间厚度进行退火。组成如下(按wt％)：
| Ni | Cr | Mo | Mn | Si | Fe |
| 55 | 10 | 0 | 0.3 | 0.1 | 余量 |
从冷轧钢带切下圆盘并在纯的干燥氢气中于1100℃退火4小时，对其测量可知此合金具有如下特性：
—饱和磁感Bs：-20℃时0.77特斯拉，+25℃时0.75特斯拉，+70℃时0.70特斯拉；
—居里温度Tc：275℃；
—矫顽力Hc：25℃时0.06奥斯特；
—电阻率ρ：25℃时90μΩcm。
这些特性特别适合制造具有饱和细颈的Lavet型电机定子。此外，由于铬含量高，所以此合金具有的耐蚀性使得其能用来制造钟表电机，而无需已有技术的耐蚀性处理。例如通过把样品交替地经受如下处理可以证明其耐蚀性，亦即在湿度大于80％的气氛中、60℃～70℃的温度下保持2-4小时，在-10℃～-20℃的温度下保持2-4小时，总的保持时间在2-4周。
由此测试，已经确定Ni55Cr10Fe型合金未出现任何可见的生锈痕迹，相反Ni48Fe合金则会生锈。
通过第二实施例，由厚度为4mm的热轧钢带制造厚度为0.45mm的冷轧钢带。冷轧期间在1.4mm的中间厚度进行退火。组成如下(按wt％)：
| Ni | Cr | Mo | Mn | Si | Fe |
| 50 | 9 | 1 | 0.3 | 0.1 | 余量 |
从冷轧钢带切下圆盘并在纯的干燥氢气中于1100℃退火4小时，对其测量可知此合金具有如下特性：
—饱和磁感Bs：-20℃时0.76特斯拉，+25℃时0.75特斯拉，+70℃时0.72特斯拉；
—居里温度Tc：275℃；
—矫顽力Hc：25℃时0.05奥斯特；
—电阻率ρ：25℃时90μΩcm。
这些特性特别适合制造具有饱和细颈的Lavet型电机定子。此外，对比实验表明此合金耐潮湿腐蚀能力略有改善。
通过第三实施例，由厚度为4mm的热轧钢带制造厚度为0.65mm的冷轧钢带。冷轧期间在1.6mm的中间厚度进行退火。组成如下(按wt％)：
| Ni | Cr | Mo | Mn | Si | Fe |
| 45 | 9 | 1 | 0.3 | 0.1 | 余量 |
此合金具有如下特性：
—饱和磁感Bs：-20℃时0.71特斯拉，+25℃时0.69特斯拉，+70℃时0.67特斯拉；
—居里温度Tc：260℃；
—矫顽力Hc：25℃时0.06奥斯特；
—电阻率ρ：25℃时90μΩcm。
此合金的耐蚀性与前述实施例相同，但由于镍含量略有下降，所以居里温度和饱和磁感也略有下降。
Claims (13)
1 一种步进电机，包括转子(1)，定子(2)和由磁心(4)及绕组(5)构成的线圈(3)，其特征在于，定子(2)由FeNiCr型软磁合金构成，其化学组成按重量包括：
40％≤Ni+Co≤60％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤13.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤13.5％余量是铁和制造中产生的杂质。
2 根据权利要求1的电机，其特征在于，构成定子(2)的FeNiCr型软磁合金具有如下特性：
—居里温度Tc＞200℃
—+25℃的饱和磁感Bs在0.69-0.8特斯拉之间
—矫顽力Hc＜0.07奥斯特
—电阻率ρ＞80μΩcm。
3 根据权利要求1的电机，其特征在于，构成定子(2)的FeNiCr型软磁合金具有如下化学组成：
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤11％余量是铁和制造中产生的杂质。
4 根据权利要求1的电机，其特征在于，构成定子(2)的FeNiCr型软磁合金具有如下化学组成：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤12％余量是铁和制造中产生的杂质。
5 根据权利要求1～4中任一项的电机，其特征在于，定子(2)具有可磁饱和的细颈。
6 根据权利要求1～4中任一项的电机，其特征在于，磁心(4)由FeNiCr型合金制成，其化学组成按重量包括：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
5％≤Cr≤8％
5％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤10％余量是铁和制造中产生的杂质。
7 根据权利要求5的电机，其特征在于，磁心(4)由FeNiCr型合金制成，其化学组成按重量包括：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
5％≤Cr≤8％
5％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤10％余量是铁和制造中产生的杂质。
8 一种FeNiCr型软磁合金，其组成按重量包括：
53％≤Ni+Co≤57％
0％≤Co≤7％
9％≤Cr≤11％
9％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤11％余量是铁和制造中产生的杂质。
9 根据权利要求8的合金，其特征在于，
0.1％≤Mn≤1％
0.05％≤Si≤0.3％。
10 根据权利要求8或9的合金，其特征在于，
O＜0.005％
S＜0.005％。
11 一种FeNiCr型软磁合金，其组成按重量包括：
48.5％≤Ni+Co≤51.5％
0％≤Co≤7％
8％≤Cr≤10％
0％≤Mo≤1.5％
8％≤Cr+Mn+Si+Mo+Nb+V+W≤12％余量是铁和制造中产生的杂质。
12 根据权利要求11的合金，其特征在于，
0.1％≤Mn≤1％
0.05％≤Si≤0.3％。
13 根据权利要求11或12的合金，其特征在于，
O＜0.005％
S＜0.005％。
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