CN108521209B - 基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，包括混合永磁体、混合叠压定/转子铁芯和废旧电机中可用的机壳、端盖、轴等；混合永磁体沿轴向分段设置，至少有一段永磁体是从废旧电机中拆卸的回收永磁体段，其处在混合永磁体的中段位置或端部位置；混合叠压定/转子铁芯是将定/转子铁芯沿轴向分段设置为不同材质的定/转子叠片段，包括材质均为铁基非晶合金或均为再制造硅钢的第一定/转子叠片段和材质均为从废旧电机中拆卸的回收硅钢的第二定/转子叠片段；第一定/转子叠片段与回收永磁体段长度相等且在处相同的轴向位置；本发明有效提高了再制造电机输出转矩、降低损耗、提升电机性能，推进再制造永磁电机的具体应用。

Description

基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机
技术领域
本发明涉及一种再制造永磁电机，更具体地说是一种将废旧电机硅钢铁芯和永磁体等贵重零部件在再制造电机中进行再利用的再制造永磁电机。
背景技术
一些消费品因为其生命周期较短、质量低下等问题，造成废旧产品数量急剧上升，对此各国已经意识到环境问题的重要性，并相继提出环境治理方法和措施，但是传统的环境治理方法是末端治理，不能从根本上解决环境污染问题。要彻底解决环境问题，必须从源头做起。具体到制造行业，就是要考虑产品的整个生命周期对环境的影响，最大限度地利用原材料、能源，减少固体、液体、气体等有害物的排放量，减轻对环境的污染。
随着新能源汽车的大力推广，以及随着新能源汽车的发展和时间的推移，动力电机回收压力会越来越大，对报废动力电机进行如何回收利用，将是新能源汽车发展亟待解决的问题。
中国专利CN105119396A(公开日为2015.12.02)公开了一种新能源汽车电机的再制造方法，其将废旧电机的硅钢叠片和铁基非晶合金在轴向进行叠压形成混合叠压定子铁芯，并将其运用在再制造电机。这种混合叠压定子铁芯组装而成的再制造电机，在相同的磁场下运行时各材料磁化效率不同，各段沿轴向受到的磁力必然不均，会影响电机运动的平稳性和安全性；其次，由于非晶合金的饱和磁密比较小，将铁基非晶合金在定子上沿轴向单独布置，虽电机损耗减小，但会导致再制造电机的输出转矩大幅收缩。
日本专利2007-267493公开了一种叠压铁芯及该铁芯的制造方法，但其采用低碳钢片等不同材质进行叠压的方式，因低碳钢片的电磁性能并不理想，导致叠压形成的混合铁芯必然会在性能上有所削弱，进而导致电机的性能下降。
铁基非晶合金具有优越的软磁性能，其磁导率、电阻较硅钢高，矫顽力、涡流效应较硅钢片小，其铁损仅为硅钢片的1/3-1/5。由于其饱和磁密低于硅钢材料饱和磁密，但是，若是直接将铁芯换为铁基非晶合金材料，虽然电机损耗减小了，但是会引起再制造电机转矩收缩。
实际上，由于上述情况，目前针对制造永磁电机主要还处在研发调试阶段。
发明内容
本发明针对现有技术不足之处，提供一种基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，在保证资源得到充分利用、避免环境污染的同时，大力提升再制造永磁电机运行的平稳性，提高再制造电机的输出转矩，降低电机损耗，提高再制造电机的性能，推进再制造永磁电机的具体应用。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
本发明基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机的特点是：在所述再制造永磁电机中，永磁体采用混合永磁体，定子铁芯采用混合叠压定子铁芯，转子铁芯采用混合叠压转子铁芯，所述再制造永磁电机中包括机壳、端盖和转子轴在内的各构件为废旧永磁电机经拆卸的可用构件；
所述混合永磁体是指在沿轴向分段设置的永磁体中，至少有一段永磁体是从废旧永磁电机中拆卸的回收永磁体段和至少有一段是全新永磁体；所述回收永磁体段是处在混合永磁体的中段位置，或处在混合永磁体的端部位置上；
所述混合叠压定子铁芯是将定子铁芯沿轴向分段设置为不同材质的定子叠片段；包括第一定子叠片段和第二定子叠片段，所述第一定子叠片段与所述回收永磁体段长度相等、且处在相同的轴向位置上；所述第二定子叠片段与所述全新永磁体段长度相等、且处在相同的轴向位置上；
所述混合叠压转子铁芯是将转子铁芯沿轴向分段设置为不同材质的转子叠片段；包括第一转子叠片段和第二转子叠片段，所述第一转子叠片段与所述第一定子叠片段长度相等、且处在相同的轴向位置上；所述第二转子叠片段与第二定子叠片段长度相等、且处在相同的轴向位置上；
所述第一转子叠片段与第一定子叠片段为相同材质，均为铁基非晶合金叠片段，或均为再制造硅钢片叠片段；所述第二转子叠片段与第二定子叠片段为相同材质，均为从废旧永磁电机中的拆卸的回收硅钢片叠片段。
本发明基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：混合永磁体在沿轴向分段设置为奇数段。
本发明基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：各回收永磁体段的轴向长度之和不小于混合永磁体的轴向长度的50％。
本发明基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：
针对第一转子叠片段，按如下步骤确定其以铁基非晶合金为材质的叠片段模型：
步骤1、确定如下相关参数：
针对圆心为O的废旧永磁电机的转子外圆M：定义：磁极中心线是θ＝0的位置，偏心圆弧圆心O'处在相邻磁极对称线上；
由式(1)获得OO'间的距离即偏心距H，以此确定偏心圆弧圆心O'的位置；
Figure GDA0002245531470000021
其中：
Di1为废旧永磁电机的定子内直径，
δmin为再制造永磁电机的最小气隙长度，δmin＝g，g为废旧永磁电机的气隙长度；
δmax＝1.5δmin；
θs为跨距角，并有：
Figure GDA0002245531470000031
αp为极弧系数，p为磁极对数；
由式(2)得偏心圆半径Rp：
Figure GDA0002245531470000032
步骤2、按如下方式确定所述第一转子叠片段的铁基非晶合金叠片模型：
以O'为圆心，以Rp为半径画圆弧线，所述圆弧线交于跨距角为2θs的扇形边界，再沿转子外圆M的径向向外延伸至转子外圆M的边缘；获得第一转子叠片段的铁基非晶合金叠片模型。
本发明基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：所述再制造硅钢片叠片段是如下过程处理获得：将从废旧永磁电机中拆卸的废旧硅钢经展平后经过酸洗或物理方法去除表面涂层；再经去应力退火：设置退火温度为820-980℃，保温时间4-4.5h；保护气氛为氮气；随后，随炉冷却至室温并重新涂覆新涂层完成处理。
本发明基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：所述再制造硅钢片叠片段是将从废旧永磁电机中拆卸的废旧硅钢按如下过程依次处理获得：
步骤6.1、将从废旧永磁电机中拆卸的废旧硅钢经展平后经过酸洗或者物理方法去除表面涂层；
步骤6.2、冷轧处理：累积下压率控制为28.6-42.9％，成品厚度为0.20±0.01mm；
步骤6.3、退火处理：设置退火温度为900-950℃，保温时间为3-5min，气氛为纯氮气；
步骤6.4、空冷至室温，再经切割成型并重新涂覆新涂层完成处理。
本发明基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：所述回收硅钢片叠片段是指从废旧永磁电机中拆卸的经检测可直接使用的旧硅钢叠片段。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明中材料的选择以及结构的设置大大提升了电机运行中沿轴向对称位置的受力均匀性，提升电机运行的稳定性，降低噪声。
2、本发明利用铁基非晶合金和再制造硅钢良好的磁性能，有效解决由于永磁体本身磁性下降造成电机性能降低的问题，使再制造电机在性能上得到有效提升。
3、本发明通过将各转子铁芯段与各定子铁芯段合理布置，有效克服了在定子铁芯段单独布置非晶铁基合金所引起的转矩收缩问题。
4、本发明针对以铁基非晶合金为材质的第一转子叠片段进行优化设计，增大了再制造电机运行的气隙长度、优化了再制造电机的气隙磁密，能够将电机的输出转矩较废旧永磁电机提升0.61N，显然提高了再制造永磁电机性能；
5、通过仿真分析，本发明再制造永磁电机在额定转速时的电机铁芯损耗最低约为废旧永磁电机的48.1％，电机效率较废旧永磁电机提高1％；
6、本发明针对再制造硅钢片叠片段的处理，明显提升了材料的磁性能，相关实验数据如表1和表2，在两种不同处理方式中，一种处理方式使单片损耗降低了7.36％，磁感几乎没变化；另一种处理方式中使单片损耗降低了1.23％，磁感应强度提高了3.10％；同时，处理工艺简单、易于产业化。
附图说明
图1为本发明中混合永磁体、混合叠压定子铁芯及转子铁芯配合结构示意图；
图2为本发明中混合永磁体、混合叠压定子铁芯及转子铁芯配合结构主视示意图；
图3为本发明中以铁基非晶合金为材质的第一转子叠片段优化设计模型示意图。
图3a为图3局部放大示意图；
图4为本发明不同永磁体性能减小比例下，分别使用硅钢和铁基非晶合金材料时电机转矩减小比例。
图5为本发明中再制造电机与废旧电机的损耗对比；
图6为本发明中针对铁基非晶合金转子段优化前后与废旧电机的输出转矩对比；
图中标号：1混合永磁体，1a回收永磁体段，1b全新永磁体段；2混合叠压定子铁芯，2a第一定子叠片段，2b第二定子叠片段；3混合叠压转子铁芯，3a第一转子叠片段，3b第二转子叠片段。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，其永磁体采用混合永磁体1，定子铁芯采用混合叠压定子铁芯2，转子铁芯采用混合叠压转子铁芯3，再制造永磁电机中包括机壳、端盖和转子轴在内的各构件为废旧永磁电机经拆卸的可用构件。
如图1和图2所示，混合永磁体1是指在沿轴向分段设置的永磁体中，至少有一段永磁体是从废旧永磁电机中拆卸的回收永磁体段1a和至少有一段是全新永磁体段1b；回收永磁体段1a是处在混合永磁体1的中段位置，或处在混合永磁体1的端部位置上；混合叠压定子铁芯2是将定子铁芯沿轴向分段设置为不同材质的定子叠片段；包括第一定子叠片段2a和第二定子叠片段2b，第一定子叠片段2a与回收永磁体段1a长度相等、且处在相同的轴向位置上；混合叠压转子铁芯3是将转子铁芯沿轴向分段设置为不同材质的转子叠片段；包括第一转子叠片段3a和第二转子叠片段3b，第一转子叠片段3a与第一定子叠片段2a长度相等、且处在相同的轴向位置上；第二转子叠片段3b与第二定子叠片段2b长度相等、且处在相同的轴向位置上；第一转子叠片段3a与第一定子叠片段2a为相同材质，均为铁基非晶合金叠片段，或均为再制造硅钢片叠片段；第二转子叠片段3b与第二定子叠片段2b为相同材质，均为从废旧永磁电机中的拆卸的回收硅钢片叠片段。
回收硅钢片叠片段是从废旧永磁电机中拆卸的经检测可直接使用的旧硅钢叠片段。
具体实施中，混合永磁体1在沿轴向分段设置为奇数段，图2所示中混合永磁体1在沿轴向上分为三段，回收永磁体段1a是处在混合永磁体1的中间段位置，两段全新永磁体1b分处在混合永磁体1的两端位置上。
各回收永磁体段1a的轴向长度之和不小于混合永磁体1的轴向长度的50％。
参见图3和图3a，为了优化电机气隙磁密，提升电机的输出转矩，本实施例中针对第一转子叠片段3a，按如下步骤确定其以铁基非晶合金为材质的叠片段模型：
步骤1、确定如下相关参数：
针对圆心为O的废旧永磁电机的转子外圆M：定义：磁极中心线是θ＝0的位置，偏心圆弧圆心O'处在相邻磁极对称线上；
由式(1)获得OO'间的距离即偏心距H，以此确定偏心圆弧圆心O'的位置；
Figure GDA0002245531470000051
其中：
Di1为废旧永磁电机的定子内直径，
δmin为再制造永磁电机的最小气隙长度，δmin＝g，g为废旧永磁电机的气隙长度；
δmax＝1.5δmin；
θs为跨距角，并有：
Figure GDA0002245531470000052
αp为极弧系数，p为磁极对数；
由式(2)得偏心圆半径Rp：
Figure GDA0002245531470000061
步骤2、按如下方式确定所述第一转子叠片段3a的铁基非晶合金叠片模型：
以O'为圆心，以Rp为半径画圆弧线，所述圆弧线交于跨距角为2θs的扇形边界，再沿转子外圆M的径向向外延伸至转子外圆M的边缘；获得第一转子叠片段3a的铁基非晶合金叠片模型。
优选地：将偏心距H取为66.95mm，偏心圆半径Rp取为0.7mm，跨距角θs取为2.5°。
具体实施中，再制造硅钢片叠片段可以按如下方式一或方式二的过程处理获得：
方式一：
将从废旧永磁电机中拆卸的废旧硅钢经展平后经过酸洗或物理方法去除表面涂层；再经去应力退火：设置退火温度为820-980℃，保温时间为4-4.5h；保护气氛为氮气；随后，随炉冷却至室温并重新涂覆新涂层完成处理。
方式二：
步骤6.1、将从废旧永磁电机中拆卸的废旧硅钢经展平后经过酸洗或物理方法去除表面涂层；
步骤6.2、冷轧处理：累积下压率控制为28.6-42.9％，成品厚度为0.20±0.01mm；
步骤6.3、退火处理：设置退火温度为900-950℃，保温时间为3-5min，气氛为纯氮气；
步骤6.4、空冷至室温，再经切割成型并重新涂覆新涂层完成处理。
经方式一处理的再制造硅钢片与废旧硅钢片磁性能对比如表1所示：
表1：
经方式二处理的再制造硅钢片与废旧硅钢片磁性能对比如表1所示：
表2：
Figure GDA0002245531470000071
注：表1和表2中旧硅钢损耗等数据不同，是由于试样规格不一样，且测试条件也不同，其中，表1的测试条件为：P1/50，表2的测试条件为：P1.5/50。
由表1和表2可见：采用再制造加工工艺后，可以提升废旧硅钢片的磁性能，经方式一的处理，单片损耗降低了7.36％，其磁感几乎没变化；经方式二的处理，其单片损耗降低了1.23％，磁感应强度提高了3.10％；本实施例中经方式一和方式二处理的再制造硅钢片使用了新涂层，新涂层相对于使用多年的涂层，绝缘性更好，极大地有利于降低涡流损耗；再制造硅钢片较之废旧永磁电机拆卸的硅钢片具有更好的磁性能，将其布置为回收永磁体段1a，可以有效减弱由于永磁体本身磁性下降造成电机性能降低的问题，使再制造电机的性能有效提高；布置定转子叠片段沿轴向的长度与各永磁体段沿轴向的长度相等以及沿轴向成基数段对称布置相同材质，保证了电机运行中沿轴向对称位置的受力均匀，有效提升电机运行的稳定性，降低噪声。
本发明中在定子铁芯采用了部分损耗低、磁感高和饱和磁密低的铁基非晶合金，可以大大降低铁损，提高再制造电机的效率，如图5中曲线A1和曲线A3示意为再制造电机铁损，曲线A2为废旧电机铁损；将其布置在回收永磁体段对应的轴向位置，由于硅钢和铁基非晶合金材料对永磁体本身磁性下降敏感度不同，相同下降量下铁基非晶合金材料的输出转矩更高，因此能有效减弱因永磁体本身磁性下降造成电机性能降低的问题。
如图4所示为本发明中不同永磁体性能减小比例下，分别使用硅钢和铁基非晶合金材料时电机转矩减小比例曲线；其中，曲线A为铁基非晶，曲线B为硅钢，使再制造电机的性能得到有效提升；布置定转子叠片段沿轴向的长度与各永磁体段沿轴向的长度一一对应形成相等，以及沿轴向成基数段对称布置相同材质，能保证电机运行过程中沿轴向对称位置受力均匀，提升电机运行的稳定性，降低噪声；针对定子铁芯段单独布置非晶铁基合金会引起转矩收缩的问题。
本发明中第一定子铁芯段对应的第一转子铁芯段均布置非晶铁基合金材料，再制造电机输出转矩收缩幅度大大缩小，图6中B1和B3分别为优化前后电机的输出转矩，B2为废旧电机输出转矩；同时，针对第一转子叠片段的结构进行优化设计，增加了再制造电机的气隙长度、优化再制造电机的气隙磁密，可以将电机的输出转矩再提升0.61N，其高于原电机输出转矩。如图5所示的还能减小再制造电机运行的损耗。
本发明大大提高了永磁电机的循环再利用价值、降低浪费、降低成本，在永磁电机的再制造方法的普及上有着广泛的经济效益和社会效益。

Claims (6)

1.一种基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，其特征是：在所述再制造永磁电机中，永磁体采用混合永磁体(1)，定子铁芯采用混合叠压定子铁芯(2)，转子铁芯采用混合叠压转子铁芯(3)，所述再制造永磁电机中包括机壳、端盖和转子轴在内的各构件为废旧永磁电机经拆卸的可用构件；
所述混合永磁体(1)是指在沿轴向分段设置的永磁体中，至少有一段永磁体是从废旧永磁电机中拆卸的回收永磁体段(1a)和至少有一段是全新永磁体(1b)；所述回收永磁体段(1a)是处在混合永磁体(1)的中段位置，或处在混合永磁体(1)的端部位置上；所述混合叠压定子铁芯(2)是将定子铁芯沿轴向分段设置为不同材质的定子叠片段；包括第一定子叠片段(2a)和第二定子叠片段(2b)，所述第一定子叠片段(2a)与所述回收永磁体段(1a)长度相等、且处在相同的轴向位置上；所述第二定子叠片段(2b)与所述全新永磁体段(1b)长度相等、且处在相同的轴向位置上；所述混合叠压转子铁芯(3)是将转子铁芯沿轴向分段设置为不同材质的转子叠片段；包括第一转子叠片段(3a)和第二转子叠片段(3b)，所述第一转子叠片段(3a)与所述第一定子叠片段(2a)长度相等、且处在相同的轴向位置上；所述第二转子叠片段(3b)与第二定子叠片段(2b)长度相等、且处在相同的轴向位置上；
所述第一转子叠片段(3a)与第一定子叠片段(2a)为相同材质，均为铁基非晶合金叠片段，或均为再制造硅钢片叠片段；所述第二转子叠片段(3b)与第二定子叠片段(2b)为相同材质，均为从废旧永磁电机中的拆卸的回收硅钢片叠片段；
针对第一转子叠片段(3a)，按如下步骤确定其以铁基非晶合金为材质的叠片段模型：
步骤1、确定如下相关参数：
针对圆心为O的废旧永磁电机的转子外圆M：定义：磁极中心线是θ＝0的位置，偏心圆弧圆心O'处在相邻磁极对称线上；
由式(1)获得OO'间的距离即偏心距H，以此确定偏心圆弧圆心O'的位置；
其中：
Di1为废旧永磁电机的定子内直径，
δmin为再制造永磁电机的最小气隙长度，δmin＝g，g为废旧永磁电机的气隙长度；
δmax＝1.5δmin；
θs为跨距角，并有：
αp为极弧系数，p为磁极对数；
由式(2)得偏心圆半径Rp：
Figure FDA0002245531460000021
步骤2、按如下方式确定所述第一转子叠片段(3a)的铁基非晶合金叠片模型：
以O'为圆心，以Rp为半径画圆弧线，所述圆弧线交于跨距角为2θs的扇形边界，再沿转子外圆M的径向向外延伸至转子外圆M的边缘；获得第一转子叠片段(3a)的铁基非晶合金叠片模型。
2.根据权利要求1所述的基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，其特征是：混合永磁体(1)在沿轴向分段设置为奇数段。
3.根据权利要求1所述的基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，其特征是：各回收永磁体段(1a)的轴向长度之和不小于混合永磁体(1)的轴向长度的50％。
4.根据权利要求1所述的基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，其特征是：所述再制造硅钢片叠片段是如下过程处理获得：将从废旧永磁电机中拆卸的废旧硅钢经展平后经过酸洗或者物理方法去除表面涂层；再经去应力退火：设置退火温度为820-980℃，保温时间4-4.5h；保护气氛为氮气；随后，随炉冷却至室温并重新涂覆新涂层完成处理。
5.根据权利要求1所述的基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，其特征是：所述再制造硅钢片叠片段是将从废旧永磁电机中拆卸的废旧硅钢按如下过程依次处理获得：
步骤5.1、将从废旧永磁电机中拆卸的废旧硅钢经展平后经过酸洗或者物理方法去除表面涂层；
步骤5.2、冷轧处理：累积下压率控制为28.6-42.9％，成品厚度为0.20±0.01mm；
步骤5.3、退火处理：设置退火温度为900-950℃，保温时间为3-5min，气氛为纯氮气；
步骤5.4、空冷至室温，再经切割成型并重新涂覆新涂层完成处理。
6.根据权利要求1所述的基于混合永磁体和混合叠压铁芯的再制造永磁电机，其特征是：所述回收硅钢片叠片段是指从废旧永磁电机中拆卸的经检测可直接使用的旧硅钢叠片段。
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