CN108539941A - 一种磁力变速永磁电机及其隔磁环的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁力变速永磁电机及其隔磁环的制备方法，包括转轴、定子、永磁体、隔磁环、高速内转子、调磁环和低速外转子，所述调磁环采用轴向分段的方式由圆周方向间隔分布的调磁块和非调磁块组成，所述低速外转子为磁场调制齿轮低速转子，所述定子由定子铁芯和定子绕组组成。所述隔磁环的制备材料包括含量摩尔比为Fe2O3：58‑70％，TiO2：10‑20％，MnO2：10‑20％和微量添加物的组分；所述微量添加物的摩尔比为NiO：1‑3％、ZnO：1‑3％、CuO：0.5‑1.5％、CoO：0.5‑1％和填料：1‑2.8％。本发明的隔磁环的机械性能和物理性能均较优，具有很好的隔磁效果，防止电磁场向外泄露、有效地消除了磁场调制齿轮气隙谐波磁场的负面影响，降低了永磁电机与磁场调制齿轮主磁通的相互耦合作用。
Description
技术领域
本发明属于电机设备技术领域，具体涉及一种磁力变速永磁电机及其隔磁环的制备方法。
背景技术
能源和环保已成为21世纪经济可持续发展的两大瓶颈。作为能耗增长最快的运输业，改变现有运输方式，寻找其他能源，已刻不容缓。当前，纯电动汽车以其节能、环保等优势，逐渐发展成为汽车行业中的新秀，大力发展电动车也成为国际取得高度共识的技术路线。然而受到当前技术条件下电池瓶颈问题的影响，纯电动汽车单次充电续驶里程较短，充电时间过长且电池组价格昂贵，及要求匹配充电站等大型基础设施，这些问题都限制了纯电动汽车在消费市场的推广，于是混合动力汽车应运而生并得到了迅速的发展。
目前，混合动力汽车采用的是基于行星齿轮变速机构的机械式混合动力耦合系统来实现能量的混合，该机械式混合动力耦合系统具有结构紧凑、传动比大、载荷高、工作可靠的优点。然而，该系统的不足之处在于其核心部件行星齿轮为纯机械装置，其结构和工作状态较为复杂，振动和噪声问题严重，影响整个混合动力耦合系统的运行精度、效率和使用寿命；此外，用于混合动力汽车的驱动电机应具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高的特性，特殊的应用场合使得混合动力汽车用电机高功率密度、高效率及宽调速范围是急需突破的技术瓶颈。
磁力变速永磁无刷电机利用磁力变速，虽有效解决了混合动力汽车中机械齿轮带来的机械摩擦、损耗等问题，提高了电机的转矩及功率密度。但仍存在以下问题：(1)磁齿轮与永磁电机的磁场相互影响，限制了电机极槽配合的多样化选择，不利于复合电机的优化设计；(2)调磁块的存在使得电机的铁耗形成机理更加复杂，铁耗难以精确计算；(3)磁场调制原理使得气隙磁场谐波含量丰富，气隙谐波磁场将导致电机损耗增加、效率下降等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题之一，并提出了一种磁力变速永磁电机及其隔磁环的制备方法，有效地消除了磁场调制齿轮气隙谐波磁场的负面影响，降低了永磁电机与磁场调制齿轮主磁通的相互耦合作用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种磁力变速永磁电机，其从内到外依次包括转轴、定子、隔磁环、高速内转子、调磁环和低速外转子，还包括永磁体，所述调磁环采用轴向分段的方式由圆周方向间隔分布的调磁块和非调磁块组成；所述永磁体包括内层永磁体、中层永磁体和外层永磁体，所述内层永磁体位于所述定子和所述隔磁环之间，所述中层永磁体位于所述高速内转子和所述调磁环之间，所述外层永磁体位于所述调磁环和所述低速外转子之间；所述低速外转子为磁场调制齿轮低速转子；所述定子由定子铁芯和定子绕组组成；所述隔磁环位于所述内层永磁体和所述高速内转子之间。
优选的，所述调磁块材料为硅钢片或非晶合金稀土材料或铁镍合金，所述非调磁块材料为非导磁的铝。
优选的，所述永磁体均采用Halbach充磁，所述永磁体由沿圆周方向均匀排布的多块永磁体构成，每块永磁体由圆周方向均匀切分成四段的永磁体分段组成；沿顺时针方向，每块永磁体中第一、三永磁体分段沿圆周方向充磁，并且充磁方向相反，每块永磁体中第二、四永磁体分段沿轴向充磁，并且充磁方向相反。
优选的，所述隔磁环外侧面与所述高速内转子内侧面结构相互配合连接或卡接。
优选的，所述隔磁环的制备材料包括含量摩尔比为Fe2O3：58-70％，TiO2：10-20％，MnO2：10-20％和微量添加物的组分。
优选的，所述微量添加物包括NiO、ZnO、CuO、CoO中的一种或多种和填料。
优选的，所述微量添加物的摩尔比包括NiO：1-3％、ZnO：1-3％、CuO：0.5-1.5％、CoO：0.5-1％和填料：1-2.8％。
另外，本发明还提供了一种上述磁力变速永磁电机隔磁环的制备方法，包括以下步骤：
a)按照各原料相应摩尔比含量称量各原料，并进行充分混合；
b)将混合均匀后所得的原料在球磨机内球磨2.5-3.5h，转速为350-450r/min，使原料粉末被磨成颗粒均匀的料粉；
c)将所述料粉加水搅拌成浆料，浇注到模具中，在磁场中进行定向压型，在磁场定向处理过程中，边定向处理边挤压，排出液分后，获得高取向度以及一定致密度的坯料；
d)将步骤c)所得的坯料在700-800℃炉内烧制10-12h；800-1100℃烧制3-4h；再按50-80℃/h降温8-10h，关炉自然降温，降温后即形成所述隔磁环。
优选的，所述磁场取向处理是在粉体颗粒处于完全松装的状态下进行的。
优选的，所述隔磁环机械性能为抗拉强度450MPa-550MPa，延伸率2％-3％，冲击值15J/cm2-30J/cm2，布氏硬度260HB-290HB；物理性能为导磁率达到＜1.0h/m，电阻率3.5μΩm-6μΩm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中固定在所述内层永磁体外侧的所述隔磁环的外侧面连接在所述高速内转子内侧面，隔磁效果非常好，防止电磁场向外泄露，有效抑制了永磁体向所述高速内转子内侧漏磁，从而使得内转子轴上没有磁场分布，因此内转子轴材料可以采用普通钢材，降低加工制造成本；同时结构简单，充分利用了电磁力，提高了永磁体的利用率；同时，在内层永磁体和所述高速内转子之间设置隔磁环，有效地消除了磁场调制齿轮气隙谐波磁场的负面影响，降低了永磁电机与磁场调制齿轮主磁通的相互耦合作用。
2、磁力变速永磁电机该采用双转子结构，不仅解决了混合动力汽车机械齿轮传动所带来摩擦损耗、振动噪声、机械疲劳等问题，同时充分利用了磁场调制式磁齿轮的内部空间，提高了整个传动系统的效率。
3、本发明中制备所述隔磁环所使用原料、原料配比以及所述隔磁环的制备方法均是为了达到更好的隔磁效果而通过多次实验筛选得到的，即利用本发明中所述的制备所述隔磁环的原料、原料配比和制备方法，能够得到无论是物理性能还是机械性能均有较优的隔磁环，将本发明中制备得到的隔磁环应用在本发明中的磁力变速永磁电机中，提高了永磁电机的电机效率，同时延长了永磁电机的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的磁力变速永磁电机的结构示意图，
图2为一块永磁体的充磁方向示意图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
如图1所示，本发明为一种磁力变速永磁电机，其从内到外依次包括转轴1、定子2、隔磁环3、高速内转子4、调磁环9和低速外转子7，还包括永磁体6，所述调磁环9采用轴向分段的方式减小涡流损耗，所述调磁环9由圆周方向间隔分布的调磁块5和非调磁块8组成；所述永磁体6包括内层永磁体、中层永磁体和外层永磁体，所述内层永磁体位于所述定子2和所述隔磁环3之间，所述中层永磁体位于所述高速内转子4和所述调磁环9之间，所述外层永磁体位于所述调磁环9和所述低速外转子7之间；所述低速外转子7为磁场调制齿轮低速转子；所述定子2由定子铁芯和定子绕组组成；所述隔磁环3位于所述内层永磁体和所述高速内转子4之间。所述转轴1、所述定子2、所述隔磁环3和所述内层永磁体构成永磁电机，所述高速内转子4、所述中层永磁体、所述调磁环9、所述外层永磁体和所述低速外转子7构成磁场调制齿轮，所述永磁电机与所述磁场调制齿轮采用套筒式结构集合构成同心式结构。所述隔磁环3外侧面与所述高速内转子4内侧面结构相互配合或卡接，例如，所述隔磁环3呈外锯齿状，所述高速内转子4呈内锯齿状，使所述隔磁环3和所述高速内转子4嵌合；所述隔磁环3呈凹槽状，与呈凸起状的所述高速内转子4相互卡接；所述隔磁环3和所述高速内转子4均为圆筒状，与其他部件采用套筒式结构集合构成同心式结构。
所述调磁块5材料为硅钢片或非晶合金稀土材料或铁镍合金，所述非调磁块8材料为非导磁的铝。
如图2所示，所述永磁体6均采用Halbach充磁，所述永磁体6由沿圆周方向均匀排布的多块永磁体构成，每块永磁体由圆周方向均匀切分成四段的永磁体分段组成；沿顺时针方向，每块永磁体中第一、三永磁体分段沿圆周方向充磁，并且充磁方向相反，每块永磁体中第二、四永磁体分段沿轴向充磁，并且充磁方向相反。
所述隔磁环3的组分含量摩尔比为Fe2O3：58-70％，TiO2：10-20％，MnO2：10-20％和微量添加物，所述微量添加物包括NiO、ZnO、CuO、CoO中的一种或多种和填料，所述微量添加物的摩尔比包括NiO：1-3％、ZnO：1-3％、CuO：0.5-1.5％、CoO：0.5-1％和填料：1-2.8％，所述填料优选为滑石粉。
另一实施例还提供了一种磁力变速永磁电机的隔磁环的制备方法，包括以下步骤：
a)按照各原料相应摩尔比含量称量各原料，并进行充分混合；
b)将混合均匀后所得的原料在球磨机内球磨2.5-3.5h，转速为350-450r/min，使原料粉末被磨成颗粒均匀的料粉；
c)将所述料粉加水搅拌成浆料，浇注到模具中，在磁场中进行定向压型，在磁场定向处理过程中，浆料的松装密度高，边定向处理边挤压，排出液分后，获得高取向度以及一定致密度的坯料；
d)将步骤c)所得的坯料在700-800℃炉内烧制10-12h；800-1100℃烧制3-4h；再按50-80℃/h降温8-10h，关炉自然降温，降温后即形成所述隔磁环3。
其中，所述磁场取向处理是在粉体颗粒处于完全松装的状态下进行的，当粉体颗粒处于完全松装的状态下时，利于对粉体颗粒均匀地磁场取向处理，更利于得到的一定致密度的坯料。
所述隔磁环机械性能为抗拉强度450MPa-550MPa，延伸率2％-3％，冲击值15J/cm2-30J/cm2，布氏硬度260HB-290HB；物理性能为导磁率达到＜1.0h/m，电阻率3.5μΩm-6μΩm。同时具备优异的机械性能和物理性能的隔磁环，应用在本发明中，有效地消除了磁场调制齿轮气隙谐波磁场的负面影响，降低了永磁电机与磁场调制齿轮主磁通的相互耦合作用。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明中隔磁环的组分含量摩尔比为Fe2O3：65％，TiO2：14％，MnO2：15％，NiO：1.5％，ZnO：1.5％，CuO：0.7％、CoO：0.8％和填料：1.5％，采用实施例1中的制备方法，以本实施例2所述的组分配方可制备得到隔磁环，其中，所述制备方法步骤b)中，球磨时间为3h，转速为400r/min，所述步骤d)中，坯料在750℃炉内烧11h；950℃烧制3.5h；再按70℃/h降温9h，关炉自然降温，降温后即形成所述隔磁环3。
实施例3
在实施例1的基础上，本发明中隔磁环的组分含量摩尔比为Fe2O3：58％，TiO2：11％，MnO2：20％，NiO：3％，ZnO：3％，CuO：1.5％、CoO：0.7％和填料2.8％，采用实施例2中的制备方法，制备得到所述隔磁环3。
实施例4
在实施例1的基础上，本发明中隔磁环的组分含量摩尔比为Fe2O3：70％，TiO2：15％，MnO2：10％，NiO：1.7％，ZnO：1.3％、CuO：0.5％、CoO：0.5％和填料1％，采用实施例2中的制备方法，制备得到所述隔磁环3。
对比例1
按照组分含量摩尔比为Fe2O3：71％，TiO2：9％，MnO2：8％，NiO：3.1％，ZnO：3.2％，CuO：1.6％、CoO：1.1％和填料3.0％，采用实施例2中的制备方法，制备得到所述隔磁环3。
对比例2
按照组分含量摩尔比为Fe2O3：57％，TiO2：27％，MnO2：9％，NiO：3.4％，ZnO：0.9％，CuO：0.4％、CoO：1.4％和填料0.9％，采用实施例2中的制备方法，制备得到所述隔磁环3。
将实施例2、3、4和对比例1、2制备得到的相同大小形状的隔磁环经安捷伦4991A阻抗仪测试其复数磁导率，得到的磁性能如下表：
通过实施例2、3、4和对比例1、2的性能测试对比结果可以看出，按照本发明所述的隔磁环制备组分配比范围，用同样的制备方法来制备得到的隔磁环与非以本发明所述的隔磁环制备组分配比范围来制备所得的隔磁环相比，具有更高的磁导率，更低的磁损耗。按照本发明所述的组分配比和制备方法来制备所述隔磁环，能够有效抑制本发明所述的磁力变速永磁电机中永磁体向所述高速内转子内侧漏磁，从而使得内转子轴上没有磁场分布，同时消除了磁场调制齿轮气隙谐波磁场的负面影响，降低了永磁电机与磁场调制齿轮主磁通的相互耦合作用，这些是其他成分或相同成分但不同配比的材料制备所得的隔磁环所不能达到的。
本发明中添加了隔磁环的所述磁力变速永磁电机，有效地消除了磁场调制齿轮气隙谐波磁场的负面影响，降低了永磁电机与磁场调制齿轮主磁通的相互耦合作用；同时，结构简单，电磁力受到了充分利用，从而提高了永磁体的利用率。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
Claims (10)
1.一种磁力变速永磁电机，其从内到外依次包括转轴(1)、定子(2)、隔磁环(3)、高速内转子(4)、调磁环(9)和低速外转子(7)，还包括永磁体(6)，其特征在于，所述调磁环(9)采用轴向分段的方式由圆周方向间隔分布的调磁块(5)和非调磁块(8)组成；所述永磁体(6)包括内层永磁体、中层永磁体和外层永磁体，所述内层永磁体位于所述定子(2)和所述隔磁环(3)之间，所述中层永磁体位于所述高速内转子(4)和所述调磁环(9)之间，所述外层永磁体位于所述调磁环(9)和所述低速外转子(7)之间；所述低速外转子(7)为磁场调制齿轮低速转子；所述定子(2)由定子铁芯和定子绕组组成；所述隔磁环(3)位于所述内层永磁体和所述高速内转子(4)之间。
2.根据权利要求1所述的一种磁力变速永磁电机，其特征在于，所述调磁块(5)材料为硅钢片或非晶合金稀土材料或铁镍合金，所述非调磁块(8)材料为非导磁的铝。
3.根据权利要求1所述的一种磁力变速永磁电机，其特征在于，所述永磁体(6)均采用Halbach充磁，所述永磁体(6)由沿圆周方向均匀排布的多块永磁体构成，每块永磁体由圆周方向均匀切分成四段的永磁体分段组成；沿顺时针方向，每块永磁体中第一、三永磁体分段沿圆周方向充磁，并且充磁方向相反，每块永磁体中第二、四永磁体分段沿轴向充磁，并且充磁方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种磁力变速永磁电机，其特征在于，所述隔磁环(3)外侧面与所述高速内转子(4)内侧面结构相互配合连接或卡接。
5.根据权利要求4所述的一种磁力变速永磁电机，其特征在于，所述隔磁环(3)的制备材料包括含量摩尔比为Fe2O3：58-70％，TiO2：10-20％，MnO2：10-20％和微量添加物的组分。
6.根据权利要求5所述的一种磁力变速永磁电机，其特征在于，所述微量添加物包括NiO、ZnO、CuO、CoO中的一种或多种和填料。
7.根据权利要求6所述的一种磁力变速永磁电机，其特征在于，所述微量添加物的摩尔比包括NiO：1-3％、ZnO：1-3％、CuO：0.5-1.5％、CoO：0.5-1％和填料：1-2.8％。
8.一种根据权利要求4-7任一项所述隔磁环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)按照各原料相应摩尔比含量称量各原料，并进行充分混合；
b)将混合均匀后所得的原料在球磨机内球磨2.5-3.5h，转速为350-450r/min，使原料粉末被磨成颗粒均匀的料粉；
c)将所述料粉加水搅拌成浆料，浇注到模具中，在磁场中进行定向压型，在磁场定向处理过程中，边定向处理边挤压，排出液分后，获得高取向度以及一定致密度的坯料；
d)将步骤c)所得的坯料在700-800℃炉内烧制10-12h；800-1100℃烧制3-4h；再按50-80℃/h降温8-10h，关炉自然降温，降温后即形成所述隔磁环(3)。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述磁场取向处理是在粉体颗粒处于完全松装的状态下进行的。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述隔磁环(3)机械性能为抗拉强度450MPa-550MPa，延伸率2％-3％，冲击值15J/cm2-30J/cm2，布氏硬度260HB-290HB；物理性能为导磁率达到＜1.0h/m，电阻率3.5μΩm-6μΩm。
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