CN110912362B - 一种双性能磁阻电机高速转子铁芯热处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双性能磁阻电机高速转子铁芯热处理装置及方法，涉及磁阻电机转子铁芯热处理领域，能够同时增强转子铁芯的磁性能和机械应力，在转子铁芯极处实现最佳导磁性能，在内孔处实现最佳机械强度。本发明装置包括：加热器、冷却管、密封箱、驱动泵、管道、第一温度传感器、第二温度传感器、温度控制器。本发明方法包括：对磁阻电机转子铁芯梯度热处理方法，对磁阻电机转子铁芯加热或冷却，同时保障热处理的环境安全可靠。本发明可实现对磁阻电机转子铁芯的双性能热处理，具有较高的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及磁阻电机转子铁芯热处理领域，尤其涉及一种双性能磁阻电机高速转子铁芯热处理装置及方法。
背景技术
航空电机转速的提高可以有效提高电机的功率密度。高速电机转子铁芯高速旋转将承受巨大的离心力，这将要求转子铁芯材料具有高屈服强度特点。铁钴钒软磁合金具有高饱和磁密特点，在航空航天电机中得到广泛应用，目前铁钴钒软磁合金的饱和磁密为2.4T，矫顽力为125A/m以下，屈服强度为360Mpa，其机械强度难以满足高速电机的发展。铁钴钒软磁合金经过低温热处理后可以有效提高屈服强度，但是材料的磁性能有很大的降低，720℃低温热处理后饱和磁密，矫顽力360A/m，机械强度达630Mpa。低温热处理后的软磁合金材料用于高速电机，虽然可以保证其机械结构上的稳定，但是电机的损耗和发热会很严重，大大降低了高速电机的电磁性能。在高速电机转子铁芯中，最大的机械应力出现在转子铁芯内孔处，在转子铁芯极处机械应力较小远远低于转子铁芯内径处的机械应力。由此可见高速电机转子铁芯受力是非均匀的，而且呈现一定的规律。
综上，现有技术中缺少同时具有良好磁性能和机械应力的高速电机转子铁芯。
发明内容
本发明提供一种双性能磁阻电机高速转子铁芯热处理装置及方法，能够同时增强转子铁芯的磁性能和机械应力，在转子铁芯极处实现最佳导磁性能，在内孔处实现最佳机械强度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理装置，包括：加热器、冷却管、密封箱、驱动泵、管道、第一温度传感器、第二温度传感器、温度控制器。
待处理的铁芯设置在密封箱箱体中，冷却管穿过铁芯，铁芯的圆周上设置加热器。驱动泵设置在密封箱外，冷却管的一端管道连接驱动泵，驱动泵通过管道连接冷却管的另一端，形成通路，通路内充入冷却介质。铁芯的每个极处安装第一温度传感器，铁芯的内孔处安装第二温度传感器。温度控制器分别连接第一温度传感器、第二温度传感器、加热器。
进一步的，驱动泵前端连接冷却剂箱。
进一步的，冷却管远离驱动泵的一端连接散热器，散热器设置在密封箱外。
进一步的，冷却介质为液体冷却剂。
进一步的，密封箱内腔中充入惰性气体。
本发明还提供了一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理方法，包括：
1)分析确定铁芯的应力分布情况，根据热处理温度对铁芯材料的机械性能和磁性能影响规律表，查表获得在保证铁芯机械性能的前提下，铁芯不同位置的热处理保温温度和温度变化规律；
2）根据铁芯不同位置的热处理保温温度和温度变化规律，分析得到满足机械性能条件下铁芯内圆和极处温度变化曲线；
3)根据铁芯内圆和极处温度变化曲线，温度控制器控制加热器和冷却管工作，控制铁芯温度至目标温度，保持铁芯各处的温度随内圆和极处温度变化曲线的规律进行变化。
进一步的，热处理温度对铁芯材料的机械性能和磁性能影响规律表通过铁芯材料在不同均温热处理的条件下测试获得，测试内容包含材料的屈服强度，抗拉强度，直流磁性能，矫顽力，损耗特性。
本发明的有益效果是：
本发明根据电机实际运行时转子铁芯各位置性能要求的实验数据，对转子铁芯极处进行加热，转子铁芯内孔处进行冷却，形成温度梯度，既保证了极处的导磁性能，也保证了内孔处的机械强度；
通过温度传感器、温度控制器，形成了闭环温度控制电路，保证了温度的可调性和准确性；
转子铁芯每一极都配有独立的温度控制装置，可以对每一极实现独立的温度控制；
安全可靠，加热过程在密封箱内完成，并且充满保护气体防止转子铁芯发生氧化反应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是铁芯的结构示意图；
图2是磁阻电机极顶与内圆处热处理温度变化图(1)；
图3是磁阻电机极顶与内圆处热处理温度变化图(2)；
图4是实施例装置的结构示意图；
图5是铁芯和温度传感器的连接示意图；
图6是铁芯和加热器、冷却管的连接示意图。
1-铁芯、2-加热器、3-冷却管、4-转接口、5-密封箱接口、6-保护气体、7-密封箱、8-驱动泵、9-散热器、10-管道、11-冷却剂箱、12-加热器信号线、13-第一温度传感器、14-密封圈、15-温度控制器、16-第二温度传感器。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理装置，如图4所示，包括：加热器2、冷却管3、转接口4、密封箱接口5、保护气体6、密封箱7、驱动泵8、散热器9、管道10、冷却剂箱11、加热器信号线12、第一温度传感器13、密封圈14、温度控制器15、第二温度传感器16。
待处理的铁芯1如图1所示，采用铁钴软磁材料，设置在密封箱7箱体中，冷却管3穿过铁芯1，铁芯1的圆周上设置加热器2。
冷却管3的两端分别通过转接口4连接密封箱接口5，密封箱接口5穿过密封箱7，密封箱接口5和密封箱7的连接处设置密封圈14，密封箱7内充入保护气体6。
驱动泵8设置在密封箱7外，驱动泵8和其中一个密封箱接口5连接，驱动泵8的另一端通过管道10连接散热器9，散热器9的另一端连接另一个密封箱接口5，形成冷却回路。冷却回路中充入液体冷却介质或者气体冷却介质。当充入气体冷却介质时，可以去除散热器9和冷却剂箱11。
铁芯1的每个极处安装第一温度传感器13，如图6所示，铁芯1的内孔处安装第二温度传感器16。第一温度传感器13采用表贴式传感器。PI控制器15分别连接第一温度传感器13、第二温度传感器16、加热器2，加热器2通过加热器信号线12连接温度控制器15，如图5所示。
本实施例还提供了一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理方法，首先对高速磁阻电机转子的铁芯进行力学分析，确定铁芯受力分布情况。
分析结果为：高速磁阻电机转子铁芯力学分布特点从极顶到内圆应力逐步增强。内圆处应力最大，极根部出现应力集中。铁芯极顶应力最小选择最佳磁性能热处理温度T1为850℃。根据热处理温度对铁钴软磁合金材料力学性能的影响结果查表得最大应力处（内圆处）热处理温度为T2。
其次，根据铁芯不同位置的热处理保温温度和温度变化规律，分析得到满足机械性能条件下铁芯1内圆和极处温度变化曲线，具体如下：
内圆热处理温度T2大于750℃时, 随炉转子铁芯极顶处温度升温到850℃，保温4小时，以50℃/小时速度冷却到750℃，然后以200℃/小时速度冷却到300℃。内圆处温度保持T2℃，保温至转子铁芯极顶温度为750℃。然后高速转子铁芯整体温度一致一起随极顶温度变化规律变化。整体转子铁芯极顶与转子铁芯内圆处温度变化如图2所示。在极顶温度为750℃开始交1240~1600A/m直流磁场，退火介质为露点不高于-40℃的氢气。
内圆热处理温度T2小于750℃时, 随炉转子铁芯极顶处温度升温到850℃，保温4小时，以50℃/小时速度冷却到750℃，然后以200℃/小时速度冷却到300℃。内圆处温度保持T2℃，保温6小时。转子铁芯内圆在相同时间内与极顶温度同时均匀到达300℃。整体转子铁芯极顶与转子铁芯内圆处温度变化如图3所示。在极顶温度为750℃开始交1240~1600A/m直流磁场，退火介质为露点不高于-40℃的氢气。
最后，依据铁芯内圆和极处温度变化曲线，采用PI算法控制铁芯温度，使其贴近上述温度变化曲线，处理后即可得到符合机械性能和磁性能的磁阻电机转子铁芯，具体步骤如下：
将磁阻电机转子铁芯固定在密封箱中，再通过转接口与密封箱接口实现密封连接后。转子铁芯内孔处附加温度传感器实时反馈温度，极处安装加热器，加热器内部附加温度传感器实时反馈转子铁芯极处温度，PI温度调节器在箱外。
密封箱内充满退火介质为露点不高于-40℃的氢气，打开温度控制器，加热器将转子铁芯极处升温至850℃。每个转子铁芯极处的温度控制器独立控制各自的温度。
由于转子铁芯是良好的导热材料，因而转子铁芯内孔处与转子铁芯极处仅有较小的温差。因此在加热器开始工作的同时，驱动泵带动冷却介质进入冷却管，温度传感器实时反馈内孔处温度，保证转子铁芯内孔处的温度上升，当转子铁芯极处温度达到850 ℃时，通过调节冷却介质流量保证内孔处温度控制在T2℃。此时转子铁芯极处与转子铁芯内孔处进入恒温状态，以此实现对整体温度的调控，形成合适的温度梯度。
随后转子铁芯极顶与内圆处的温度经过温度调节器进行调节按照规定的温度变化规律进行变化。在极顶温度为750℃开始施加1240~1600A/m直流磁场。
本发明的有益效果是：
本发明根据电机实际运行时转子铁芯各位置性能要求的实验数据，对转子铁芯极处进行加热，转子铁芯内孔处进行冷却，形成温度梯度，既保证了极处的导磁性能，也保证了内孔处的机械强度；
通过温度传感器、温度控制器，形成了闭环温度控制电路，保证了温度的可调性和准确性；
转子铁芯每一极都配有独立的基于PI算法的温度控制装置，可以对每一极实现独立的温度控制；
安全可靠，加热过程在密封箱内完成，并且充满保护气体防止转子铁芯发生氧化反应。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理装置，其特征在于，包括：加热器（2）、冷却管（3）、密封箱（7）、驱动泵（8）、管道（10）、第一温度传感器（13）、第二温度传感器（16）、温度控制器（15）；
待处理的铁芯（1）设置在密封箱（7）箱体中，铁芯（1）为类圆柱形，铁芯（1）沿轴向中空，铁芯（1）的外表面上沿轴向均匀设置若干凸极，冷却管（3）穿过铁芯（1）内部中空的空间，铁芯（1）的圆周上设置加热器（2），所述铁芯（1）上的每个所述凸极上均设置一个所述加热器（2）；
驱动泵（8）设置在密封箱（7）外，冷却管（3）的一端管道连接驱动泵（8），驱动泵（8）通过管道（10）连接冷却管（3）的另一端，形成通路，通路内充入冷却介质；
铁芯（1）的每个凸极处安装第一温度传感器（13），铁芯（1）的内孔处安装第二温度传感器（16）；
温度控制器（15）分别连接第一温度传感器（13）、第二温度传感器（16）、加热器（2）。
2.根据权利要求1所述的一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理装置，其特征在于，驱动泵（8）前端连接冷却剂箱（11）。
3.根据权利要求1或2所述的一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理装置，其特征在于，冷却管（3）远离驱动泵（8）的一端连接散热器（9），散热器（9）设置在密封箱（7）外。
4.根据权利要求3所述的一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理装置，其特征在于，所述冷却介质为液体冷却剂。
5.根据权利要求1或2所述的一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理装置，其特征在于，密封箱（7）内腔中充入惰性气体（6）。
6.一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理方法，适用如权利要求1所述的一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理装置，其特征在于，包括：
1)分析确定铁芯的应力分布情况，根据热处理温度对铁芯材料的机械性能和磁性能影响规律表，查表获得在保证铁芯机械性能的前提下，铁芯不同位置的热处理保温温度和温度变化规律；
2）根据铁芯不同位置的热处理保温温度和温度变化规律，分析得到满足机械性能条件下铁芯内圆和凸极处温度变化曲线；
3)根据铁芯内圆和凸极处温度变化曲线，温度控制器控制加热器和冷却管工作，控制铁芯温度至目标温度，保持铁芯各处的温度随内圆和凸极处温度变化曲线的规律进行变化。
7.根据权利要求6所述的一种双性能磁阻电机转子铁芯热处理方法，其特征在于，所述热处理温度对铁芯材料的机械性能和磁性能影响规律表通过铁芯材料在不同均温热处理的条件下测试获得，测试内容包含材料的屈服强度，抗拉强度，直流磁性能，矫顽力，损耗特性。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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