CN113285541B - 一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子及制备方法，转子包括转轴、在转轴表面缠绕的多层磁负载层级结构磁性材料、碳纤维保护套，磁负载层级结构磁性材料总共包含三层，底层和表层均为碳纤维，中间层为磁粉胶膜，构成碳纤维‑磁粉胶膜‑碳纤维的结构，与现有的单层碳纤维上涂覆磁粉胶膜的磁性材料相比，能够实现产品化，可以预先制备出磁性材料，无需在制作转子的过程中制备磁性材料，从而降低了转子制造的时间成本，并且，与现有技术中同等含量碳纤维的磁性材料相比，相当于对碳纤维进行分层，这样碳纤维分层厚度越薄，碳纤维分布越整齐，磁性材料的抗拉强度越好，从而可以提高磁性材料的力学性能，进而可以提升转子的强度。

Description

一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子及制备方法

技术领域

本发明涉及电机转子磁性材料领域，尤其涉及一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子及制备方法。

背景技术

复合磁性材料是高速永磁同步电机转子的重要组成部分，为高速永磁同步提供磁能，实现机电能量的转换。高速永磁同步电机的转子温升和应力集中限制了高速永磁同步电机向大功率、高转速方向的发展。

中国申请202010971138.1提出一种高速永磁同步电机复合转子螺旋缠绕制备方法，在该专利中，通过在碳纤维预浸料表面铺覆磁粉胶膜，制备复合磁性材料，这种复合磁性材料只能在制作转子的过程中边制备边使用，并不能将复合磁性材料预先制备出来实现产品化，从而增加了转子制造的时间成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子及制备方法，用以将复合磁性材料预先制备出来实现产品化，从而降低转子制造的时间成本。

本发明提供的一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子，包括转轴、在所述转轴表面缠绕的多层磁负载层级结构磁性材料以及与所述多层磁负载层级结构磁性材料过盈装配的碳纤维保护套；其中，

所述磁负载层级结构磁性材料总共包含三层，底层和表层均为碳纤维，中间层为磁粉胶膜。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料中，用于沿转轴的周向循环绕制成多层结构的复合磁性材料层，所述磁粉胶膜内混合有多种类型、多种尺寸的磁粉，两层碳纤维的厚度相同。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料中，每层碳纤维内浸有环氧树脂。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料中，所述磁粉胶膜内混合有三种尺寸的磁粉，分别为200μm~250μm、100μm~120μm和30μm~50μm。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料中，每层碳纤维的厚度为0.03mm~0.05mm，所述磁粉胶膜的厚度为0.1mm~0.34mm。

本发明还提供了一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子的制备方法，包括如下步骤：

S1：牵引两条碳纤维沿同一个方向以相同速度匀速运动，在运动过程中，两条碳纤维先被分布为上、下两条，后被叠加在一起；在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜；其中，不同层磁粉胶膜内磁粉的尺寸不同；

S2：在两条碳纤维叠加在一起后，对其依次进行初步挤压、高频磁化、深度挤压和加热处理，得到磁负载层级结构磁性材料；

S3：在转轴表面缠绕多层磁负载层级结构磁性材料，将碳纤维保护套与多层磁负载层级结构磁性材料过盈装配，得到电机转子。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制备方法中，步骤S1中，在两条碳纤维被分布为上、下两条之前，还包括：

将两条碳纤维叠加在一起后完全浸入环氧树脂中，所述环氧树脂的温度为55℃~60℃。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制备方法中，步骤S1中，在两条碳纤维从环氧树脂中出来被分布为上、下两条之后，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜之前，还包括：

将上方碳纤维的下表面和下方碳纤维的上表面多余的环氧树脂刮掉。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制备方法中，步骤S1中，在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜，具体包括：

在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂三层层叠的磁粉胶膜，距离下方碳纤维最近的第一层磁粉胶膜内磁粉的直径为200μm~250μm，中间第二层磁粉胶膜内磁粉的直径为100μm~120μm，距离下方碳纤维最远的第三层磁粉胶膜内磁粉的直径为30μm~50μm。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述制备方法中，在执行步骤S2中，对叠加在一起的碳纤维进行加热处理时，加热温度为130℃~140℃。

本发明提供的上述使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子及制备方法，转子包括转轴、在转轴表面缠绕的多层磁负载层级结构磁性材料以及与多层磁负载层级结构磁性材料过盈装配的碳纤维保护套，磁负载层级结构磁性材料总共包含三层，底层和表层均为碳纤维，中间层为磁粉胶膜，构成碳纤维-磁粉胶膜-碳纤维的结构，与现有技术中单层碳纤维上涂覆磁粉胶膜的磁性材料相比，能够实现产品化，也就是说，可以预先制备出磁性材料，无需在制作转子的过程中制备磁性材料，从而降低了转子制造的时间成本，并且，与现有技术中同等含量碳纤维的磁性材料（单层碳纤维上涂覆磁粉胶膜）相比，相当于对碳纤维进行分层，这样，碳纤维分层厚度越薄，碳纤维分布越整齐，磁性材料的抗拉强度越好，从而可以有效提高磁性材料的力学性能，进而可以提升转子的强度。此外，磁粉胶膜内混合有多种类型、多种尺寸的磁粉，可以增强磁性材料的致密性，提高磁性材料磁性能。高频磁化可以使磁粉发生振动和旋转，从而有效地将环氧树脂与磁粉混合，将不同尺寸的磁粉混合，将细磁粉充分填充到粗磁粉的孔隙中，进而可以充分填充磁粉空隙，增大磁粉的填充率，增强磁性材料的均匀性，避免由于磁性材料的磁性分布不均而导致高速永磁电机气隙磁场不对称带来的一系列问题。对磁性材料进行加热处理，不仅可以提高磁性材料的整体性，还可以保证磁性材料具有可缠绕性，后续可以缠绕在电机转轴上，连续缠绕之后完成电机转子的制备。

附图说明

图1为本发明提供的一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子的结构示意图；

图2为本发明使用的磁负载层级结构磁性材料的结构示意图；

图3为本发明提供的一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子的制备方法的流程图；

图4为本发明提供的一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子的制备方法中高频磁化所使用的高频磁化器的结构示意图。

附图标记说明：转轴1；多层磁负载层级结构磁性材料2；碳纤维保护套3；碳纤维4；磁粉胶膜5；变频器6；线圈7；硅钢片8；极头9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子，如图1所示，包括转轴1、在转轴1表面缠绕的多层磁负载层级结构磁性材料2以及与多层磁负载层级结构磁性材料2过盈装配的碳纤维保护套3；磁负载层级结构磁性材料，如图2所示，总共包含三层，底层和表层均为碳纤维4，中间层为磁粉胶膜5，构成碳纤维4-磁粉胶膜5-碳纤维4的结构。

本发明提供的上述电机转子，所使用的磁负载层级结构磁性材料，总共包含三层，底层和表层均为碳纤维，中间层为磁粉胶膜，构成碳纤维-磁粉胶膜-碳纤维的结构，与现有技术中单层碳纤维上涂覆磁粉胶膜的磁性材料相比，能够实现产品化，也就是说，可以预先制备出磁性材料，无需在制作转子的过程中制备磁性材料，从而降低了转子制造的时间成本，并且，与现有技术中同等含量碳纤维的磁性材料（单层碳纤维上涂覆磁粉胶膜）相比，相当于对碳纤维进行分层，这样，碳纤维分层厚度越薄，碳纤维分布越整齐，磁性材料的抗拉强度越好，从而可以有效提高磁性材料的力学性能，进而可以提升转子的强度。

在具体实施时，本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料，用于沿转轴的周向循环绕制成多层结构的复合磁性材料层，磁粉胶膜内混合有多种类型、多种尺寸的磁粉，可以增强磁性材料的致密性，提高磁性材料的磁性能，从而可以提高转子的强度。具体地，磁粉胶膜内可以混合各向同性的多种类型、多种尺寸的磁粉，或者，磁粉胶膜内也可以混合各向异性的多种类型、多种尺寸的磁粉，在此不做限定。两层碳纤维的厚度相同，可以提高碳纤维材料的利用率，对比相同碳纤维含量的单层碳纤维复合磁性材料，可以提升复合磁性材料的拉伸强度。

在具体实施时，在本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料中，为了保证碳纤维内部的应力特性，每层碳纤维内可以浸有环氧树脂。

在具体实施时，在本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料中，磁粉胶膜可以混合有三种尺寸的磁粉，例如，磁粉胶膜内可以混合有尺寸为200μm~250μm的磁粉、尺寸为100μm~120μm的磁粉和尺寸为30μm~50μm的磁粉。

在具体实施时，在本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料中，一方面，考虑磁性材料单位体积内的磁粉含量尽可能大，另一方面，为了减少碳纤维的工艺成本，每层碳纤维的厚度可以选择0.03mm~0.05mm范围。在本发明提供的上述磁负载层级结构磁性材料中，磁粉胶膜的厚度可以为0.1mm~0.34mm，该厚度范围可以在保证复合磁性材料磁性能的前提下，减少在轴向方向磁粉胶膜的迁移和溢出。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：

S1：牵引两条碳纤维沿同一个方向以相同速度匀速运动，在运动过程中，两条碳纤维先被分布为上、下两条，后被叠加在一起；在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜；其中，不同层磁粉胶膜内磁粉的尺寸不同；

具体地，可以将进料速度控制在0.1m/s~0.5m/s范围；

S2：在两条碳纤维叠加在一起后，对其依次进行初步挤压、高频磁化、深度挤压和加热处理，得到磁负载层级结构磁性材料；

S3：在转轴表面缠绕多层磁负载层级结构磁性材料，将碳纤维保护套与多层磁负载层级结构磁性材料过盈装配，得到电机转子。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述制备方法中的步骤S1时，在两条碳纤维被分布为上、下两条之前，还可以执行如下操作：将两条碳纤维叠加在一起后完全浸入环氧树脂中，环氧树脂的温度控制在55℃~60℃范围。将环氧树脂的温度控制在55℃~60℃范围可以防止环氧树脂凝固，将两条碳纤维叠加在一起后完全浸入环氧树脂中，可以保证碳纤维内部的应力特性。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述制备方法中的步骤S1时，在两条碳纤维从环氧树脂中出来被分布为上、下两条之后，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜之前，还可以执行如下操作：将上方碳纤维的下表面和下方碳纤维的上表面多余的环氧树脂刮掉，这样可以有效控制两条碳纤维表面的环氧树脂的厚度。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述制备方法中的步骤S1时，在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜，具体可以通过以下方式来实现：在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂三层层叠的磁粉胶膜，距离下方碳纤维最近的第一层磁粉胶膜内磁粉的直径为200μm~250μm，中间第二层磁粉胶膜内磁粉的直径为100μm~120μm，距离下方碳纤维最远的第三层磁粉胶膜内磁粉的直径为30μm~50μm。在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜，不同层磁粉胶膜中磁粉的尺寸不同，并且是按磁粉尺寸由大到小的顺序分层铺覆在下方碳纤维的上表面，这样，可以增强磁性材料的致密性，提高磁性材料磁性能。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述制备方法中的步骤S2时，对叠加在一起的碳纤维进行加热处理时，加热温度为130℃~140℃。对磁性材料进行加热处理，不仅可以提高磁性材料的整体性，还可以保证磁性材料具有可缠绕性，后续可以缠绕在电机转轴上，连续缠绕之后完成电机转子的制备。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述制备方法中的步骤S2时，对叠加在一起的碳纤维进行初步挤压和深度挤压，可以通过两组压辊来实现。实现初步挤压的一组压辊中，两个压辊间的距离可以控制在0.5mm~0.6mm范围，初步挤压的压力不宜过大，否则影响下一阶段的高频磁化。实现深度挤压的一组压辊中，两个压辊间的距离可以控制在0.2mm~0.4mm范围，可以避免磁粉胶膜与碳纤维之间产生缝隙。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述制备方法中的步骤S2时，对叠加在一起的碳纤维进行高频磁化，具体可以通过如图4所示的高频磁化器来实现。如图4所示，高频磁化器可以包括：变频器6、线圈7、硅钢片8以及两个极头9；其中，变频器6的两个输出端分别与线圈7的两端连接，线圈7缠绕在硅钢片8上，硅钢片8的两端分别与两个极头9连接，两个极头9之间产生交变的高频磁场，产生的交变的高频磁场可以对叠加在一起的碳纤维进行高频磁化。在高频磁场作用下，磁粉会发生振动和旋转，这样，可以有效地将环氧树脂与磁粉混合，并且，还可以将不同尺寸的磁粉混合，将细磁粉充分填充到粗磁粉的孔隙中，从而可以充分填充磁粉空隙，增大磁粉的填充率，降低磁性材料的孔隙率，增强磁性材料的均匀性，避免由于磁性材料的磁性分布不均而导致高速永磁电机气隙磁场不对称带来的一系列问题。

下面通过一个具体的实施例对本发明提供的上述使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子的制备方法的具体实施进行详细说明。

实施例1：

第一步：牵引两条碳纤维沿同一个方向以相同速度0.1m/s匀速运动，每条碳纤维的厚度为0.05mm，在运动过程中，将两条碳纤维叠加在一起后完全浸入环氧树脂中，环氧树脂的温度为55℃，两条碳纤维从环氧树脂中出来后被分布为上、下两条，将上方碳纤维的下表面和下方碳纤维的上表面多余的环氧树脂刮掉，在下方碳纤维的上表面喷涂三层层叠的磁粉胶膜，距离下方碳纤维最近的第一层磁粉胶膜内磁粉的直径为200μm，中间第二层磁粉胶膜内磁粉的直径为100μm，距离下方碳纤维最远的第三层磁粉胶膜内磁粉的直径为30μm，将两条碳纤维叠加在一起。

第二步：对叠加在一起的碳纤维依次进行初步挤压、高频磁化、深度挤压和加热处理，加热温度为130℃，得到磁负载层级结构磁性材料。

第三步：在转轴表面缠绕多层磁负载层级结构磁性材料，将碳纤维保护套与多层磁负载层级结构磁性材料过盈装配，得到电机转子。

本发明提供的上述使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子及制备方法，包括转轴、在转轴表面缠绕的多层磁负载层级结构磁性材料以及与多层磁负载层级结构磁性材料过盈装配的碳纤维保护套，磁负载层级结构磁性材料总共包含三层，底层和表层均为碳纤维，中间层为磁粉胶膜，构成碳纤维-磁粉胶膜-碳纤维的结构，与现有技术中单层碳纤维上涂覆磁粉胶膜的磁性材料相比，能够实现产品化，也就是说，可以预先制备出磁性材料，无需在制作转子的过程中制备磁性材料，从而降低了转子制造的时间成本，并且，与现有技术中同等含量碳纤维的磁性材料（单层碳纤维上涂覆磁粉胶膜）相比，相当于对碳纤维进行分层，这样，碳纤维分层厚度越薄，碳纤维分布越整齐，磁性材料的抗拉强度越好，从而可以有效提高磁性材料的力学性能，进而可以提升转子的强度。此外，磁粉胶膜内混合有多种类型、多种尺寸的磁粉，可以增强磁性材料的致密性，提高磁性材料磁性能。高频磁化可以使磁粉发生振动和旋转，从而有效地将环氧树脂与磁粉混合，将不同尺寸的磁粉混合，将细磁粉充分填充到粗磁粉的孔隙中，进而可以充分填充磁粉空隙，增大磁粉的填充率，增强磁性材料的均匀性，避免由于磁性材料的磁性分布不均而导致高速永磁电机气隙磁场不对称带来的一系列问题。对磁性材料进行加热处理，不仅可以提高磁性材料的整体性，还可以保证磁性材料具有可缠绕性，后续可以缠绕在电机转轴上，连续缠绕之后完成电机转子的制备。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种使用磁负载层级结构磁性材料的电机转子的制备方法，

所述电机转子包括转轴、在所述转轴表面缠绕的多层磁负载层级结构磁性材料以及与所述多层磁负载层级结构磁性材料过盈装配的碳纤维保护套；其中，

所述磁负载层级结构磁性材料总共包含三层，底层和表层均为碳纤维，中间层为磁粉胶膜；

其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

S1：牵引两条碳纤维沿同一个方向以相同速度匀速运动，在运动过程中，两条碳纤维先被分布为上、下两条，后被叠加在一起；在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜；其中，不同层磁粉胶膜内磁粉的尺寸不同；

S2：在两条碳纤维叠加在一起后，对其依次进行初步挤压、高频磁化、深度挤压和加热处理，得到磁负载层级结构磁性材料；

S3：在转轴表面缠绕多层磁负载层级结构磁性材料，将碳纤维保护套与多层磁负载层级结构磁性材料过盈装配，得到电机转子。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在两条碳纤维被分布为上、下两条之前，还包括：

将两条碳纤维叠加在一起后完全浸入环氧树脂中，所述环氧树脂的温度为55℃~60℃。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在两条碳纤维从环氧树脂中出来被分布为上、下两条之后，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜之前，还包括：

将上方碳纤维的下表面和下方碳纤维的上表面多余的环氧树脂刮掉。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂多层层叠的磁粉胶膜，具体包括：

在两条碳纤维分离阶段，在下方碳纤维的上表面喷涂三层层叠的磁粉胶膜，距离下方碳纤维最近的第一层磁粉胶膜内磁粉的直径为200μm~250μm，中间第二层磁粉胶膜内磁粉的直径为100μm~120μm，距离下方碳纤维最远的第三层磁粉胶膜内磁粉的直径为30μm~50μm。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在执行步骤S2中，对叠加在一起的碳纤维进行加热处理时，加热温度为130℃~140℃。

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