一种基于混合定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机

摘要

本发明公开了一种基于混合定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机，其混合定子铁芯分体设置为定子铁芯外圈和定子铁芯内圈并以“T”结构嵌插连接；定子铁芯外圈、定子铁芯内圈和混合转子铁芯均沿轴向分段设置，其中第一转子叠片段、第一定子铁芯内圈段与定子铁芯外圈铁基非晶合金段长度相等并且处在相同的轴向位置上，第二转子叠片段、第二定子铁芯内圈段与定子铁芯外圈再制造硅钢段长度相等并且处在相同的轴向位置上，第一转子叠片段与第一定子铁芯内圈段均为再制造硅钢片叠片段；第二转子叠片段与第二定子铁芯内圈段均为铁基非晶合金叠片段。本发明在充分利用废旧电机拆卸下的硅钢片的同时，使再制造电机的性得到有效提升。

说明书

技术领域

本发明涉及电机设备领域，特别是涉及一种径向耦合的混合定子铁芯和混合转子铁芯以及其在大功率再制造永磁同步电机中的应用，属于电机再制造领域。

背景技术

20世纪60年代以来，全球经济以前所未有的高速度持续发展，但忽略了环境污染，带来了全球变暖、臭氧层破坏、酸雨等恶果。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。

21世纪以来，受困于能源危机和环境恶化等问题，新能源汽车作为一款低污染、高环保操的交通工具高度契合了国家绿色发展的战略需求。然而，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2015.12.02)公开了一种新能源汽车电机的再制造方法，将混合叠压定子铁芯由废旧电机的硅钢叠片和铁基非晶合金在轴向进行叠压而成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降低。

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阶段。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于混合定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机，能够在充分利用废旧电机拆卸下的硅钢片的同时，使再制造电机的性得到有效提升。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明基于混合定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机的特点是：将定子铁芯分体设置为定子铁芯外圈和定子铁芯内圈，所述定子铁芯外圈、定子铁芯内圈，以及混合转子铁芯均为混合叠压结构；在所述定子铁芯外圈和定子铁芯内圈之间采用“T”字型结构嵌插连接；

所述定子铁芯外圈沿轴向分段设置，在其轴向分段结构中，至少有一段定子铁芯外圈段为定子铁芯外圈再制造硅钢段，其余部分为定子铁芯外圈铁基非晶合金段；

所述定子铁芯内圈沿轴向分段设置，其轴向分段结构包括第一定子铁芯内圈段和第二定子铁芯内圈段，所述第二定子铁芯内圈段与所述定子铁芯外圈再制造硅钢段长度相等并且处在相同的轴向位置上，所述第一定子铁芯内圈段与定子铁芯外圈铁基非晶合金段长度相等并且处在相同的轴向位置上；

所述混合转子铁芯沿轴向分段设置，其轴向分段结构中包括第一转子叠片段和第二转子叠片段，所述混合转子铁芯的两端均设置为第一转子叠片段，所述第一转子叠片段与所述第一定子铁芯内圈段长度相等并且处在相同的轴向位置上；所述第二转子叠片段与所述第二定子铁芯内圈段长度相等并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铁芯内圈段为相同材质，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铁芯内圈段为相同材质，均为铁基非晶合金叠片段。

本发明基于混合定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：针对所述第二转子叠片段，按如下步骤确定其铁基非晶合金叠片模型：

步骤1、确定如下相关参数：

废旧永磁电机相关参数包括：定子内直径D_i1，气隙长度g，转子圆外径最大值(D_i1-2g)；

再制造永磁电机相关参数包括：最小气隙长度为δ_min，δ_min＝g；

针对圆心为O的废旧永磁电机的转子外圆M：定义：极内偏心槽的偏心圆圆心为O₁，极间偏心槽的偏心圆圆心为O₂，O₁处在单一磁极对称线A1上、O₂处在相邻两磁极对称线A2上，极内偏心槽和极间偏心槽的中心线的夹角为τ/2；设置：极内偏心槽槽深d₁、极间偏心槽槽深d₂，极内偏心跨距角θ_s1，极间偏心跨距角θ_s2，单一磁极对称线A1为θ_s1＝0的位置，相邻磁极对称线A2为θ_s2＝0的位置；

由式(1)分别获得极内偏心槽偏心距H₁和极间偏心槽偏心距H₂，

由式(2)分别获得极内偏心槽半径R_p1和极间偏心槽半径R_p2，

其中：j＝1,2；

步骤2、确定所述第二转子叠片段的铁基非晶合金叠片模型：

以O₁为圆心，以R_p1为半径画圆弧至与单一磁极对称线的夹角为θ_s1的扇形边界处，再沿转子外圆M的径向外延伸至转子外圆M的边缘；并且，以O₂为圆心，以R_p2为半径画圆弧至与相邻两磁极对称线的夹角为θ_s2扇形边界处，再沿转子外圆M的径向外延伸至转子外圆M的边缘，获得第二转子叠片段的铁基非晶合金叠片模型。

本发明基于混合定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：所述在定子铁芯外圈和定子铁芯内圈之间采用“T“字型结构嵌插连接是指定子铁芯内圈的外圆周面上设置“T”形凸起，在所述定子铁芯外圈的内圆周面上相应设置“T”凹槽，在所述“T”形凸起和“T”形凹槽之间形成嵌插连接，所述“T”形凸起位于定子铁芯的槽部所对应的位置处。

本发明基于混合定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：所述“T”字型结构嵌插连接是处在由定子铁芯外圈和定子铁芯内圈构成的混合定子铁芯的轭部位置上；定子铁芯外圈再制造硅钢段的外圆周面到“T”形凹槽的槽底面的距离不小于20mm；定子铁芯外圈铁基非晶合金段的外圆周面到“T”形凹槽的槽底面的距离不小于5mm；第一定子铁芯内圈段的槽部的槽底面到第一定子内圈段的外圆周面的距离不小于20mm；第二定子铁芯内圈段的槽部的槽底面到第二定子内圈段的外圆周面的距离不小于5mm。

本发明基于混合定子铁芯和混合转子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方式处理获得：将从废旧电机中拆卸的废旧硅钢经展平、酸洗或物理处理去除表面涂层；在820℃-980℃的温度下进行去应力退火，保温时间为4-4.5小时，保护气氛为氮气；随炉冷却至室温，再经切割成型并重新涂覆新涂层完成处理。

本发明基于混合定子铁芯和混合转子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方式处理获得：将从废旧电机中拆卸的废旧硅钢经展平、酸洗或物理处理去除表面涂层；经冷轧使其厚度为减薄为0.20±0.01mm，再经切割成型，最后在气氛条件下，以900-950℃的温度进行退火，保温3-5分钟后，随炉冷却至室温，再经切割成型并重新涂覆新涂层完成处理，所述气氛为N₂。

本发明基于混合定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机的特点也在于：所述再制造永磁电机是指功率不小于25kw，定子轭部的宽度不小于25mm的永磁电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中第一转子叠片段、第一定子铁芯内圈段和混合定子铁芯外圈非晶合金段长度相等并且处在相同的轴向位置上，以及第二转子叠片段、第二定子铁芯内圈段和混合定子铁芯外圈再制造硅钢段长度相等并且处在相同的轴向位置上，这一结构形式有效地保证了电机在运行过程中轴向对称位置的受力均匀性、降低噪声；其将第二转子叠片段与第二定子铁芯内圈段设置为长度相等并处于相同的轴向位置上，能够有效抑制由于铁基非晶合金饱和磁密小导致转矩收缩的情况。在额定转速时，本发明再制造电机的定子铁芯损耗是废旧电机的40％-70％。

2、本发明针对第二转子叠片段的铁基非晶合金叠片模型进行优化气隙长度分布，减小了气隙磁密中的谐波含量，改善了气隙磁场波形，降低了铁芯损耗，增大了电机的输出转矩，改善了电机运行的平稳性，电机的性能得到提高。

3、仿真分析表明，本发明再制造电机的转矩提高了2.6％。

4、本发明通过对第二转子叠片段的铁基非晶合金叠片模型进行优化设计，使再制造电机的电机转矩得到提高，并使电机性能得到有效提升。

5、本发明中再制造工艺流程简单、易于工业化实现；在解决废旧硅钢片的处理问题的同时，显著改善电机综合性能，相关技术方案适用于各领域大功率永磁同步电机，也适用于多极和高转速电机的再制造。

附图说明

图1为本发明再制造电机具体实施-结构示意图；

图2为本发明再制造电机模型俯视图；

图3为本发明再制造电机的结构剖面图；

图4为非晶合金转子段转子叠片再设计八分之一模型示意图；

图5为再制造电机与旧电机空载损耗随转速变化趋势；

图6为再制造电机与旧电机转矩对比；

图中标号：1定子铁芯外圈，2定子铁芯内圈，3混合转子铁芯，1-1为“T”凹槽，2-1为“T”形凸起，1a定子铁芯外圈再制造硅钢段，1b定子铁芯外圈铁基非晶合金段，2a第一定子铁芯内圈段，2b第二定子铁芯内圈段，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定子铁芯和混合转子铁芯的再制造永磁电机，是将定子铁芯分体设置为定子铁芯外圈1和定子铁芯内圈2，定子铁芯外圈1、定子铁芯内圈2，以及混合转子铁芯3均为混合叠压结构；在定子铁芯外圈1和定子铁芯内圈2之间采用“T“字型结构嵌插连接；是指在定子铁芯内圈2的外圆周面上设置“T”形凸起2-1，在定子铁芯外圈1的内圆周面上相应设置“T”凹槽1-1，在“T”形凸起2-1和“T”形凹槽1-1之间形成嵌插连接，“T”形凸起2-1位于定子铁芯的槽部所对应的位置处，以保证定子铁芯内圈和定子铁芯外圈的强度，相关的嵌插连接也可以采用燕尾槽的结构形式。

参见图3，本实施例中，将定子铁芯外圈1沿轴向分段设置，在其轴向分段结构中，至少有一段定子铁芯外圈段为定子铁芯外圈再制造硅钢段1a，其余部分为定子铁芯外圈铁基非晶合金段1b；将定子铁芯内圈2沿轴向分段设置，其轴向分段结构包括第一定子铁芯内圈段2a和第二定子铁芯内圈段2b，第二定子铁芯内圈段2b与定子铁芯外圈再制造硅钢段1a长度相等并且处在相同的轴向位置上，第一定子铁芯内圈段2a与定子铁芯外圈铁基非晶合金段1b长度相等并且处在相同的轴向位置上；本实施例利用性能优异的铁基非晶合金材料，能有效降低电机损耗、提升电机性能，并充分利用废旧电机中的硅钢片，避免资源浪费。

将混合转子铁芯3沿轴向分段设置，其轴向分段结构中包括第一转子叠片段3a和第二转子叠片段3b，混合转子铁芯的两端均设置为第一转子叠片段3a，第一转子叠片段3a与第一定子铁芯内圈段2a长度相等并且处在相同的轴向位置上，第二转子叠片段3b与第二定子铁芯内圈段2b长度相等并且处在相同的轴向位置上；由于铁基非晶合金材料的饱和磁密较低，直接在定子铁芯内圈使用铁基非晶合金材料会导致转矩收缩，影响电机性能，本实施例中的结构形式能够有效抑制电机转矩收缩情况。

第一转子叠片段3a与第一定子铁芯内圈段2a为相同材质，均为再制造硅钢片叠片段；第二转子叠片段3b与第二定子铁芯内圈段2b为相同材质，均为铁基非晶合金叠片段；因铁基非晶合金材料的脆性，避免将第二转子叠片段3b置于混合转子铁芯的端部，可以保证产品结构可靠。

具体实施中，定子铁芯外圈1与定子铁芯内圈2在混合定子铁芯的轭部通过“T”字型结构嵌插连接，并设置：

定子铁芯外圈再制造硅钢段1a的外圆周面到“T”形凹槽的槽底面的距离不小于20mm；

定子铁芯外圈铁基非晶合金段1b的外圆周面到“T”形凹槽的槽底面的距离不小于5mm；

第一定子铁芯内圈段2a的槽部的槽底面到第一定子内圈段2a的外圆周面的距离不小于20mm；

第二定子铁芯内圈段2b的槽部的槽底面到第二定子内圈段2b的外圆周面的距离不小于5mm。

参见图4，本实施例针对第二转子叠片段3b，按如下步骤确定其铁基非晶合金叠片模型：

步骤1、确定如下相关参数：

废旧永磁电机相关参数包括：定子内直径D_i1，气隙长度g，转子圆外径最大值(D_i1-2g)；

再制造永磁电机相关参数包括：最小气隙长度为δ_min，δ_min＝g；

针对圆心为O的废旧永磁电机的转子外圆M：定义：极内偏心槽的偏心圆圆心为O₁，极间偏心槽的偏心圆圆心为O₂，O₁处在单一磁极对称线A1上、O₂处在相邻两磁极对称线A2上，极内偏心槽和极间偏心槽的中心线的夹角为τ/2；设置：极内偏心槽槽深d₁、极间偏心槽槽深d₂，极内偏心跨距角θ_s1，极间偏心跨距角θ_s2，单一磁极对称线A1为θ_s1＝0的位置，相邻磁极对称线A2为θ_s2＝0的位置；

由式(1)分别获得极内偏心槽偏心距H₁和极间偏心槽偏心距H₂

由式(2)分别获得极内偏心槽半径R_p1和极间偏心槽半径R_p2，

其中：j＝1,2；

步骤2、确定所述第二转子叠片段的铁基非晶合金叠片模型：

以O₁为圆心，以R_p1为半径画圆弧至与单一磁极对称线的夹角为θ_s1的扇形边界处，再沿转子外圆M的径向外延伸至转子外圆M的边缘；并且，以O₂为圆心，以R_p2为半径画圆弧至与相邻两磁极对称线的夹角为θ_s2扇形边界处，再沿转子外圆M的径向外延伸至转子外圆M的边缘，获得第二转子叠片段的铁基非晶合金叠片模型；

通过调整d₁、d₂、θ_s1和θ_s2的值，可以获得不同的设计模型，优选地：设置极内偏心槽槽深d₁为0.3mm，极间偏心槽槽深d₂为1mm，极内偏心跨距角θ_s1为13.5°，极间偏心跨距角θ_s2为18°，这一结构形式可有效减小气隙磁密中的谐波含量，改善气隙磁场波形，降低铁芯损耗，增大电机的输出转矩，改善电机运行的平稳性，电机的性能得到提高。仿真分析结果表达，再制造电机的转矩提高了2.6％。

具体实施中，针对再制造硅钢片叠片段可以按如下方式一或方式二处理获得：

方式一：

将从废旧电机中拆卸的废旧硅钢经展平、酸洗或物理处理去除表面涂层；在820℃-980℃的温度下进行去应力退火，保温时间为4-4.5小时，保护气氛为氮气；随炉冷却至室温，再经切割成型并重新涂覆新涂层完成处理。

方式二：

将从废旧电机中拆卸的废旧硅钢经展平、酸洗或物理处理去除表面涂层；经冷轧使其厚度为减薄为0.20±0.01mm，再经切割成型，最后在气氛条件下，以900-950℃的温度进行退火，保温3-5分钟后，随炉冷却至室温，再经切割成型并重新涂覆新涂层完成处理，所述气氛为N₂。

本实施例中再制造永磁电机是指功率不小于25kw、定子轭部的宽度不小于25mm的永磁电机；由于铁基非晶合金材料损耗仅为硅钢材的六分之一，而大功率电机的铁芯材料质量较大，故对其再制造效果更佳显著。

电机硅钢片在其装配和使用中不可避免地出现结构上的损坏，这些损坏将导致硅钢片无法直接用于再制造电机中；本发明技术方案中，对于轭部完好而齿部结构存在损坏情况时，经处理和切割后可用于定子铁芯外圈，对于轭部损坏而齿部完好的情况，经处理和切割后可用于定子铁芯内圈。

表1所示为经本实施中方式一处理的再制造硅钢片与废旧硅钢片磁性能对比：

表1：

表2所示为经本实施例中方式二处理后，再制造硅钢片与废旧硅钢片磁性能对比：

表2

注：表示1和表2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测试条件为P_1/50，表2测试条件为：P_1.5/50。

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，其单片损耗分别降低了7.36％和1.23％，经方式一的处理其磁感几乎没变化，经方式二的处理其磁感应强度提高了3.10％；本实施例中经处理的再制造硅钢片使用了新的涂层，新的涂层相对于使用多年的涂层，其绝缘性更好，极大地有利于降低涡流损耗。

本发明采用混合定子铁芯和混合转子铁芯，电机端盖等其它零部件采用废旧电机中的可用部件，充分利用废旧电机中的材料，因铁基非晶合金材料性能的优越性，以及合理设置混合定子铁芯和混合转子铁芯，并将第二转子叠片段的铁基非晶合金叠片进行模型优化设计，使电机转矩增加了2.4％，铁耗减小了40％-70％，电机效率提升了1％-2％，电机性能得到有效提升，图5示出了本发明中再制造永磁同步电机与废旧电机空载损耗随转速变化趋势，其中，E1为废旧电机的空载损耗，E2为再制造电机的空载损耗；图6示出了本发明中再制造永磁同步电机与废旧电机的转矩对比，其中C1为废旧电机的转矩，C2为采用混合定子铁芯和混合转子铁芯但未对转子结构进行再设计的再制造电机的转矩，C3为再制造电机的转矩。