一种复合磁环及其制备方法与流程

1.本发明属于永磁电机技术领域，具体涉及一种复合磁环及其制备方法。


背景技术：

2.永磁电机通过永磁体生成电机的磁场，因此无需励磁电流，与传统感应电机相比，其结构更简单，运行更可靠，具备体积小、质量轻、损耗小、效率高等显著优点，广泛应用于交通、航空、国防、工业和日常生活的各个领域。近年来，随着世界各国对于“温室效应”带来的环境问题越来越重视，人们对各种电机能效要求越来越高，促使电机向小型化、轻型化及高效率化发展。在永磁电机中，磁性材料的性能对电机的结构设计及最终性能的影响非常关键，在同样绕组参数和测试条件下，磁性材料的性能越高，电机的最大扭矩就越高，其最高效率点的效率也越高。同时，对于指定功率的永磁电机，采用性能更高的磁性材料，可以减少绕组的匝数，缩小电机的尺寸。
3.另一方面，永磁电机的气隙磁场的大小与所采用永磁体的形状、尺寸(表面积与厚度)、充磁方式及磁耦合结构等密切相关。即便是相同性能的磁性材料，采用不同的磁路设计，所得到的气隙磁场大小也完全不同，因此如何采用合适的磁路结构，充分利用磁性材料的性能，也是电机领域研究的热点。
4.cn107959361a公开了一种永磁力矩电机的定子，通过密封材料将各定子齿间的槽口密封，使定子齿部呈环形整体结构，定子轭部呈另一整体结构，二者彼此可分离，因此在定子装配工艺中，将各电枢绕组装配在相应的定子齿上后可通过卡槽插合或者扣合直接将二者连接在一起。另外，当定子铁心选用纳米晶软磁合金材料或高牌号硅钢材料时有利于降低电机损耗；当转子永磁体为铁心支撑，切向充磁永磁体和径向充磁永磁体交替设置在铁心的工作气隙侧表面时，有利于提高电机转矩密度。
5.cn111164867a公开了一种永磁体载体(其可以为电机的转子或定子)包括第一非磁性环和第二非磁性环。环之间是软磁极元件。软磁极元件各自连接到第一非磁性环和第二非磁性环，并且软磁极元件被第一非磁性环和第二非磁性环彼此分离。永磁体被设置在软磁极元件之间。
6.基于上述背景，如何提出一种磁环器件及材料，可以在较小尺寸的情况下，提供高的表面，促进电机的小型化及高效化发展，成为当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种复合磁环及其制备方法，所述复合磁环选用两种不同磁性材料，并通过优化磁环的结构，有效提升了磁环的表面磁场，使其在应用与电机时，可提升电机的气隙磁场，有利于电机的小型化及高效化；所述制备方法工艺流程简单，适用于工业化生产。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种复合磁环，所述复合磁环包括同轴的内圈磁环和外
圈磁环；
10.所述内圈磁环的外壁设置有轴向的梯形棱条；
11.所述外圈磁环的内壁设置有与所述内圈磁环梯形棱条相适配的凹槽；相邻所述凹槽之间设置有磁场，相邻磁场为不同取向；
12.所述内圈磁环的材质包括软磁复合材料；所述外圈磁环的材质包括永磁复合材料。
13.本发明中，所述复合磁环充分利用软磁复合材料以及永磁复合材料的磁性特点，设计了软磁复合材料内环与永磁复合材料外环的新式结构，并通过进一步设计磁路，极大地提升了复合磁环的表面磁场；所述复合磁环具有质量轻、表磁高、强度好的优点，并且具有优异的动平衡特性，适用于各类微特电机。
14.以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
15.作为本发明优选的技术方案，所述内圈磁环的外径为35-45mm，例如35mm、37mm、39mm、41mm、43mm或45mm等；内径为30-38mm，例如30mm、32mm、34mm、36mm或38mm等，上述数值的选择并不仅限于所列举的数值，在各自的数值范围内其他未列举的数值同样适用。
16.优选地，所述内圈磁环的厚度为2.5-3.5mm，例如2.5mm、2.7mm、2.9mm、3.1mm、3.3mm或3.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
17.优选地，所述外圈磁环的外径为40-50mm，例如40mm、42mm、44mm、46mm、48mm或50mm等；内径为30-45mm，例如30mm、32mm、34mm、36mm、38mm、40mm、43mm或45mm等，上述数值的选择并不仅限于所列举的数值，在各自的数值范围内其他未列举的数值同样适用。
18.优选地，所述外圈磁环的厚度为2.5-7.5mm，例如2.5mm、3.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm或7.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
19.本发明中，内、外圈磁环的尺寸以及厚度均会对最终得到的复合磁环的性能具有一定的影响。若厚度适宜，但内、外圈磁环的尺寸过大，即整体复合磁环的尺寸过大，会导致磁环表磁波形发生变化，在峰中间出现塌陷，表磁峰值下降；若厚度适宜，但内、外圈磁环的尺寸过小，即整体复合磁环的尺寸过小，则会导致磁环总磁通的下降；若复合磁环整体尺寸适宜，但内圈磁环的厚度过厚，会造成软磁材料的浪费，同时增加磁环的总重量；若复合磁环整体尺寸适宜，但内圈磁环的厚度过薄，会导致复合磁环表面磁通下降；若复合磁环整体尺寸适宜，但外圈磁环的厚度过厚，会造成永磁材料的浪费；若复合磁环整体尺寸适宜，但外圈磁环的厚度过薄，则会复合磁环表面磁通下降。
20.作为本发明优选的技术方案，所述内圈磁环的梯形棱条高度为所述外圈磁环厚度的1/2-2/3，例如1/2、7/12或2/3等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
21.本发明中，对梯形棱条高度的控制也十分重要。若梯形棱条的高度过小，会导致表面磁通的大小及分布发生变化，出现峰值降低的情况，过大，则会导致外圈磁环强度变差，在实际使用中，因为冷热温差、震动等外部因素导致外部磁环开裂。
22.优选地，所述梯形棱条梯形截面的侧边与水平面的夹角45-60
°
，例如45
°
、50
°
、55
°
或60
°
等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
23.本发明中，梯形棱条梯形截面的侧边与水平面的夹角亦会影响复合磁环性能。若角度过小。出现表磁峰值降低；若角度过大，则会导致外圈磁环强度变差。
24.优选地，所述梯形棱条的数量为6-10个，例如6个、7个、8个、9个或10个等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
25.作为本发明优选的技术方案，所述复合磁环的表磁曲线为正弦波形。
26.优选地，所述复合磁环的平均表次峰值不小于2500gs，例如2500gs、2550gs、2600gs、2650gs、2700gs、2750gs、2800gs、2850gs、2900gs、2950gs或3000gs等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
27.第二方面，本发明提供了一种上述的复合磁环的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
28.(1)采用软磁复合材料通过注射工艺制备得到内圈磁环；
29.(2)在所得内圈磁环的基础上，通过注射工艺制备外圈磁环，从而得到复合磁环；
30.其中，制备外圈磁环所使用的模具中，设置有磁场。
31.本发明中，制备内圈磁环时，模具内无需额外增加磁场，仅需在制备外圈磁环时的模具中设置所需磁场，且采用较为成熟的注射工艺，流程简单，生产效率高，有利于大规模生产。
32.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述软磁复合材料的制备包括以下步骤：
33.①
配制表面处理溶液：将磷酸、醇溶液、锌源以及水溶性树脂混合，得到表面处理溶液；
34.②
将所得表面处理溶液依次与铁粉、硅烷偶联剂以及高分子材料混合，混合后进行混炼并切粒，得到软磁复合材料。
35.本发明中，外圈磁环的永磁复合材料可利用专利202111363515.4的方法制备得到。内圈磁环采用的软磁复合材料则采用上述方法制备得到，上述方法制备得到的软磁复合材料在保证足够软磁性能的前提下，具备良好的强度及可注射性，与现有的软磁复合材料相比，能够通过注射成型的方式，与永磁磁环一体注射成型，最终得到性能优异的复合磁环。
36.作为本发明优选的技术方案，步骤
①
所述表面处理溶液的配制，更具体地包括：将磷酸、无水乙醇、水、锌源以及水溶性树脂按顺序依次混合并加热，得到表面处理溶液。
37.优选地，所述锌源包括氧化锌。
38.优选地，所述水溶性树脂包括聚丙烯、聚酰胺或聚乙二醇中的任意一种或至少两种的组合。
39.优选地，步骤
①
所述混合的温度为70-90℃，例如70℃、75℃、80℃、85℃或90℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
40.作为本发明优选的技术方案，步骤
②
所述铁粉的粒径为50-100μm，例如50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
41.优选地，步骤
②
所述铁粉的磁导率为600-800h/m，例如600h/m、650h/m、700h/m、750h/m或800h/m等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
42.优选地，步骤
②
所述铁粉的饱和磁化强度为1.4-1.8t，例如1.4t、1.5t、1.6t、1.7t或1.8t等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
43.优选地，步骤
②
所述表面处理溶液与所述铁粉的质量比为1:(9-11)，例如1:9、1:9.5、1:10、1:10.5或1:11等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
44.作为本发明优选的技术方案，步骤
②
所述硅烷偶联剂的加入量为铁粉质量的0.5-1.5％，例如。
45.优选地，步骤
②
所述高分子材料包括pp、pa6、pa12、pom或pps中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：pp和pa6的组合，pa6和pa12的组合，pom和pps的组合等。
46.优选地，步骤
②
所述混合的温度为130-160℃，例如130℃、140℃、150℃或160℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
47.作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述的模具中，设置的磁场波形为正弦波形。
48.优选地，步骤(2)所述的模具中，设置的磁场强度为0.8-1.0t，例如0.8t、0.85t、0.9t、0.92t或1.0t等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
49.本发明中，模具内的取向磁场如果小于0.8t，外圈磁环中的磁性材料不能得到充分的取向，无法达到本发明所述的高表磁；模具内磁场强度也无需超过1.0t，因为1.0t的条件下磁性材料已经充分取向，无继续增加的必要性。
50.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
51.(1)本发明所述复合磁环充分利用软磁复合材料以及永磁复合材料的磁性特点，将两者耦合，设计了软磁复合材料内环与永磁复合材料外环的新式结构，并通过进一步设计磁路，极大地提升了复合磁环的表面磁场，还通过进一步控制设计过程中的各磁环尺寸、厚度等条件，可使复合磁环的平均表磁强度达2510gs以上；
52.(2)本发明所述复合磁环具有质量轻、表磁高、强度好的优点，并且由于复合磁环是通过注射工艺实现的永磁磁环与软磁磁环的一体成型，因而具有优异的动平衡特性，适用于各类微特电机
53.(3)本发明所述复合磁环的制备方法工艺流程简单，生产效率高，具有较好的工业应用前景。
附图说明
54.图1是本发明实施例1提供的一种复合磁环的结构示意图。
55.其中，1-内圈磁环，11-梯形棱条，2-外圈磁环，n-n极磁场，s-s极磁场。
具体实施方式
56.为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
57.以下为本发明典型但非限制性实施例：
58.实施例1：
59.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
60.首先，制备内圈磁环1所需的软磁复合材料：
61.①
配制表面处理溶液：a、将1公斤浓度为85wt％的磷酸溶液加入10公斤的无水乙醇中，然后加入200g的去离子水，充分搅拌；b、加入200g氧化锌，充分搅拌；c、然后加入300g聚乙二醇；d、将溶液加热至80℃，充分搅拌，直至水溶性树脂完全溶解；
62.②
将所得表面处理溶液加入d50为50μm、磁导率μ为800h/m、饱和磁化强度为1.8t的铁粉中，在高速混合机中搅拌30min，然后加热至150℃，继续搅拌1h，其中，所述表面处理溶液与铁粉的质量比为1:10；再向其中加入硅烷偶联剂(kh550)，搅拌30min，其中，所述硅烷偶联剂的加入量为铁粉质量的1％；然后再加入pa12粉末，继续高度搅拌1h，混合均匀后将其置于双螺杆混炼机中混炼并切粒，得到软磁复合材料。
63.其次，制备永磁复合材料，其制备方法参照专利202111363515.4中的实施例1。
64.制备复合磁环：
65.(1)利用上述得到的软磁复合材料，采用注射成型工艺制备内圈磁环1，注射温度为260℃；其中，内圈磁环1的外径为35mm，内径为30mm，厚度为2.5mm；内圈磁环1的外壁设置有8个梯形棱条11，梯形棱条11的高度是外圈磁环2厚度的1/2，其梯形截面的侧边与水平面的夹角为45
°
；
66.(2)利用上述得到的永磁复合材料，在所得内圈磁环1的基础上，通过注射工艺制备外圈磁环2，其中，模具腔体内的磁场为n极与s极交替的8极结构，波形为正弦波，磁场强度为1.0t；外圈磁环2的外径为40mm，内径为35mm，厚度为2.5mm。
67.采用上述制备方法制备得到的复合磁环的结构示意图如图1所示。
68.实施例2：
69.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：制备所述软磁复合材料时，步骤
②
选用的是d50为50μm、磁导率μ为800h/m、饱和磁化强度为1.4t的铁粉。
70.实施例3：
71.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：制备所述软磁复合材料时，步骤
②
选用的是d50为75μm、磁导率μ为700h/m、饱和磁化强度为1.6t的铁粉。
72.实施例4：
73.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：制备所述软磁复合材料时，步骤
②
选用的高分子材料时pps粉末；相应地，由于高分子材料的不同，制备复合磁环时，步骤(1)的注射温度为300℃。
74.实施例5：
75.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(2)模具腔体内的磁场强度为0.8t。
76.实施例6：
77.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制
备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)中内圈磁环1的外径为45mm，内径为38mm，厚度为3.5mm；相应地，步骤(2)中外圈磁环2的外径为50mm，内径为45mm，厚度为2.5mm。
78.实施例7：
79.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)中内圈磁环1的外径为40mm，内径为33mm，厚度为3.5mm；相应地，步骤(2)中外圈磁环2的外径为50mm，内径为40mm，厚度为5mm。
80.实施例8：
81.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)中内圈磁环1梯形棱条11的高度为外圈磁环2厚度的2/3。
82.实施例9：
83.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)中内圈磁环1，梯形棱条11梯形截面的侧边与水平面的夹角为60
°
。
84.实施例10：
85.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例6中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)中内圈磁环1的外径为45mm，内径为35mm，厚度为5mm。
86.实施例11：
87.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)中内圈磁环1的外径为35mm，内径为33mm，厚度为1mm。
88.实施例12：
89.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例6中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(2)中外圈磁环2的外径为65mm，内径为45mm，厚度为10mm。
90.实施例13：
91.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例6中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(2)中外圈磁环2的外径为47mm，内径为45mm，厚度为1mm。
92.实施例14：
93.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例6中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)中内圈磁环1的梯形棱条11高度为外圈磁环2厚度的1/3。
94.实施例15：
95.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例6中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)中内圈磁环1的梯形棱条11高度为外圈磁环2厚度的3/4。
96.实施例16：
97.本实施例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例6中的制备方法，区别仅在于：制备复合磁环时，步骤(1)内圈磁环1的外壁设置的是方形棱条，即侧边与水平面的夹角为90
°
。
98.对比例1：
99.本对比例提供了一种复合磁环及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：采用纯pa12材料代替软磁复合材料。
100.在23℃下，采用三维表磁测试仪测试实施例1-16和对比例1得到的复合磁环的平均表磁强度，结果如表1所示。
101.表1
[0102][0103][0104]
采用本发明实施例1-9所述的制备方法，制备得到的复合磁环平均表磁可达2510gs以上；与实施例6相比，实施例10中内圈磁环的厚度过厚，复合磁环虽然表磁略有增
加，但软磁复合材料用量及复合磁环总重量均增加较多；与实施例1相比，实施例11中内部磁环的厚度过薄，复合磁环表磁下降；与实施例6相比，实施例12中外圈磁环的厚度过厚，复合磁环虽然表磁有较多增加，但永磁复合材料用量及复合磁环总重量均增加较多，永磁复合材料的利用效率明显偏低；与实施例6相比，实施例13中外圈磁环的厚度过薄，导致复合磁环表磁明显下降；与实施例6相比，实施例14中内圈磁环梯形棱条的高度过小，导致复合磁环表磁下降；与实施例6相比，实施例15中内圈磁环梯形棱条的高度过大，表磁没有明显提升，但外圈磁环在注射后冷却过程中出现开裂现象；与实施例6相比，实施例16中内圈磁环采用方形棱条，磁环表磁略有提升，但复合磁环在进行可靠性测试(如冷热冲击)过程中出现开裂。
[0105]
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述复合磁环充分利用软磁复合材料以及永磁复合材料的磁性特点，将两者耦合，设计了软磁复合材料内环与永磁复合材料外环的新式结构，并通过进一步设计磁路，极大地提升了复合磁环的平均表磁强度，还通过进一步控制设计过程中的各磁环尺寸、厚度等条件，可使复合磁环的表面磁场达2510gs以上；所述复合磁环具有质量轻、表磁高、强度好的优点，并且具有优异的动平衡特性，适用于各类微特电机所述复合磁环的制备方法工艺流程简单，生产效率高，具有较好的工业应用前景。
[0106]
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。