本发明涉及一种新型复合结构定子结构在开关磁阻电机上的应用，特别是涉及采用6.5%高硅钢以及钕铁硼材料复合并通过一系列先进轧制以及加工工艺的制备，应用于电机内部新型实心定子的研发的
技术领域：
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背景技术：
：开关磁阻电机作为一种无需稀土材料的无刷直流调速电机，随着电力电子、计算机和控制技术的快速发展而迅速发展起来。其调速系统兼具有直流、交流两类调速系统的优点,并且具有结构简单，成本低，运行可靠,控制方式灵活及效率高等突出特点,已被广泛应用于电动车驱动、家用电器和电力传动、航空航天等各个领域。虽然开关磁阻电机的诸多优势使其具有广阔的应用前景,但是特殊的双凸极结构和供电方式使其在调速过程中会产生很大的振动和噪声。这种振动和噪声不但对电机自身的功能造成一定的影响,而且还会对其周围的机械振动产生影响,进而影响到整套设备的性能。研究表明,电机的电磁振动对开关磁阻电机的定子的影响最大。定子通过产生旋转磁场，为转子切割磁感线产生电流做出必要准备，因此，电机的工作效率是直接与定子所产生的磁感应强度直接关联，目前，适用于震动条件下的新型实心定子结构的研发是学者们研究的热点问题之一。在本发明中，利用高硅钢和钕铁硼材料复合经过一系列先进冶金加工工艺制备磁导率大，抗震性良好，能够产生高强磁场的实心定子，并且通过一系列冷轧工艺使得复合定子力学性能大大提高，增大电动机的额定效功率，降低实心定子的损耗；定并且提高电机运转的稳定性。技术实现要素：定子在机电能量转换中起着决定性作用，因此寻求良好磁场调制性能的定子结构，是提高该电机效率和推进产业化的关键所在；为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用高硅钢（6.5%硅含量）与钕铁硼材料在一系列热处理制度下制备的实心定子，与传统铸铁或普通硅钢片制备的实心定子相比，这种新型复合实心定子主要有以下几个优点：（1）机械强度高，结构简单，起动动性能优良。（2）实心定子电机可以产生较大的磁场强度。（3）负载稳态运行时，定子铁耗也会变小，这对提高电机的效率有益（4）复合材料结构的设计，满足了实心定子在力学和磁学上两大性能的需要。将这种定子应用于开关磁阻电机的做法，属于电动机研发相关
技术领域：
。本发明能够得到组织结构均匀，性能良好的实心定子，此实心定子具有较小的中心应力，较大临界缺陷尺寸，结构简单、机械强度与平衡性优良，铁损低等优点。本发明是一种有效的提高电机工作性能的方法，适用于开关磁阻电机在更广泛的领域的应用，本研究基于ansysworkbench平台,建立计及散热筋、接线盒和端盖的开关磁阻电机的有限元模型,并对其定子进行模态分析，分析了端盖对定子模态振型和固有频率的影响。对高硅钢-钕铁硼实心定子的机械性能，电磁性能进行评价，适用于材料性能检测
技术领域：
。开关磁阻电机在双馈运行方式时，两套定子绕组均被激励，所产生的两个不同极数的旋转磁场，依赖特殊转子的磁场调制作用，两定子绕组之间没有直接的耦合关系。因此，对于不同的转子结构，只要满足极数关系，定子可以相同。本发明中为解决两套绕组所面临的问题，采用双绕组结构的设计思想是两套定子绕组独立设计，非常容易实现不同极数的配合，原理上特别易于实现。为了减少高次谐波和互感电动势，定子绕组选择用双层和短距绕组，实现方式与常规异步电机有一定差异。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种应用于开关磁阻电机的新型结构实心定子的制备工艺工艺，包括如下步骤：a.清扫炉内，放入6.5%的硅，1%~5的氧化钴，其余用铁块填充；其中硅，钴以粉末的形式加入，熔炼炉密闭性检验，确保密闭性良好，抽真空，通入ar或n2，赶走炉内空气，然后采用电弧熔炼，压力一般<0.05mpa，在熔炼过程中采用电磁搅拌，搅拌频率为7hz~20hz，其中优选为12hz~18hz；以防止熔炼过程之中出现的成分偏析现象；b.打开炉电源，通入氮气气氛，体积在40%~70%之间，加热原则一般是高温慢低温可适度快，一般<500℃可自由升温，>550℃时加热速度小于120℃/h，样品较大可在650℃保持60min均温处理再继续升温，在850℃~1000℃保温15min~2h，温度越高，时间越长晶粒越大，之后以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温；c.清扫炉内，打开炉电源，3%~8%的氧化钕以及3%~10%的氧化硼，其余用铁块填充；其中氧化硼和氧化钕等以粉末的形式加入，采用电弧熔炼并开启电磁搅拌；退火热处理制度为：先以7℃/min的速度升温至1000℃，保温2小时；再以10℃/min的速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温；d．轧制，将熔炼好的金属锭切割为金属板材，对金属板材或箔片表面进行光洁处理，而后交替叠放在包套或轧机上，确定开轧温度在900℃~1050℃，精轧温度850℃以上,轧制道次5~10次，板坯以轧制中心线为基准进行对中，确保板坯宽度方向上两端与轧制中心线的距离一致，不能有偏差，以便轧制；e.退火处理；将钢板置于退火炉内，退火温度设在650℃~850℃之间，退火时间为40min-60min之间，之后随炉冷却至室温；f．轧制；对制备好的复合定子的采用温轧，确定开轧温度在450℃，精轧温度580℃，轧制道次5次，之后随炉冷却至室温，再对试样进行机加工即可。本发明制备实心定子后，定子涡流通过槽内导电体及其端环闭合，产生了更强的磁场，激发了转子的工作效率，提高了电机的功能指标。此前制备的光滑实心定子感应电机的力能指标较低，改善电机的性能。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1.本发明制备的新型定子具有杂质较少，化学成分分布均匀，结构致密的特点，温轧工艺能够有效消除产品内应力，而退火工艺则可以消除大量气泡以及第二相夹杂物。区别于传统硅钢制备，拥有更好的力学性能，脆性得到改善，相对于传统硅钢定子，参入三氧化二钴的高硅钢实心定子能够产生较强的运转磁场，增大了电动机的额定功率。2.本发明制备的实心定子开关磁阻电机以其独特的优点在高速电机领域会得到广泛应用，两种材料采用热轧复合发制备得到的金属基复合材料的室温强度、塑性、韧性均得到较大的提高。同时，这种方法的轧制力较小，对轧机的要求不高；工艺简单，成本低；界面结合牢固，力学性能良好。3.本发明在定子制备工艺上采用更为先进和优良的工艺，另辟蹊径，对定子的结构方面有所改进，拓宽其应用领域，在电动机性能研发领域做出重要贡献。具体实施方式以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：实施例1：一种应用于开关磁阻电机的新型结构实心定子的制备工艺，包括如下步骤：a.清扫炉内，放入6.5%的硅，1%的氧化钴，其余用铁块填充；其中硅，钴等以粉末的形式加入。熔炼炉密闭性检验，确保密闭性良好。抽真空，通入ar或n2，赶走炉内空气，然后采用电弧熔炼。压力一般<0.05mpa，在熔炼过程中采用电磁搅拌（搅拌频率为7hz~20hz），其中优选为12hz~18hz；以防止熔炼过程之中出现的成分偏析现象。b.打开炉电源，通入氮气气氛，体积在40%之间，加热原则一般是高温慢低温可适度快，一般<500℃可自由升温，>550℃时加热速度小于120℃/h，样品较大可在650℃保持60min均温处理再继续升温。在850℃~1000℃保温15min~2h，温度越高，时间越长晶粒越大，之后以80℃/h冷却速度冷却到600℃以下随炉冷或空冷降至室温。c.清扫炉内，打开炉电源，3%的氧化钕以及3的氧化硼，其余用铁块填充；其中氧化硼和氧化钕等以粉末的形式加入，采用电弧熔炼并开启电磁搅拌。退火热处理制度为：先以7℃/min的速度升温至1000℃，保温2小时；再以10℃/min的速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温。d．轧制，将熔炼好的金属锭切割为金属板材，对金属板材或箔片表面进行光洁处理，而后交替叠放在包套或轧机上，确定开轧温度在900℃~1050℃，精轧温度850℃以上,轧制道次5~10次，板坯以轧制中心线为基准进行对中，确保板坯宽度方向上两端与轧制中心线的距离一致，不能有偏差，以便轧制。e.退火处理；将钢板置于退火炉内，退火温度设在650℃~850℃之间，退火时间为40min-60min之间，之后随炉冷却至室温。f．轧制；对制备好的复合定子的采用温轧，确定开轧温度在450℃，精轧温度580℃,轧制道次5次，之后随炉冷却至室温，再对试样进行机加工即可。本实施例设计了两台定子相同的实心转子开关磁阻电动机，一台定子为普通铸钢结构，另一台定子为新制备的高硅钢-钕铁硼复合实心定子。电机基本参数如下：额定功率：pn=10.5kw；额定电压：un=ac380v；极数:2p=4；定子外径：d2=210mm；定子槽数：z=36；铁心长度：l=145mm。分别对两台电机进行性能试验，比较得出最适合在起重运行机构上使用的一种实心转子-定子开关磁阻电动机。在专门的电动机试验台上进行负载试验，采用另一台变频电动机作为负载进行加载。本实施例方法特别适用对比不同转子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢转子进行有效评价。起动性能是评价电动机重要的性能指标。为了更好对比两种电动机的起动性能，本发明采用的电磁参数计算与性能分析的方法为透入深度法，开关磁阻电机转子电阻与电抗都与转差率s有着密切的关系，因此，在给定具体的转差率s下，初步选取转子电流，计算出转子磁导率，在直角坐标系下，根据透入深度与电阻表达式r=ρl/a，求得折算到定子侧的转子电阻：本实施例得到结果分析精准，全面。实施例2：本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：一种应用于开关磁阻电机的新型结构实心定子的制备工艺，包括如下步骤：a.三氧化二钴的添加量改为2%；b.将炉内气氛调整为50%n2；c．制备定子的过程中，氧化钕的添加量为2%，氧化硼的添加量改为4%；d.转子子轧制道次改为7次，其余不变；e,f．与上面保持一致。设计了两台定子相同的实心转子开关磁阻电动机，一台转子为普通铸钢结构，另一台转子为新制备的高硅钢转子。电机基本参数如下：额定功率：pn=10.5kw；额定电压：un=ac380v；极数:2p=4；定子外径：d2=210mm；定子槽数：z=36；铁心长度：l=145mm。分别对两台电机进行性能试验，比较得出最适合在起重运行机构上使用的一种实心转子开关磁阻电动机。在专门的电动机试验台上进行负载试验，采用另一台变频电动机作为负载进行加载。本实施例方法特别适用对比不同转子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢转子进行有效评价。起动性能是评价电动机重要的性能指标。为了更好对比两种电动机的起动性能，本发明采用的电磁参数计算与性能分析的方法为透入深度法，开关磁阻电机转子电阻与电抗都与转差率s有着密切的关系，因此，在给定具体的转差率s下，初步选取转子电流，计算出转子磁导率，在直角坐标系下，根据透入深度与电阻表达式r=ρl/a，求得折算到定子侧的转子电阻：本实施例得到结果分析精准，全面。实施例3：本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：一种应用于开关磁阻电机的新型结构实心定子的制备工艺，包括如下步骤：a.三氧化二钴的添加量改为4%；b.将炉内气氛调整为80%n2；c．制备定子的过程中，氧化钕的添加量为5%，氧化硼的添加量改为6%；d.转子子轧制道次改为8次，其余不变；e,f．与上面保持一致。本实施例设计了两台定子相同的实心转子开关磁阻电动机，一台转子为普通铸钢结构，另一台转子为新制备的高硅钢转子。电机基本参数如下：额定功率：pn=10.5kw；额定电压：un=ac380v；极数:2p=4；定子外径：d2=210mm；定子槽数：z=36；铁心长度：l=145mm。分别对两台电机进行性能试验，比较得出最适合在起重运行机构上使用的一种实心转子开关磁阻电动机。在专门的电动机试验台上进行负载试验，采用另一台变频电动机作为负载进行加载。本实施例方法特别适用对比不同转子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢转子进行有效评价。起动性能是评价电动机重要的性能指标。为了更好对比两种电动机的起动性能，本发明采用的电磁参数计算与性能分析的方法为透入深度法，开关磁阻电机转子电阻与电抗都与转差率s有着密切的关系，因此，在给定具体的转差率s下，初步选取转子电流，计算出转子磁导率，在直角坐标系下，根据透入深度与电阻表达式r=ρl/a，求得折算到定子侧的转子电阻：本实施例得到结果分析精准，全面。实施例4：本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：一种应用于开关磁阻电机的新型结构实心定子的制备工艺，包括如下步骤：a.三氧化二钴的添加量改为5%；b.将炉内气氛调整为90%n2；c．制备定子的过程中，氧化钕的添加量为6%，氧化硼的添加量改为8%；d.转子子轧制道次改为10次，其余不变；e,f．与上面保持一致。本实施例设计了两台定子相同的实心转子开关磁阻电动机，一台转子为普通铸钢结构，另一台转子为新制备的高硅钢转子。电机基本参数如下：额定功率：pn=10.5kw；额定电压：un=ac380v；极数:2p=4；定子外径：d2=210mm；定子槽数：z=36；铁心长度：l=145mm。分别对两台电机进行性能试验，比较得出最适合在起重运行机构上使用的一种实心转子开关磁阻电动机。在专门的电动机试验台上进行负载试验，采用另一台变频电动机作为负载进行加载。本实施例方法特别适用对比不同转子对相同电机性能的影响，对新制备的高硅钢转子进行有效评价。起动性能是评价电动机重要的性能指标。为了更好对比两种电动机的起动性能，本发明采用的电磁参数计算与性能分析的方法为透入深度法，开关磁阻电机转子电阻与电抗都与转差率s有着密切的关系，因此，在给定具体的转差率s下，初步选取转子电流，计算出转子磁导率，在直角坐标系下，根据透入深度与电阻表达式r=ρl/a，求得折算到定子侧的转子电阻：本实施例得到结果分析精准，全面。试验对比分析：上述实施例实验测试分析的结果如下表1，表1.本发明实施例1～实施例4经电化学试验处理后的各样品检测性能参数表实施例实施例1实施例2实施例3实施例4对照试验电动机功率/w613624832467934555836221658涡流损耗/kw0.720.260.490.370.96由上述分析、计算表明，当转子锻件的冶金质量、材料性能、受力状态及运行环境相同时，新型高硅钢实心定子结构开关磁阻电机的工作性能优于普通实心定子电机，采用现代冶金技术生产的优质锻件制造实心转子是安全可行的。可以看出，三氧化二钴的加入提高了定子产生的磁场的磁感应强度，增强电动机的电磁性能；这就说明其产生的功率也要远大于普通转子电机，通过此种方式得到的实验数据是准确而全面的。本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用先进冶金方法制备高硅钢实心转子的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。当前第1页12