Sm-Co/Fe_7Co_3双相纳米磁性复合材料的研究--《河北工业大学》2014年硕士论文
Sm-Co/Fe_7Co_3双相纳米磁性复合材料的研究
【摘要】：目前，如何获得具有更高磁能积的永磁材料成为材料科学家研究的重点，其中，双相纳米磁性材料以其特有的交换耦合作用而受到广泛关注，最有潜力成为下一代永磁材料；此外，随着航空航天和国防重工等领域的发展，需要磁性元件在更高的工作温度环境下工作，如何制备具有高磁能积和低温度系数的永磁材料成为难点。Sm-Co系稀土永磁材料具有高的居里温度和各向异性场，而以其为硬磁相的双相纳米复合材料在具有高的磁性能的同时兼具高温稳定性，可用于制备适应高温工作的磁性元件。
本论文创新的采取熔体快淬法制备了不同类型的Sm-Co薄带，利用液氮雾化法得到Fe7Co3粉末，再通过高能球磨技术制备Sm-Co/Fe7Co3纳米复合粉体，并研究了不同硬磁相、软硬磁比例、球磨时间、球磨介质以及重稀土元素的添加对球磨粉体的物相、形貌尺寸及磁性能的影响。
研究表明，球磨得到的复合粉体的相结构为原始Sm-Co相和Fe7Co3相，粉体尺寸大幅降低，晶粒尺寸为纳米级，其中，Sm2Co17相和Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7相薄带与Fe7Co3粉末复合球磨后磁性能得到了大幅提高；随着软磁相比例的提高，复合粉体逐步表现出软磁特性，硬磁相与软磁相以质量比9:1混合得到的复合粉体综合磁性能最好；随着球磨时间的延长，SmCo5/Fe7Co3和Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7/Fe7Co3复合粉体矫顽力降低，Sm2Co17/Fe7Co3复合粉体矫顽力升高，剩磁比变化不大；用氩气做保护气体进行高能球磨得到的粉体颗粒尺寸较大，粉体团聚严重，磁性能较差，采用正庚烷做球磨介质并加入表面活性剂球磨得到的粉体为片层状，粉体尺寸减小，矫顽力提高；向复合粉体中加入少量Dy，矫顽力提高，剩磁比略降。
【关键词】：
【学位授予单位】：河北工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TB33;TM273【目录】：
摘要5-6ABSTRACT6-9第一章 绪论9-13 1.1 引言9 1.2 稀土永磁材料的发展9-10 1.3 双相纳米复合材料的研究进展10-12 1.4 本论文研究的主要内容12-13第二章 试验原理及工艺13-17 2.1 试验设备及检测仪器13 2.2 试验原料13-14 2.3 试验的工艺流程14-16
2.3.1 配料14
2.3.2 真空电弧熔炼14
2.3.3 熔体快淬14-15
2.3.4 高能球磨15-16
2.3.5 球磨粉体的收集16 2.4 性能检测和表征16-17第三章 软硬磁相的制备及性能研究17-29 3.1 概述17-18 3.2 试验内容18-19 3.3 硬磁相物相分析19-22
3.3.1 SmCo5铸态与薄带的物相分析19-20
3.3.2 Sm2Co17铸态与薄带的物相分析20
3.3.3 Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7铸态与薄带的物相分析20-22 3.4 硬磁相显微组织分析22-25
3.4.1 SmCo5薄带的 SEM 图像与 EDS 图谱分析22-23
3.4.2 Sm2Co17薄带的 SEM 图像与 EDS 图谱分析23-24
3.4.3 Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7薄带的 SEM 图像与 EDS 图谱分析24-25 3.5 软磁相的物相与微观组织分析25-26
3.5.1 Fe7Co3粉末的物相分析25-26
3.5.2 Fe7Co3粉末的 SEM 图像与 EDS 图谱分析26 3.6 磁性能分析26-28 3.7 本章小结28-29第四章 球磨介质和时间对 Sm-Co/Fe_7Co_3粉体的影响29-45 4.1 概述29-30 4.2 试验30 4.3 干法高能球磨对复合粉体的影响30-33
4.3.1 XRD 分析30-31
4.3.2 SEM 和激光粒度分析31-33
4.3.3 磁性能分析33 4.4 湿法高能球磨对复合粉体的影响33-44
4.4.1 XRD 分析33-37
4.4.2 SEM 与激光粒度分析37-41
4.4.3 磁性能分析41-44 4.5 本章小结44-45第五章 软磁相比例对球磨复合粉体的影响45-57 5.1 概述45 5.2 试验45-46 5.3 软磁相比例对复合球磨粉体的影响46-55
5.3.1 XRD 分析46-50
5.3.2 SEM 表面形貌分析50-52
5.3.3 磁性能分析52-55 5.4 本章小结55-57第六章 加入重稀土元素 Dy 对复合粉体的影响57-63 6.1 概述57 6.2 试验57 6.3 掺 Dy 对复合球磨粉体的影响57-61
6.3.1 XRD 分析57-58
6.3.2 SEM 和激光粒度分析58-60
6.3.3 磁性能分析60-61 6.4 本章小结61-63第七章 结论63-65参考文献65-69致谢69-70
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请遵守言论规则，不得违反国家法律法规回复(Ctrl+Enter)ELECTRIC MOTOR
WIPO Patent Application WO/
An electric motor, comprising a stator wound by at least one stator coil, at least one rotor of permanent magnet type, and at least one rotor of non-permanent magnet type. The stator can generate a magnetic field rotating about a central axis. The rotors are connected together mechanically, driven by the rotating magnetic field and thus rotate with the central axis as the centre. The relative position between the stator and the rotors along the central axis can be adjusted, so that the electric motor has different operation modes. The electric motor can have the advantage of being able to recover the kinetic energy found in a rotor of permanent magnet type, while at the same time having the advantage of high speed cruising without restriction from the magnetic resistance found in a rotor of non-permanent magnet type, so that the motor can achieve the purpose of high energy efficiency. Therefore, the requirements of different situations can be met, thereby achieving a highly efficient, multi-mode electric motor.
Inventors:
DIEN, GHING-HSIN (10F 148, Sec 2 Fu-Hsing S. Rd, Taipei Taiwan, Taiwan, CN)
Application Number:
Publication Date:
04/25/2013
Filing Date:
10/21/2011
Export Citation:
DIEN, GHING-HSIN (10F 148, Sec 2 Fu-Hsing S. Rd, Taipei Taiwan, Taiwan, CN)
International Classes:
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Foreign References:
CN1472868ACNA
Attorney, Agent or Firm:
JEEKAI & PARTNERS (Suite 602, Jinyu TowerA129 West Xuan Wu Men Street, Xicheng Dist, Beijing 1, 100031, CN)
权 利 要 求 书
1、 一种电动机， 其特征在于， 包括：
至少一个定子， 绕有一定子线圈， 并产生一旋转磁场环绕一中心轴； 以及 至少两个转子， 相互连接， 受所述旋转磁场驱动以所述中心轴为中心旋转， 其中至少一个转子为永磁式转子， 至少另一个转子为非永磁式转子，
所述定子与所述转子沿着所述中心轴方向的相对位置可调整。
2、 根据权利要求 1所述的电动机， 其特征在于， 所述转子设置在一转轴。 3、根据权利要求 2所述的电动机， 其特征在于，所述转轴为实心或中空式， 且以所述中心轴为中心旋转。
4、 根据权利要求 2所述的电动机， 其特征在于， 还包括：
另一个转轴， 所述另一个转轴呈中空状； 以及
一连接装置， 连接所述另一个转轴。
5、 根据权利要求 4所述的电动机， 其特征在于， 所述连接装置为齿轮、 皮 带或炼条。
6、 根据权利要求 4所述的电动机， 其特征在于， 当所述连接装置为一行星 式齿轮组， 所述连接装置包括：
至少两个齿轮组， 各含有至少一个行星齿轮、 一太阳齿轮及一行星载盘， 所述太阳齿轮与所述行星齿轮连接， 所述行星齿轮与所述行星载盘连接； 以及 一环形齿轮， 与所述行星齿轮连接。
7、 根据权利要求 1所述的电动机， 其特征在于， 所述非永磁式转子为鼠笼 式转子、 绕线式转子或磁阻式转子。
8、 根据权利要求 1所述的电动机， 其特征在于， 所述永磁式转子与所述定 子形成一发电机或一永磁式马达。
9、 根据权利要求 1所述的电动机， 其特征在于， 所述转子随着所述旋转磁 场作同歩或异歩旋转。
10、 根据权利要求 1所述的电动机， 其特征在于， 还包括：
一定位装置， 驱动所述转子或所述定子沿着所述中心轴平行的方向移动。 11、 根据权利要求 10所述的电动机， 其特征在于， 所述定位装置包括一马 达、 或一液压驱动器、 或一气压驱动器。
Description:
电动机 技术领域
本发明关于一种电动机。 背景技术
公知的电动机通常具有一绕有线圈的定子与一转子， 定子产生一旋转磁场， 驱动转子在磁场内旋转。 其中， 转子又分为永磁式转子与非永磁式转子， 永磁 式转子载有永久磁铁， 非永磁式转子一般则为感应式或磁阻式转子。
具有永磁式转子的电动机又可作为发电机来使用， 其方式为用外力旋转转 子， 使定子的线圈感应到永久磁铁产生的变动磁场， 进而产生感应电流。 公知 书
的电动机应用在电动车时， 具有永磁式转子的电动机在减速时可进入再生性煞 车模式 （Regenerative braking) 将动能转为电能回收。 但是永磁式转子在高 速巡航时却因为永久磁铁磁阻的关系， 具有较高的能耗。 非永磁式转子在减速 时无法做为再生性煞车使用， 但是因为没有磁阻， 在高速巡航时具有较低的能 耗。 发明内容
本发明的目的为提供一种电动机， 使其能够具有永磁式转子的动能可回收 的优点， 同时又具有非永磁式转子高速巡航不受磁阻限制的优点， 以达到高能 源使用效率的目的。
本发明可采用以下技术方案来实现的。
本发明的一种电动机包括至少一个绕有线圈的定子、 至少一个永磁式转子 及至少一个非永磁式转子。 定子可产生一环绕一中心轴旋转的磁场， 转子间机 械性连接在一起， 并受旋转磁场驱动后， 以中心轴为中心旋转， 定子与转子间 沿着中心轴方向的相对位置可调整， 使电动机具有不同的操作模式。 例如在低 速时， 可将永磁式转子设置在定子产生的旋转磁场内， 此时电动机为永磁式马 达模式。 在进入高速时， 可渐渐将永磁式转子移出旋转磁场， 并将非永磁式转 子移入旋转磁场内， 此时电动机成为非永磁式马达 （一般为感应式马达或磁阻 式马达） 模式。 当要减速时， 可中断定子线圈的电流以关闭旋转磁场， 再将永 磁式转子移入定子线圈的感应范围内， 使定子线圈产生感应电流回收， 并通过 磁阻煞车， 此时所述电动机成为发电机模式 （再生性煞车）。 另外还可将永磁式 转子与非永磁式转子同时设置在旋转磁场， 此时两种转子同时被磁场驱动旋转， 此为复合马达模式， 可使用在需要最大扭矩时， 或是要启动电动机时。
在本发明的一实施例中， 定子固定在电动机内， 永磁式转子与非永磁式转 子固定在同一转轴上， 转轴可沿着其中心轴方向移动， 以改变转子与定子间的 相对位置。
在本发明的一实施例中， 转轴受一定位装置驱动而沿着中心轴方向平行移 动。 其中， 定位装置可为一液压驱动器、 或一气压驱动器、 或一线性马达或一 接有螺杆或滚珠螺杆 ( screws, rol led bal l screws ) 的马达。
在本发明的一实施例中， 永磁式转子与非永磁式转子固定在转轴上， 定子 可沿着中心轴方向平行移动， 以改变转子与定子间的相对位置。
在本发明的一实施例中， 定子受一定位装置驱动而移动。 定位装置可为一 液压驱动器、 或一气压驱动器、 或一线性马达或一接有螺杆或滚珠螺杆的马达。
在本发明的一实施例中， 至少一个转子具有一中空的转轴环绕另一个转轴 上旋转， 两个转轴通过滚珠与导轨连接， 或经由一连接装置连接在一起。 连接 装置可为齿轮驱动或皮带驱动或炼条驱动， 且两个转轴可具有不同的转速。
在本发明的一实施例中， 连接装置为一行星式齿轮组， 包括两个太阳齿轮， 两个行星齿轮、 两个行星载盘及一环式齿轮。 行星式齿轮组与两个转轴机械性 连接， 并利用齿轮速差及控制行星载盘与环式齿轮的转动与否， 以调整二转轴 间的转速关系， 包括等速转动、 一快一慢、 一转一不转等不同的组合。 还可以 利用外部动力源 （例如一内燃机） 驱动所述行星式齿轮组， 例如用外力旋转环 形齿轮， 以带动转子旋转， 作为发电或辅助驱动使用。
在本发明的一实施例中， 永磁式转子与定子的相对位置为可调整， 非永磁 式转子与定子的相对位置为固定。
承上所述， 本发明的一种电动机通过调整永磁式转子及非永磁式转子与定 子间的相对位置， 使得电动机具有不同的操作模式， 以配合不同状况的需求， 从而实现一种高效率多模式的电动机。
图 1为本发明的电动机的示意图；
图 2A至图 2D为依据本发明优选实施例的一种电动机的示意图；
图 3A至图 3B为依据本发明优选实施例的一种电动机的示意图； 以及 图 4A至图 4D为依据本发明优选实施例的一种电动机的示意图。
主要元件符号说明： 20、 21、 22、 23、 24、 25： 电动机
2： 滚外定定中 ^子线圈
3/4 珠位子心壳 （永磁式）
4： 转子由
3/4 （承达非永磁式）
51： 中空转轴
12 液压驱动器
32A、 33A 太阳齿轮
32B、 33B 行星齿轮
32C、 33C 行星载盘
34 环形齿轮
36： 转轮组
P、 PI : 定位装置
W: 宽度 具体实施方式
以下将参照相关图式， 说明依本发明优选实施例的一种电动机， 其中相同 的元件将以相同的元件符号加以说明。
首先， 请参照图 1， 其为依据本发明优选实施例的一种电动机 20的剖面图。 电动机 20包括至少一个定子 1及至少两个转子 3、 4。
定子 1绕有一定子线圈 2， 并产生一旋转磁场环绕一中心轴 6。 其中， 定子 1可为一环状且设置在一外壳 7的内侧，亦可以四定子 1分别设置在外壳 7的内 侧并在所述中心轴 6周围， 其中， 定子的态样及数量并非限制于本发明。
转子 3与转子 4相互连接固定在转轴 5上， 转轴 5通过滚珠轴承 8固定在 外壳 7上， 本实施例的转轴 5可为实心或中空式， 且以沿着中心轴 6的方向移 动及旋转， 借以改变转子 3或转子 4与定子 1间的相对位置。 其中本实施例的 转子 3载有永久磁铁， 为一永磁式转子； 转子 4为一非永磁式转子。 更详细来 说， 定子 1与定子线圈 2在通电后， 可以在转轴 5的周围且环绕中心轴 6产生 一旋转磁场， 当转子 3与转子 4进入旋转磁场的有效范围时， 转子 3与转子 4 受旋转磁场驱动， 且以中心轴 6为中心旋转。 在此所称的 「旋转磁场的有效范 围」 指在定子 1与定子线圈 2的总宽度 W之间， 如图 1所示， 且宽度 W为沿转 轴 5的水平方向。 亦即， 当转子 3与转子 4进入定子 1与定子线圈 2的宽度 W 之间时， gp， 进入旋转磁场的有效范围。
当定子线圈 2通电， 并移动转轴 5使转子 3 (永磁式转子）设置在旋转磁场 有效范围内而转子 4 (非永磁式转子） 设置在旋转磁场有效范围外时， 电动机 20成为一永磁式马达， 若此时将定子线圈 2的电力中断， 使旋转磁场消失， 此 时转子 3与定子 1及定子线圈 2将形成一发电机， 只要转子 3旋转即可发电。
当定子线圈 2通电， 并移动转轴 5使转子 4设置在旋转磁场有效范围内而 转子 3设置在旋转磁场有效范围外时， 电动机 20为一非永磁式马达， 而依转子 4的不同设计， 例如鼠笼式、 绕线式或磁阻式， 可以成为感应式马达或磁阻式马 达。
值得一提的是， 可以依速度与扭矩的需求， 来改变转子 3、 转子 4与定子 1 之间的相对位置， 以得到最佳的驱动效率。 例如在低速旋转时， 可以使电动机 20成为永磁式马达， 以求得最大扭矩及控制力； 在高速旋转时， 可以使电动机 20成为感应式马达或磁阻式马达， 以求得最佳速度与效率。 而在减速时， 可使 转子 3逐渐取代转子 4， 利用永久磁铁的磁阻产生减速的效果， 同时使电动机 20成为一发电机， 将动能转为电能回收， 此即为再生性煞车 （Regenerative braking)
接着， 请参照图 2A依据本发明优选实施例的电动机 20， 以进一歩说明本发 明。在本实施例中， 电动机 20还包含一定位装置 P, 转轴 5与定位装置 P连接， 定位装置 P包括一定位马达 9及一螺杆 10， 定位马达 9设置在螺杆 10的一端， 而螺杆 10的另一端设置在外壳 7。通过定位马达 9及螺杆 10的转动带动， 可使 转轴 5沿着中心轴 6的平行方向移动， 进而调整转子 3、 4的位置， 以改变转子 3、 4与定子的相对距离。 另外， 转轴 5的一输出端则连接一个固定长度的输出 轴 11， 以便与外界连接。 图 2A同时显示转子 4的位置完全处在旋转磁场有效范 围内的情形， 此时电动机 20为非永磁式马达模式。 接着，请参照图 2B，显示转轴 5被定位马达 9及螺杆 10向右推进后的状况， 此时转子 3与转子 4各有部分 （例如为各一半） 位在旋转磁场有效范围内， 此 时通常为复合马达模式， 适合用在需要最大扭矩时， 或是要启动电动机 20时。
接着， 请参照图 2C， 显示转轴 5被定位马达 9及螺杆 10继续向右推进后的 状况， 此时转子 3完全位在所述旋转磁场有效范围内， 此时电动机 20为永磁式 马达模式或是发电机模式， 并有利于再生性煞车。
接着， 请参照图 2D的电动机 21， 则是将定位装置 P1改为利用液压驱动器 12及推杆 13来移动转轴 5， 另外液压驱动器也可以改用气动驱动器或是一马达 (例如是线性马达或接有螺杆或滚珠螺杆的马达） 来取代。
接着， 请参照图 3A依据本发明优选实施例的电动机 22， 电动机 22还包括 多个转轴及一连接装置 31。本实施例的电动机 22以具有两个转轴为例， 其分别 为转轴 5及中空转轴 51， 通过连接装置 31连接转轴 5及中空转轴 51。 其中， 转子 4固定在转轴 5上； 转子 3则是固定在一中空转轴 51上， 中空转轴 51的 直径大于转轴 5， 转轴 5穿设出中空转轴 51且中空转轴 51环绕着转轴 5旋转， 并且两个转轴 5、 51连接到连接装置 31。 连接装置 31可为齿轮、 皮带或炼条， 本实施例的连接装置 31以一行星式齿轮组 （planetary gearbox) 为例。 此外， 图 3A的定位马达 9及螺杆 10则是连接到定子 1，可以使定子 1沿着中心轴 6的 平行方向移动， 以改变与转子 3、 4间的相对位置。
连接装置 31具有一太阳齿轮 32A ( sun gear ) 与转轴 5连接， 及另一个太 阳齿轮 33A与中空转轴 51连接， 行星齿轮 32B ( planet gear ) 与太阳齿轮 32A 及环形齿轮 34 (ring gear ) 连接， 行星齿轮 33B与太阳齿轮 33A及环形齿轮 34连接， 行星载盘 32C ( planet carrier ) 连接行星齿轮 32B, 行星载盘 33C连 接行星齿轮 33B。
通过连接装置 31的连接， 中空转轴 51与转轴 5可以互相带动旋转， 并可 以利用齿轮比的设计使两转轴 5、 51具有相同或不同的转速。 连接装置 31具有 多种不同的操作模式， 当行星载盘 32C与行星载盘 33C被固定而环形齿轮 34可 自由旋转时， 转子 3 (中空转轴 51 ) 与转子 4 (转轴 5 ) 可以互相带动旋转。 当 行星载盘 32C被固定而行星载盘 33C与环形齿轮 34可自由旋转时， 转子 4与环 形齿轮 34可互相带动旋转， 转子 3可自由旋转。 当行星载盘 33C被固定而行星 载盘 32C与环形齿轮 34可自由旋转时， 转子 3与环形齿轮 34可互相带动旋转， 转子 4可自由旋转。 环形齿轮 34还可以连接到一外部动力源， 例如一内燃机， 此时通过电动机 22的不同操作模式， 可以产生不同的驱动方式， 例如以转子 3 或转子 4去带动、 启动内燃机； 或是用内燃机带动环形齿轮 34进而带动转子 3 来发电； 或是以内燃机辅助转子 3、 4来驱动转轴 5 ; 或是以内燃机取代转子 3、 4来驱动转轴 5 ; 或是转子 3、 4独立驱动或互相驱动等。
另外， 虽然本实施例是以太阳齿轮 32A、 33A分别与转轴 5、 51连接， 但是 也可以利用行星载盘 32C、 33C取代太阳齿轮 32A、 33A ,分别与转轴 5、 51连接。
接着， 请参照图 3B， 与图 3A的电动机 22不同的是， 电动机 23的中空转轴 51与转轴 5连接到一组皮带 （或炼条） 35带动的转轮组 36， 使两个转轴 5、 51 互相连接转动。
接着， 请参照图 4A依据本发明优选实施例的电动机 24， 其为一盘式马达 ( Pancake motor ) 或轴向磁通式马达的构造， 其中转子 3、 4皆固定在中空转 轴 51上， 带动转轴 5旋转， 而中空转轴 51可由推杆 13推动， 沿着中心轴 6平 行的方向移动以改变与定子 1的相对位置。 图 4A显示的是定子 1驱动转子 4的 操作模式，也就是说定子 1相对靠近转子 4 (永磁式转子）而相对远离转子 3 (非 永磁式转子）。
接着， 请参照图 4B， 显示的是推杆 13将中空转轴 51向右推移后， 定子 1 驱动转子 3的操作模式， 亦即定子 1相对靠近转子 3而相对远离转子 1。
接着， 请参照图 4C， 电动机 25的转子 4固定在转轴 5上， 而转子 3固定在 中空转轴 51上， 推杆 13可以移动中空转轴 51及转子 3的位置。 图 4C显示定 子 1驱动转子 4的情形。 图 4D则是显示推杆 13将转子 3向右推移后的情形， 此时定子 1可同时驱动转子 3及转子 4。
因此， 通过上述的电动机， 可产生永磁式马达、 感应马达或磁阻马达、 复 合马达、 再生性煞车以及发电机等各种不同的操作模式， 以配合各种不同状况 的应用。
综上所述， 依据本发明的一种电动机通过改变至少两个不同类式转子 （永 磁式转子及非永磁式转子） 与定子的相对位置关系， 以使所述电动机具有多种 操作模式， 例如进入高速时， 可将非永磁式转子移动至旋转磁场， 以使得电动 机在高速下可具有低能耗的优点； 当要减速时， 再将永磁式转子移动至定子线 圈的感应范围内， 使电动机具有再生性煞车模式。 从而实现更有效率的驱动方 式， 避免能源的损耗。
以上所述仅是举例性， 而非限制性。 任何未脱离本发明的精神与范畴， 而 对其进行的等效修改或变更， 均应包括在权利要求所限定的范围内。
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