CN112039240A - 一种混合励磁式高速永磁电机转子及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种混合励磁式高速永磁电机转子及制作方法，包括沿径向由内向外依次设置的转轴、烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元和转子护套；烧结永磁体单元由烧结永磁体块、环氧树脂填充物和碳纤维层组成，烧结永磁体块在轴向长度相等，在径向厚度不等，且烧结永磁体块在周向按照中间高两头低的排列方式构成高速永磁电机转子的每个磁极；所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元由磁粉胶膜层和碳纤维层组成的数个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元构成，磁粉胶膜层和碳纤维层的层数不等，但层数之和不变。本发明可提高电机转子的机械强度、降低电机转子的涡流损耗，提升电机转子的许用线速度，从而解决传统高速永磁电机转子涡流损耗大温升高，许用线速度低的问题。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种混合励磁式高速永磁电机转子及制作方法，该转子可应用于高速永磁电机中。
背景技术
高速电机系统具有功率密度和可靠性高、体积小、重量轻和便于实现高速直驱(取消变速箱)等显著优势，非常适合并能满足高端装备和绿色制造的特殊要求，在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、天然气输送高速离心压缩机以及作为飞机或舰载供电设备的分布式发电系统等领域具有广阔的应用前景。
目前高速电机主要有感应电机、开关磁阻电机和永磁电机三种类型，而永磁电机因具有效率和功率因数高、转速运行范围宽等突出优点，特别适合应用于高速高性能电机系统，现已成为高速电机研究与应用的主流，但现有高速永磁电机转子损耗大温升高、机械强度难以可靠保证以及许用线速度低，进而限制其向更大功率和更高转速发展。此外，受限于转子强度和温升的限制，现有高速永磁电机的难度系数和运行品质(大功率、高转速、高效率和高功率因数等)很难有进一步的提升，有必要探索高速永磁电机新的转子拓扑结构。
发明内容
本发明提出了一种混合励磁式高速永磁电机转子及制作方法，其目的是在保证传统高速永磁电机转子励磁磁场强度的前提下，降低电机转子内的涡流损耗、提高电机转子的机械强度以及许用线速度，突破制约高速永磁电机向更大功率和更高转速发展的瓶颈技术，即功率与转速提升受限于转子温升和强度的瓶颈技术，提升现有高速永磁电机的运行品质。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种混合励磁式高速永磁电机转子，包括转轴、烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元以及转子护套；所述转轴位于高速永磁电机转子最内侧，转轴外侧同轴套装有烧结永磁体单元，烧结永磁体单元的外侧同轴套装有磁粉胶膜与碳纤维复合单元，磁粉胶膜与碳纤维复合单元外侧设置有转子护套，且转子护套位于高速永磁电机转子的最外侧，且由多层碳纤维层Ⅲ组成；
所述烧结永磁体单元包括烧结永磁体块、填充体及碳纤维层Ⅰ，相邻所述烧结永磁体块之间形成的间隙中填充有填充体，填充体与烧结永磁体块共同形成环状体，在环状体的外侧缠绕碳纤维层Ⅰ；每个高速永磁电机转子的磁极由若干所述烧结永磁体块组成，若干烧结永磁体块的极弧系数相同，且烧结永磁体块沿周向按照中间高两头低的排列方式设置，所述烧结永磁体块在轴向长度相同，在径向厚度不等。
组成所述转子护套的碳纤维层Ⅲ的层数≤10层。
所述高速永磁电机转子的磁极个数为偶数；所述填充体为环氧树脂填充物组成，所述碳纤维层Ⅰ的层数≤4层，缠绕厚度≤0.8mm。
所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元由若干磁粉胶膜和碳纤维复合子单元组成，所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的内层由数层磁粉胶膜层构成，外层由数层碳纤维层Ⅱ构成，且内层的外侧设置有外层；所述磁粉胶膜层的层数与所述碳纤维层Ⅱ在磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中的层数不固定，且磁粉胶膜层与碳纤维层Ⅱ的在磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中的层数总和固定不变；所述磁粉胶膜层的层数在半径最小的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中达到最大值，且其层数随着磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而减少，所述碳纤维层Ⅱ的层数在半径最小的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中达到最小值，且其层数随着磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而增多；所述磁粉胶膜层由磁粉与环氧树脂按一定比例均匀混合后固化而成，磁粉胶膜层中钕铁硼磁粉含量≥60％，且所述磁粉胶膜层的单层厚度为0.2mm-0.25mm。
所述烧结永磁体块采用剩磁密度较高的钕铁硼(NdFeB)永磁体；所述碳纤维层Ⅰ、碳纤维层Ⅱ及碳纤维层Ⅲ均采用抗拉性能良好的碳纤维；所述转轴为导磁轴，采用导磁性能良好的材料制成。
所述复合转子将采用由电容器组、可控硅以及充放电控制电路和充磁头(或充磁线圈)所组成的脉冲强磁场发生装置进行整体充磁，从而形成若干偶数极数。
一种混合励磁式高速永磁电机转子的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，将磁粉与环氧树脂按着一定比例均匀混合固化制成磁粉胶膜层块；并在磁粉胶膜层块外侧绕制碳纤维层Ⅱ制成磁粉胶膜和碳纤维复合子单元；
步骤2，将烧结永磁体块粘贴于转轴的外圆面上；在相邻烧结永磁体块形成的烧结永磁块间隙内填充环氧树脂填充体，环氧树脂填充体和烧结永磁体块一起组成环状体，在环状体的外侧通过施加拉应力的方式绕制碳纤维层Ⅰ；将步骤1制成的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元依次经过过盈配合缠绕在碳纤维层Ⅰ的外侧，所述碳纤维层Ⅲ通过施加拉应力的方式绕制在所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元的外侧，安装完成。
本发明的有益效果为：
本发明所述高速永磁电机转子包括转轴、烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元和转子护套。本申请中的烧结永磁体单元不仅可以保证电机转子产生与传统高速永磁电机转子相媲美的励磁磁场强度，而且可以保证其产生正弦度高的气隙磁场，进而降低电机中的高次谐波含量，减少高速永磁电机转子内的涡流损耗；所述高速永磁电机转子的磁粉胶膜与碳纤维复合单元中的磁性材料呈磁粉状态，磁粉的不连续性、胶膜的不导电性，近乎消除了转子涡流，并且极大程度降低高频电磁波对烧结永磁体的作用，从而实现近零转子涡流损耗，可极大降低转子温升。此外，所述高速永磁电机转子的烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元和转子护套中均含有碳纤维材料，可使电机转子的最高许用线速度达到1300m/s，进而大幅提高电机的功率密度。总之，所述高速永磁电机转子提升了现有高速永磁电机的运行品质，即大功率、高转速、高效率和高功率因数，为高速永磁电机向更大功率和更高转速发展探索一条新路。
附图说明
图1为本发明混合励磁式高速永磁电机转子结构示意图；
图2为本发明混合励磁式高速永磁电机转子的烧结永磁体单元结构示意图；
图3为本发明混合励磁式高速永磁电机转子的磁粉胶膜与碳纤维复合单元结构示意图；
图4为本发明混合励磁式高速永磁电机转子的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元结构示意图；
图5为本发明混合励磁式高速永磁电机转子的转子护套结构示意图；
图6为本发明混合励磁式高速永磁电机转子整体装配结构示意图；
1-转轴，2-烧结永磁体单元，3-磁粉胶膜与碳纤维复合单元，4-转子护套，5-烧结永磁体块，6-环氧树脂填充体，7a-碳纤维层Ⅰ，7b-碳纤维层Ⅱ，7c-碳纤维层Ⅲ，8-磁粉胶膜层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图5和图6所示，一种混合励磁式高速永磁电机转子，包括转轴1、烧结永磁体单元2、磁粉胶膜与碳纤维复合单元3以及转子护套4；所述转轴1位于高速永磁电机转子最内侧，转轴1外侧同轴套装有烧结永磁体单元2，所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元3通过过盈配合缠绕在烧结永磁体单元2的外侧，磁粉胶膜与碳纤维复合单元3外侧设置有转子护套4，且转子护套4位于高速永磁电机转子的最外侧，且由五层碳纤维层Ⅲ7c组成，碳纤维层Ⅲ7c通过施加拉应力的方式绕制在磁粉胶膜与碳纤维复合单元3外侧；
所述烧结永磁体单元2包括烧结永磁体块5、碳纤维层Ⅰ7a及环氧树脂填充体6，所述烧结永磁体块5粘接在转轴1的外表面上，以最小化烧结永磁体块5的旋转半径，进而最小化其高速旋转时的离心力，而且由于烧结永磁块5的剩磁密度较大，可以为转子提供较大的励磁磁动势，进而保证电机具有较高的输出功率密度，相邻所述烧结永磁体块5之间形成的间隙中填充有环氧树脂填充体6，环氧树脂填充体6可吸收烧结永磁体块5的形变应力，从而降低烧结永磁体块5因温度或高转速导致其边沿局部应力过高的风险，环氧树脂填充体6与烧结永磁体块5共同形成环状体，在环状体的外侧通过施加拉应力的方式绕制有碳纤维层Ⅰ7a，所述碳纤维层Ⅰ7a的层数3层，缠绕厚度0.45mm，碳纤维层Ⅰ7a为烧结永磁体块5提供预压应力，保证其在转子高速运行时基本不承受拉应力，从而避免转子高速旋转时烧结永磁体块5因拉应力过大而破损，所述烧结永磁体块5在所述高速永磁电机转子的每个磁极下有五个，且极弧系数相同，每个磁极下所述烧结永磁体块5在周向按照中间高两头低的排列方式设置，且环氧树脂填充体6将每个磁极下对称设置的四个烧结永磁体块5包裹；所述烧结永磁体块5在轴向长度相等，在径向厚度不等，该种结构设计可使转子磁动势的正弦度高，进而使气隙磁场的正弦度高，从而降低高速永磁电机中的高次谐波含量。
如图3和图4所示，磁粉胶膜与碳纤维复合单元3由五个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元构成；所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的内层由数层磁粉胶膜层8构成，外层由数层碳纤维层Ⅱ7b构成，且内层的外侧设置有外层；所述磁粉胶膜层8与碳纤维层Ⅱ7b在磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中的层数不固定，且磁粉胶膜层8与碳纤维层Ⅱ7b在磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中的层数总和固定不变；由于磁粉胶膜和碳纤维复合子单元所受离心力与其半径有关，为了提高本发明高速永磁电机转子的机械强度，磁粉胶膜层8的层数在半径最小的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中达到最大值，且其层数随着磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而减少，碳纤维层Ⅱ7b的层数在半径最小的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中达到最小值，且其层数随着磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而增多；由于磁粉胶膜块中磁粉的不连续分布、胶膜的不导电性以及磁粉胶膜与碳纤维复合单元3对高频电磁波的屏蔽作用，相比于传统高速永磁电机转子，本发明高速永磁电机转子可有效降低转子内的涡流损耗；此外，由于磁粉胶膜与碳纤维复合单元3中包含大量碳纤维，且磁粉胶膜中的磁性材料呈磁粉状态无集中应力产生，本发明高速永磁电机转子可有效提高转子的机械强度；所述磁粉胶膜层8由钕铁硼(NdFeB)磁粉与环氧树脂按7：3比例均匀混合后固化而成，磁粉胶膜层8的单层厚度为0.25mm。
本发明中的转轴1为导磁轴，采用导磁性能良好的40CrNiMoA材料制成；烧结永磁体块5采用剩磁密度较高的钕铁硼(NdFeB)永磁体；碳纤维层Ⅰ7a、碳纤维层Ⅱ7b及碳纤维层Ⅲ7c均采用抗拉性能良好的T700碳纤维制成。
本发明高速永磁电机转子将采用由电容器组、可控硅以及充放电控制电路和充磁头(或充磁线圈)所组成的脉冲强磁场发生装置进行整体充磁，从而形成若干偶数极，如2极、4极、6极等。
一种混合励磁式高速永磁电机转子的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，将钕铁硼(NdFeB)磁粉与环氧树脂按着7:3均匀混合固化制成磁粉胶膜层块8；并在磁粉胶膜层块8外侧绕制碳纤维层Ⅱ7b制成磁粉胶膜和碳纤维复合子单元；
步骤2，将烧结永磁体块5粘贴于转轴1的外圆面上；在相邻烧结永磁体块5形成的烧结永磁块间隙内填充环氧树脂填充体6，环氧树脂填充体6和烧结永磁体块5一起组成环状体，在环状体的外侧通过施加拉应力的方式绕制碳纤维层Ⅰ7a；将步骤1制成的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元依次经过过盈配合缠绕在碳纤维层Ⅰ7a的外侧，所述碳纤维层Ⅲ7c通过施加拉应力的方式绕制在所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元3的外侧，安装完成。
Claims (6)
1.一种混合励磁式高速永磁电机转子，其特征在于，包括转轴、烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元以及转子护套；所述转轴位于高速永磁电机转子最内侧，转轴外侧同轴套装有烧结永磁体单元，烧结永磁体单元的外侧同轴套装有磁粉胶膜与碳纤维复合单元，磁粉胶膜与碳纤维复合单元外侧设置有转子护套，且转子护套位于高速永磁电机转子的最外侧，且由多层碳纤维层Ⅲ组成；
所述烧结永磁体单元包括烧结永磁体块、填充体及碳纤维层Ⅰ，相邻所述烧结永磁体块之间形成的间隙中填充有填充体，填充体与烧结永磁体块共同形成环状体，在环状体的外侧缠绕碳纤维层Ⅰ；每个高速永磁电机转子的磁极由若干所述烧结永磁体块组成，若干烧结永磁体块的极弧系数相同，且烧结永磁体块沿周向按照中间高两头低的排列方式设置，所述烧结永磁体块在轴向长度相同，在径向厚度不等。
2.根据权利要求1所述的一种混合励磁式高速永磁电机转子，其特征在于：所述高速永磁电机转子的磁极个数为偶数；所述填充体为环氧树脂填充物组成，所述碳纤维层Ⅰ的层数≤4层，缠绕厚度≤0.8mm，所述碳纤维层Ⅰ采用抗拉性能良好的碳纤维制成。
3.根据权利要求1所述的一种混合励磁式高速永磁电机转子，其特征在于：组成所述转子护套的碳纤维层Ⅲ的层数≤10层，所述碳纤维层Ⅲ均采用抗拉性能良好的碳纤维制成。
4.根据权利要求1所述的一种混合励磁式高速永磁电机转子，其特征在于：所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元由若干磁粉胶膜和碳纤维复合子单元组成，所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的内层由数层磁粉胶膜层构成，外层由数层碳纤维层Ⅱ构成，且内层的外侧设置有外层；所述磁粉胶膜层的层数与所述碳纤维层Ⅱ在磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中的层数不固定，且磁粉胶膜层与碳纤维层Ⅱ的在磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中的层数总和固定不变；所述磁粉胶膜层的层数在半径最小的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中达到最大值，且其层数随着磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而减少，所述碳纤维层Ⅱ的层数在半径最小的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中达到最小值，且其层数随着磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而增多；所述磁粉胶膜层由磁粉与环氧树脂按一定比例均匀混合后固化而成，磁粉胶膜层中钕铁硼磁粉含量≥60％，且所述磁粉胶膜层的单层厚度为0.2mm-0.25mm；所述碳纤维层Ⅱ采用抗拉性能良好的碳纤维制成。
5.根据权利要求1所述的一种混合励磁式高速永磁电机转子，其特征在于：所述烧结永磁体块采用剩磁密度较高的钕铁硼永磁体；所述转轴为导磁轴，采用导磁性能良好的材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种混合励磁式高速永磁电机转子的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将磁粉与环氧树脂按着一定比例均匀混合固化制成磁粉胶膜层块；并在磁粉胶膜层块外侧绕制碳纤维层Ⅱ制成磁粉胶膜和碳纤维复合子单元；
步骤2，将烧结永磁体块粘贴于转轴的外圆面上；在相邻烧结永磁体块形成的烧结永磁块间隙内填充环氧树脂填充体，环氧树脂填充体和烧结永磁体块一起组成环状体，在环状体的外侧通过施加拉应力的方式绕制碳纤维层Ⅰ；将步骤1制成的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元依次经过过盈配合缠绕在碳纤维层Ⅰ的外侧，所述碳纤维层Ⅲ通过施加拉应力的方式绕制在所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元的外侧，安装完成。
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