CN106300848A - 一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，包括定子、机壳、端盖、轴承套、波形弹簧和转子。电机结构简单、具有较高的功重比，适用于对电机体积、重量要求苛刻的场合。定子采用的绝缘结构设计和复合浸漆方法，能够在严酷的湿热、霉菌、盐雾、低气压、高低温等特殊环境下稳定工作。通过一体式、高可靠转子结构设计，电机转子能够在高振动、大冲击等特殊力学环境下高速稳定工作。通过横截面为Z字形轴承套结构设计，既可增加机械强度，又可有效减小电机轴向尺寸，缩小体积。

Description

一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种航空航天、工业伺服传动领域用电机，具体涉及一种不安装位置传感器/转速传感器的复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机。
背景技术
目前，航空、航天领域等电机产品在储存和工作时能够适应振动、冲击、湿热、霉菌、盐雾、低气压、高低温等特殊环境，因此电机的绝缘性能、机械强度要求较高，同时对重量、体积及比功率要求较为严格。市场上8kW以下电机多数为异步电机和有传感器的永磁同步电机，外形尺寸较大(一般大于Φ140mm×150mm)，功重比较小(一般为1kW/kg以下，含结构件)，多工作于-10℃～+40℃，绝缘等级一般为F级，力学环境一般仅仅满足国标、国军标等要求，不适用于更严酷的湿热、高温、严酷力学条件等特殊环境要求，也不适用于对体积、重量有严格限制的系统和场合。
发明内容
本发明的技术解决问题为：克服现有技术的不足，提出一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，能够适用于更严酷的湿热、高温、严酷力学条件等特殊环境要求，以及对体积、重量有严格限制的系统和场合。
本发明采用的技术方案为：
一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，包括定子、机壳、端盖、轴承套、波形弹簧和转子；
复合浸漆后的定子安装在机壳中，且定子与机壳过盈配合，机壳两端装有端盖，用于对机壳中的定子加以保护，转子两端的轴承在径向上通过横截面为Z字形轴承套与端盖连接在一起，转子一端的轴承与轴承套之间设置有波形弹簧，用于调整转子的轴向间隙。
所述转子包括转轴、磁轭、隔板、永磁体、保护套、挡板和轴承；
磁轭外套于转轴上，且为滚花过盈配合，永磁体均匀粘接在磁轭外表面，隔板依次嵌入磁轭外表面的轴向凹槽内，相邻永磁体之间通过隔板连接，保护套外套于永磁体表面，保护套两端与挡板固定连接，用于防止永磁体转动时受离心力影响而发生脱落，挡板套在转轴上且两个挡板位于磁轭的两端，其中一个挡板与转轴之间为过盈配合，另一个挡板与转轴之间为过渡配合。
定子的复合浸漆具体为：先将定子整体用聚酰亚胺浸渍漆真空压力浸漆二次，再进行普通浸漆一次，最后用不饱和聚酯亚胺浸渍树脂真空压力浸漆一次。
本发明与现有技术相比带来的有益效果为：
(1)本发明提供了一种无转子位置/转速传感器结构的高功重比永磁同步电机，具有较低的长径比，适用于对电机体积、重量要求苛刻的场合。
(2)通过对电机结构件合理选材和结构设计，电机不仅具有重量轻的优点，而且能够适应于高振动、大冲击的力学环境。
(3)通过一体式、高可靠转子结构设计，电机转子能够在高振动、大冲击等特殊力学环境下高速稳定工作。
(4)由于电机轴向采用横截面为Z字形轴承套结构，既可增加机械强度，又可有效减小电机轴向尺寸，缩小了体积。
(5)本发明提供了一种复合浸漆的定子绝缘设计方案，实现定子耐温高、挂漆量高、粘度高、三防及耐辐射性能优异的高可靠绝缘性。能够在严酷的湿热、霉菌、盐雾、低气压、高低温等特殊环境下稳定工作。
(6)通过电机绕组匝数与定子长径比匹配设计以及高槽满率设计，能够使短时工作制电机发热降低。
附图说明
图1本发明永磁同步电机结构示意图；
图2本发明定子结构示意图；
图3本发明转子径向剖面示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，包括定子1、机壳2、端盖3、轴承套5、波形弹簧6和转子15；
复合浸漆后的定子1安装在机壳2中，且定子1与机壳2过盈配合，机壳2两端装有端盖3，用于对机壳2中的定子1加以保护，机壳2和端盖3选用铝合金材料，并进行固溶时效的表面处理，机壳2和端盖3的单边厚度不小于5mm。转子15两端的轴承在径向上通过横截面为Z字形轴承套5与端盖3连接在一起，轴承套5外圆表面与端盖3安装时采用滚花过盈配合。轴承套5采用不锈钢材料，可防止电机在高速、高温运行时端盖3的轴承室变形，影响轴承14的工作可靠性，轴承套5的壁厚不小于3mm。与普通L形结构相比，由于其取消了铝合金材质机壳轴向轴承挡结构，不仅提升了结构强度，而且缩短了轴向尺寸。转子15一端的轴承与轴承套5之间设置有波形弹簧6，用于调整转子15的轴向间隙。两轴承安装面轴向距离不超过65mm。该电机结构能够适用于耐高频振动(20Hz～2000Hz：25g)、高冲击(1000Hz～8000Hz：5000g)的力学环境。
如图2所示，定子1包括定子铁芯17和绕组16，定子铁芯17的尺寸不大于Φ110mm×40mm，体积不超过3.71×10-4m3，电机的功率为8kW，因此功率体积比不低于2.15×104kg/m3，定子铁芯17的长径比，即长度与内径之比，小于0.6。小长径比不仅减小了电机外形尺寸，而且易于散热，易于下线操作。采用该定子1结构的的电机总重量不大于7kg，含结构件功重比不低于1.1kW/kg，外形尺寸不大于Φ135mm×110mm。绕组16采用220℃聚酰亚胺电磁线或200℃以上级别耐电晕电磁线，嵌线时槽满率不低于70％，嵌线后，绕组16两端部之间距离不超过82mm。定子1采用C级绝缘材料，电机耐温不低于200℃，短时耐温不低于220℃(达到C级绝缘)。绕组16匝数和定子铁芯17长度匹配设计，使电机反电势在供电电压的80％～90％之间，这样在充分利用供电电压的基础上最大程度降低定子1的电流密度。采用上述方法设计的电机，10min短时满功率工作下电机最热部位温升不高于100℃。
对定子1进行复合浸漆：先将定子1整体用聚酰亚胺浸渍漆真空压力浸漆二次，再进行普通浸漆一次，最后用不饱和聚酯亚胺浸渍树脂真空压力浸漆一次。普通浸漆是指在常温、常压下进行浸漆。通过真空压力浸漆，浸渍漆能够填充到定子1内部的细小缝隙中，以提升定子1的耐高温、耐电晕性能。再用粘度较高的不饱和聚酯亚胺浸渍树脂真空压力浸漆一次，使浸渍树脂充分覆盖整个定子1，防止潮湿气体进入，以提升定子1耐潮湿、盐雾的绝缘可靠性。复合浸漆后的定子1能够适应湿热(0℃～50℃、90％～100％湿度)、霉菌、盐雾(5mg/m3)、低气压(133Pa)、高低温(-40℃～+80℃)等特殊环境。
如图3所示，转子15包括转轴7、磁轭8、隔板9、永磁体10、保护套11、挡板12和轴承14。磁轭8外套于转轴7上，且为滚花过盈配合，永磁体10均匀粘接在磁轭8外表面，隔板9依次嵌入磁轭8外表面的轴向凹槽内，隔板9与磁轭8的凹槽采用过渡配合，单边间隙量不大于0.12mm。相邻永磁体10之间通过隔板9连接，保护套11外套于永磁体10表面，采用小间隙或过度配合，保护套11两端与挡板12圆周焊接固定连接，用于防止永磁体10转动时受离心力影响而发生脱落，挡板12套在转轴7上且两个挡板12位于磁轭8的两端，其中一个挡板12与转轴7之间为过盈配合，防止永磁体10轴向窜动。另一个挡板12与转轴7之间为过渡配合。隔板9采用不导磁材料，一方面起隔磁作用，防止强磁环境下磁路的畸变，另一方面，固定永磁体10的位置，防止周向窜动。转轴7采用强度较高的金属材料，表面处理后硬度不低于36HRC，以满足受力要求。永磁体10为瓦片形，选用耐高温、磁性能较高的钐钴材料。保护套11一般采用不导磁材料，厚度在0.2mm～0.5mm之间，安装保护套11后，转子15外圆与定子1内圆之间的单边间隙为0.4～0.5mm。保护套11外圆可先留加工余量，与永磁体10安装后再加工外圆。通过材料选择、过盈配合、粘接、焊接方式使转子形成一体化结构，使其具有优异的结构可靠性，能够适应高振动、大冲击的强力学环境。
实施例：
根据本发明设计出一台无传感器永磁同步电机，供电为380V、50Hz的工频交流电，电机功率为8kW，转速为7000r/min，采用8极36槽结构。电机重量为6.9kg，功重比为1.16kW/kg，电机外形尺寸为Φ124mm×107mm，定子铁芯尺寸为Φ110mm×39mm，安装保护套后的转子外径为Φ69.2mm，两轴承安装面距离为63.5mm。机壳、端盖采用锻铝2A14-T6，机壳单侧厚度为7mm，端盖厚度为9mm。转轴采用不锈钢40CrNiMoA，硬度为35～40HRC，直径为Φ29mm。横截面为Z型的轴承套采用不锈钢2Cr13，壁厚为4.5mm。保护套为不锈钢1Cr18Ni9Ti，壁厚为0.45mm。定子采用聚酰亚胺浸渍漆真空压力浸漆二次，普通浸漆一次以及不饱和聚酯亚胺浸渍树脂真空压力浸漆一次。
1、对电机依次进行低频、高频、定频振动试验，试验条件为：
1)低频正弦扫描试验条件
2)高频段随机振动试验条件
3)定频振动试验条件
试验结果为：空载振动时的电流不超过5A。振动后电机无机械损伤及结构松动现象。对电机额定性能进行复测，转速、电流、功率等指标满足要求。复测结果为：
电机编号 工作转矩 消耗电流 转速 功率因数
1 10N.m 14.74A 7006r/min 0.98
2 10N.m 14.96A 7000r/min 0.98
2、对电机进行冲击试验，冲击试验条件(冲击响应谱Q＝10)为：
冲击后，电机性能符合设计要求，结构无损坏和松动现象。
3、对电机进行了高低温试验，在高低温环境下进行额定性能测试。试验条件为：
温度，保温时间
高温(℃) 60±2，4h
低温(℃) -40±3，4h
高温试验结果：
电机编号 高温箱温度 工作转矩 消耗电流 转速 功率因数
1 60℃ 10N.m 14.90A 6998r/min 0.98
2 62℃ 10N.m 15.11A 7031r/min 0.98
低温试验结果：
4、对电机进行了湿热试验，参照GJB4.6《舰船电子设备环境试验交变湿热试验》的要求进行，试验周期为1个周期，共48小时。试验后，复测电机绝缘电阻、直流电阻均符合要求。试验结果为：
5、对电机进行盐雾试验，试验方法参照GJB150.11《军用设备环境试验方法盐雾试验》进行，采用喷雾和干燥循环的方式，按照24h喷雾和24h干燥交替进行，一个试验周期为48h，共进行4个循环。实验时试验箱工作空间内任一点上的温度应保持在35±2℃。试验后复测电机绝缘电阻、直流电阻均满足要求。
6、对电机进行低气压试验，试验条件为133Pa，持续时间至少为10min。在降压过程中和低气压状态下，电机未发生真空放电或微放电现象。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：包括定子(1)、机壳(2)、端盖(3)、轴承套(5)、波形弹簧(6)和转子(15)；
复合浸漆后的定子(1)安装在机壳(2)中，且定子(1)与机壳(2)过盈配合，机壳(2)两端装有端盖(3)，用于对机壳(2)中的定子(1)加以保护，转子(15)两端的轴承在径向上通过横截面为Z字形轴承套(5)与端盖(3)连接在一起，转子(15)一端的轴承与轴承套(5)之间设置有波形弹簧(6)，用于调整转子(15)的轴向间隙。
2.根据权利要求1所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：所述转子(15)包括转轴(7)、磁轭(8)、隔板(9)、永磁体(10)、保护套(11)、挡板(12)和轴承(14)；
磁轭(8)外套于转轴(7)上，且为滚花过盈配合，永磁体(10)均匀粘接在磁轭(8)外表面，隔板(9)依次嵌入磁轭(8)外表面的轴向凹槽内，相邻永磁体(10)之间通过隔板(9)连接，保护套(11)外套于永磁体(10)表面，保护套(11)两端与挡板(12)固定连接，用于防止永磁体(10)转动时受离心力影响而发生脱落，挡板(12)套在转轴(7)上且两个挡板(12)位于磁轭(8)的两端，其中一个挡板(12)与转轴(7)之间为过盈配合，另一个挡板(12)与转轴(7)之间为过渡配合。
3.根据权利要求1所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：定子(1)的复合浸漆具体为：先将定子(1)整体用聚酰亚胺浸渍漆真空压力浸漆二次，再进行普通浸漆一次，最后用不饱和聚酯亚胺浸渍树脂真空压力浸漆一次。
4.根据权利要求1所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：所述定子(1)包括定子铁芯(17)和绕组(16)，定子铁芯(17)外径为Φ110mm，内径为Φ70mm，长度为39mm，定子(1)的长径比小于0.6。
5.根据权利要求4所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：所述绕组(16)采用220℃聚酰亚胺电磁线或200℃以上级别耐电晕电磁线，嵌线时槽满率不低于70％，嵌线后，绕组(16)两端部之间距离不超过82mm。
6.根据权利要求1所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：机壳(2)和端盖(3)选用铝合金材料，并进行固溶时效的表面处理，机壳(2)和端盖(3)的单边厚度不小于5mm。
7.根据权利要求1所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：所述承套(5)采用不锈钢材料，其壁厚不小于3mm。
8.根据权利要求2所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：隔板(9)与磁轭(8)采用过度配合，单边间隙量不大于0.12mm，隔板(9)采用不导磁材料，防止强磁环境下磁路的畸变以及防止永磁体(10)周向窜动。
9.根据权利要求2或8所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体(10)为瓦片形，采用钐钴材料。
10.根据权利要求2所述一种复合浸漆无传感器高功重比永磁同步电机，其特征在于：所述保护套(11)采用不导磁材料，厚度在0.2mm～0.5mm之间，安装保护套(11)后，转子(15)与定子(1)之间的单边间隙为0.4～0.5mm。
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