CN109149821A - 电机转子和永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电机转子和永磁电机，其特征在于，包括：转轴；磁性层，磁性层固定套设在转轴上；第一热扩散层，包覆在磁性层远离转轴一侧的外表面上，用于防止屏蔽层局部过热；屏蔽层，包覆在第一热扩散层远离磁性层一侧的表面上。电机转子的屏蔽层与磁性层之间设置有第一热扩散层，第一热扩散层能防止屏蔽层和磁性层局部过热，并且提高屏蔽层的散热效率。

Description

电机转子和永磁电机

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及一种电机转子和永磁电机。

背景技术

高速永磁同步电机具有功率密度大、动态响应好以及结构简单等多种优点，已成为国际电工领域的研究热点之一。但是，其转子中的永磁体一般采用烧结钕铁硼永磁材料，由于这种永磁材料抗压不抗拉。为了保证永磁体在高速下有足够的强度，一般在永磁体外包裹一层高强度转子护套，转子护套和永磁体采用过盈配合以保证永磁体在工作时依然承受一定的压应力，从而保证高速电机的安全运行。

常用的护套有两种，一种是采用非导磁的高强度金属护套，另一种则是碳纤维绑扎型的护套。碳纤维无法屏蔽进入永磁体的谐波磁场，因此永磁体中仍会产生大量的涡流损耗。当采用金属护套时，在高频电磁场作用下金属护套会产生涡流损耗，导致护套发热，又由于护套与转子永磁体紧密接触，护套中的热量很容易向永磁体传递。当永磁体温升过高时将产生不可逆退磁，从而使电机性能下降甚至损坏。

因此，在屏蔽进入永磁体的电磁谐波的同时提高屏蔽层的散热效率，防止屏蔽层局部过热，是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种电机转子和永磁电机，从而在屏蔽进入永磁体的电磁谐波的同时提高屏蔽层的散热效率，防止屏蔽层局部过热。

为了解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种电机转子，包括：

转轴；磁性层，磁性层固定套设在转轴上；

第一热扩散层，包覆在磁性层远离转轴一侧的外表面上，用于防止屏蔽层局部过热；

屏蔽层，包覆在第一热扩散层远离磁性层一侧的表面上。

可选的，第一热扩散层沿厚度方向的第一导热系数，小于第一热扩散层沿延伸方向的第二导热系数。

可选的，第一热扩散层为第一碳纤维层，第一碳纤维层的径向方向平行于第一热扩散层的厚度方向，第一碳纤维层的纤维方向平行于第一热扩散层的延伸方向。

可选的，还包括：第二热扩散层；第二热扩散层包覆在屏蔽层远离磁性层一侧的外表面上。

可选的，第二热扩散层为第二碳纤维层，第二碳纤维层的径向方向平行于第二热扩散层的厚度方向，第二碳纤维层的纤维方向平行于第二热扩散层的延伸方向。

可选的，第二碳纤维层中设置有多个金属导热件，金属导热件沿第二碳纤维层的径向方向延伸，用于提高第二碳纤维层沿径向方向的导热系数。

可选的，第一热扩散层与第二热扩散层采用同种材料制备，第一热扩散层的厚度大于第二热扩散层的厚度。

可选的，第一热扩散层与磁性层过盈配合。

可选的，其特征在于，

磁性层为环形永磁体；

或，

磁性层包括固定装置和永磁体，固定装置固定套设在转轴上，固定装置远离转轴一侧的外表面上设置有安装槽，永磁体安装在安装槽内。

可选的，磁性层包括固定装置和永磁体，固定装置采用蓄热材料制备。

可选的，永磁体包括钕铁硼磁铁和/或钐钴磁铁。

可选的，屏蔽层的厚度大于0.03mm且小于1.5mm。

本申请还提出一种永磁电机，还包括本申请提出的任一的电机转子。

本申请提出一种电机转子和永磁电机，其中，电机转子的屏蔽层与磁性层之间设置有第一热扩散层，第一热扩散层能防止屏蔽层和磁性层局部过热，并且提高屏蔽层的散热效率。

附图说明

图1为本发明实施例中一种电机转子的示意图；

图2为本发明实施例中另一中电机转子的示意图。

图中附图标记：1、转轴；2、磁性层；21、固定装置；22、永磁体；3、第一热扩散层；4、屏蔽层；5、第二热扩散层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或电器不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或电器固有的其它步骤或模块。

在现有技术中，电机转子，特别是永磁电机转子，往往需要通过设置屏蔽层以屏蔽进入永磁体的谐波磁场，但是屏蔽层本身在高频电磁场的作用下会产生涡流损耗，导致发热，因此需要在屏蔽进入永磁体的谐波磁场的同时提高屏蔽层的散热效率。基于此本申请提出一种电机转子，如图1和图2所示，本申请提出的电机转子，包括：转轴1、磁性层2、第一热扩散层3和屏蔽层4；其中所述磁性层2固定套设在所述转轴1上；磁性层2可以是环形结构，其中部可以开设有连接孔，转轴1穿过连接孔并固定在转轴1上，具体的，磁性层可以是磁钢，可以在磁性层2和转轴1的接触面上涂覆磁钢胶以将其固定在转轴上。第一热扩散层3包覆在磁性层2远离所述转轴1一侧的外表面上，用于防止所述屏蔽层4局部过热；第一热扩散层3可以是圆环结构从而套设在磁性层2外侧，第一热扩散层3可以与磁性层2之间过盈配合，从而使第一热扩散层3为磁性层2提供一定的预压力，一般磁性层2可以是永磁体，永磁体耐压不耐拉。屏蔽层4包覆在所述第一热扩散层3远离所述磁性层一侧的表面上，屏蔽层4远离第一热扩散层3的一侧可以直接与周围环境相接触，从而加快屏蔽层向周围环境的散热效率。屏蔽层可以采用例如铜等金属材料制备，其可以屏蔽谐波磁场，减少永磁体中的涡流损耗，屏蔽层本身因为涡流损耗在使用过程中会升高温度，因此需要提高屏蔽层的散热效率以改善电机转子本身的散热情况，防止因为屏蔽层局部温度过高影响电机转子的磁性层，磁性层温度过高会造成永久性退磁，因此本申请设置第一热扩散层，设置在磁性层和屏蔽层之间，第一热扩散层的作用是吸收屏蔽层的热量并使得该热量沿着第一热扩散层的延伸方向传播，此处的延伸方向指的是平行于屏蔽层与磁性层的方向，从而防止热量在屏蔽层的局部聚集，使得屏蔽层的整体处于热均匀状态，通过防止局部温度过高，以避免磁性层部分退磁，在屏蔽层局部出现高温时，将热量扩散到整个屏蔽层，即增加了屏蔽层的散热面积，以提高散热性能，本申请中第一热扩散层可以为一个整体，与屏蔽层靠近磁性层的一侧的所有表面相接触，因此，当屏蔽层有裂纹或是包括多个彼此分离的部分时，通过第一热扩散层可以将一个屏蔽层一个部分的热量传输到其他部分，以增加散热面积促进散热，并且防止屏蔽层局部过热。

可选的，第一热扩散层3沿厚度方向的第一导热系数，小于所述第一热扩散层沿延伸方向的第二导热系数。可选的，第一热扩散层为碳纤维层，即用碳纤维制作，所述第一碳纤维层的径向方向平行于所述第一热扩散层3的厚度方向，所述第一碳纤维层的纤维方向平行于所述第一热扩散层3的延伸方向。第一碳纤维层的径向方向为从磁性层指向屏蔽层的方向，第一碳纤维层的纤维方向与屏蔽层相平行，碳纤维材料的纤维方向的导热系数较高，可达到700W/(m.K)，碳纤维材料的径向方向的导热系数较低，约为6.5W/(m.K)，径向方向的导热系数较低但并不绝热，使得第一热扩散层本身可以起到一定的吸热效果，在此情况下，当磁性层2的热量过高时不会因为第一热扩散层无法传热而退磁，此时，第一热扩散层3也作为磁性层的保护套，其可以为磁性层提供一定的预压力，碳纤维材料本身导电率较低，不会造成涡流损耗，并且碳纤维材料具有强度高、热膨胀系数小等特点，有利于节约转轴空间。

可选的，如图1和图2所示，电机转子还包括：第二热扩散层5；所述第二热扩散层5包覆在所述屏蔽层4远离所述磁性层2一侧的外表面上。在本申请中，第二热扩散层5一方面可以进一步保证屏蔽层热量分布均匀，另一方面，第二热扩散层5可以直接与周围环境相接触，将屏蔽层4的热量扩散到周围环境中，可选的，第二热扩散层采用非金属导热材料制备，流入可以是绝缘导热无机粒子和聚合物机体复合而成的复合物，其中无机粒子优选采用氮化硼、氮化硅和氧化铝，也可以采用金属微粒，即金属微粒嵌合在聚合物机体中作为第二热扩散层，此时聚合物机体中的金属微粒可以吸收一定的谐波磁场，减少屏蔽层携手的谐波磁场的总量，从而降低屏蔽层整体的温度，并且金属微粒弥散分布在聚合物机体中，所以散热效率更高，可选的，聚合物机体可以是碳纤维材料，碳纤维层材料为多层结构，其纤维方向平行于屏蔽层4，其径向方向为屏蔽层4指向第二热扩散层5的方向，碳纤维材料的纤维方向的热传导系数极高，其径向方向的热传导系数较低，因此，可以在碳纤维层中设置金属纤维，金属纤维的延伸方向为碳纤维层的径向方向，金属纤维与碳纤维材料中各个层的碳相接触，金属纤维的尺寸较小，因此不会破坏碳纤维层沿纤维方向的强度，同时，金属纤维既可以吸收谐波磁场，又可以提高碳纤维层整体沿径向的热传导系数，从而加快屏蔽层4向第二热扩散层5的传热效率，加速散热。

可选的，所述第二热扩散层5为第二碳纤维层，所述第二碳纤维层的径向方向平行于所述第二热扩散层的厚度方向，所述第二碳纤维层的纤维方向平行于所述第二热扩散层的延伸方向。可选的，所述第二碳纤维层中设置有多个金属导热件，所述金属导热件沿所述第二碳纤维层的径向延伸，用于提高所述第二碳纤维层沿径向方向的导热系数。第二碳纤维层为多层结构，各个层之间的导热系数较低，为了提高其沿径向方向的导热系数设置了金属导热件，金属导热件可以贯穿第二碳纤维层并与屏蔽层相接触，可选的金属导热件的一端可以固定设置在屏蔽层上，也可以与屏蔽层一体连接，即屏蔽层上突出设置多个金属探针，金属探针贯穿或不贯穿第二碳纤维层，从而一方面提高了第二碳纤维层沿径向的导热系数，加快热量向外界环境散发，另一方面增大屏蔽层与第二碳纤维层的接触面积，提高热传导效率。优选的，采用如前文所述的，在第二碳纤维中掺杂金属纤维的方式，金属纤维的延伸方向可以随机分布或为第二碳纤维层纤维方向，金属纤维的长度优选10nm-20nm，金属纤维在上述尺寸范围内不会破坏碳层沿纤维方向的强度，同时提高第二碳纤维层的径向的热传导系数，并且金属纤维本身也可以吸收谐波磁场，金属纤维的比表面积大，其与第二碳纤维层的热传导效率极高。

可选的，第一热扩散层和第二热扩散层采用同种材料制备，第一热扩散层3的厚度大于第二热扩散层的厚度。例如所述第一热扩散层3为第一碳纤维层，第二热扩散层5为第二碳纤维层。根据菲克第一定律和菲克第二定律，热量传输的速率正比与温度梯度，因此，设置第一热扩散层3的厚度大于第二热扩散层5，即降低屏蔽层4与磁性层2之间的温度梯度，增加屏蔽层4与第二热扩散层5远离屏蔽层一侧的环境之间的温度梯度，促使屏蔽层4在吸收了谐波磁场产生了高温后向第二热扩散层5传输，并提高热量的传输速度，防止屏蔽层4向磁性层2传输热量，同时，因为第一热扩散层3本身并不是绝热层或隔热层，因此，其在起到防止屏蔽层4或磁性层2局部过热的作用的同时，可以吸收部分屏蔽层4和磁性层2的热量，延缓屏蔽层4的升温速度，第一热扩散层3沿其本身延伸方向的热传导系数大于延其本身厚度方向的热传导系数，其厚度方向是从磁性层2指向屏蔽层4的方向，其延伸方向垂直于厚度方向。

可选的，所述第一热扩散层3与所述磁性层2过盈配合。可选的，第二热扩散层5与屏蔽层4过盈配合。第一热扩散层3此时作为护套，为磁性层提供一定的预压力，以防止磁性层2在转子高速转动时与转轴脱离，并且在当磁性层内具有永磁体时，防止永磁体在离心力的作用下被撕裂成多个碎片。

可选的，如图1所示，所述磁性层2为环形永磁体；此时屏蔽层4为一个整体，环形的永磁体中部开设有安装孔，转轴穿过安装孔，在永磁体与转轴之间设置有磁钢胶，用于连接永磁体和转轴。

或者，如图2所示，所述磁性层2包括固定装置21和永磁体22，所述固定装置21固定套设在所述转轴1上，所述固定装置21远离所述转轴1的外表面上设置有安装槽，所述永磁体22安装在所述安装槽内。固定装置21可以与转轴过盈配合，从而压紧在转轴上，固定装置21上的安装槽的尺寸小于永磁体22的尺寸，使得固定装置21与永磁体22之间过盈配合，从而为永磁体22提供预压力，永磁体22抗压不抗拉，通过增设预压力，防止永磁体碎裂。固定装置21与永磁体22安装在一起可以形成圆环结构，第一热扩散层3、屏蔽层4和第二热扩散层5都可以是圆环结构，彼此嵌套在一起。

可选的，所述磁性层2包括固定装置21和永磁体22，所述固定装置21采用蓄热材料制备。此时蓄热材料制备的固定装置可以吸收永磁体22上产生的热量，防止永磁体温度过高，例如可以选用相转变蓄热材料，且相转变蓄热材料的相变温度低于永磁体22的消磁温度5-10℃，当永磁体22的温度升高时，其温度将转移到固定装置21上，当永磁体22的温度即将达到其对应的消磁温度时，固定装置发生相变从而加快吸收永磁体22上的热量，并且相变过程将对应产生一定的体积变化，设置固定装置21采用相变时体积增大的材料制备，当永磁体22的温度升高到消磁温度附近说明电机使用时间较长且运行强度较大，此时固定装置21发生相变，增加体积，可以增大永磁体22与固定装置21之间的压力，进而防止因为长时间高强度使用转子造成永磁体22碎裂，并且增加两者之间的压力可以减小永磁体22和固定装置21之间的间隙，增大彼此之间的接触面积，进一步提高热传导效率，需要注意的是固定装置相变时的体积变化不可过大，优选体积变化不大于1％，防止其他层断裂。

可选的，在本申请中，所述永磁体包括钕铁硼磁铁和/或钐钴磁铁。这两种磁铁磁性强、保磁性好，且消磁温度高。可选的，所述屏蔽层4采用金属材料制备。具体的，所述屏蔽层4采用铜制备。可选的，所述屏蔽层4的厚度大于0.03mm且小于1.5mm。屏蔽层厚度在一定范围内，随着厚度的增加，效果更加明显，但是厚度过小(如小于0.03mm时)，造成屏蔽层内的涡流电密度急剧增加，当厚度过大(如大于1.5mm时)，改善效果不在增加，反而占用高强度保护套的空间和转子的重量，因此为了防止在屏蔽层内感应出过大的涡流损耗，影响其降低转子涡流损耗的效果，又不至于影响保护套厚度，屏蔽层应保证一定的厚度。

为了更好的说明本申请的有益效果，以下提出一优选实施例。

本申请提出的转子中屏蔽层采用高电导率金属材料，优选铜屏蔽层，该屏蔽层与磁性层之间设置有作为第一热扩散层的碳纤维层，屏蔽层远离第一热扩散层的一侧设置有第二热扩散层，优选第二热扩散层的碳纤维厚度小于第一热扩散层的碳纤维厚度，这样使屏蔽层中的热量更容易传递出去。

本实施例中电机转子主要由转轴，永磁体，屏蔽层和两层碳纤维层组成。

其中，永磁体采用钕铁硼或钐钴材料，磁钢采用环形结构，其内表面通过专用的磁钢胶粘合在转轴上；然后在磁钢外表面绑扎碳纤维护套，即第一热扩散层；屏蔽层采用高导电率金属材料，优选铜屏蔽层，将该屏蔽层覆盖在内层碳纤维护套的外表面，可通过小间隙、过渡或过盈连接；屏蔽层厚度为h，0.03mm﹤h﹤1.5mm之间；本申请中屏蔽层不仅很大程度的屏蔽了进入永磁体的电磁谐波，降低永磁体表面的涡流损耗，同时也提高了屏蔽层自身中的散热效率。

本申请还提出一种永磁电机，包括本申请中提出的任一所述的电机转子。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电机转子，其特征在于，包括：

转轴(1)；

磁性层(2)，所述磁性层(2)固定套设在所述转轴(1)上；

第一热扩散层(3)，包覆在所述磁性层(2)远离所述转轴(1)一侧的外表面上，用于防止屏蔽层(4)局部过热；

所述屏蔽层(4)，包覆在所述第一热扩散层(3)远离所述磁性层一侧的表面上。

2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，

所述第一热扩散层(3)沿厚度方向的第一导热系数，小于所述第一热扩散层沿延伸方向的第二导热系数。

3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，

所述第一热扩散层(3)为第一碳纤维层，所述第一碳纤维层的径向方向平行于所述第一热扩散层(3)的厚度方向，所述第一碳纤维层的纤维方向平行于所述第一热扩散层(3)的延伸方向。

4.根据权利要求1-3任一项所述的电机转子，其特征在于，还包括：第二热扩散层(5)；

所述第二热扩散层(5)包覆在所述屏蔽层(4)远离所述磁性层(2)一侧的外表面上。

5.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述第二热扩散层(5)为第二碳纤维层，所述第二碳纤维层的径向方向平行于所述第二热扩散层的厚度方向，所述第二碳纤维层的纤维方向平行于所述第二热扩散层的延伸方向。

6.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，所述第二碳纤维层中设置有多个金属导热件，所述金属导热件沿所述第二碳纤维层的径向方向延伸，用于提高所述第二碳纤维层沿径向方向的导热系数。

7.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，

所述第一热扩散层与所述第二热扩散层采用同种材料制备，所述第一热扩散层(3)的厚度大于所述第二热扩散层(5)的厚度。

8.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一热扩散层(3)与所述磁性层(2)过盈配合。

9.根据权利要求1-3或5-8任一项所述的电机转子，其特征在于，

所述磁性层(2)为环形永磁体；

或，

所述磁性层(2)包括固定装置(21)和永磁体(22)，所述固定装置(21)固定套设在所述转轴(1)上，所述固定装置(21)远离所述转轴(1)一侧的外表面上设置有安装槽，所述永磁体(22)安装在所述安装槽内。

10.根据权利要求9所述的电机转子，其特征在于，所述磁性层(2)包括固定装置(21)和永磁体(22)，所述固定装置(21)采用蓄热材料制备。

11.根据权利要求9所述的电机转子，其特征在于，所述永磁体包括钕铁硼磁铁和/或钐钴磁铁。

12.根据权利要求1-3、5-8或10-11任一项所述的电机转子，其特征在于，所述屏蔽层(4)的厚度大于0.03mm且小于1.5mm。

13.一种永磁电机，其特征在于，包括如权利要求1-12中任一所述的电机转子。