CN109347228A - 一种耐350℃超高温、高速永磁转子及其制造方法 - Google Patents

一种耐350℃超高温、高速永磁转子及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种耐350℃超高温、高速永磁转子及其制造方法；包括轴、磁钢、护套，所述磁钢安装在轴上并通过护套和挡板固定，所述轴为三段空心轴，轴的中部为磁轭，轴的左端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，轴的右端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，轴左右两端的台阶分别用来对护套和挡板进行定位安装。本发明选用的耐高温磁钢可以产生满足性能的磁场，其表面的金属镀层有效的防止了磁钢高温氧化，提高了高温使用寿命；其过盈方式安装的合金护套，可以有效地防止磁钢在高速旋转时发生飞逸或破裂。

Description

一种耐350℃超高温、高速永磁转子及其制造方法
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种耐高温达350℃、最高转速达36000rpm的永磁转子结构设计方法，主要应用于高温高速发电机。
背景技术
伴随着高超声速飞行器概念的提出以及未来“全电”飞机(MEA) 的发展趋势，国内对于高温高速发电机的需求越来越迫切。高温高速发电机是一种采用特殊结构和材料，能够在高温环境中，以高转速运行的机电能量转换设备。它将发动机产生的机械能转化成各种形式的电能，供飞行器上所有机电系统和电子设备使用。由于高温高速发电机选取的电磁负荷大(即电流大、磁场强)、转速高，因此其除了具有耐高温、高转速的特点外，还具有体积小、重量轻、功率密度高的特点。正是基于这些特点，高温高速发电机能够满足高超声速推进系统所处的超声速气流气动加热、高强度燃烧、高热流和600K(326.85℃) 高温的极端物理环境要求；也能满足MEA对发电机与发动内置一体化安装，紧靠发动机燃烧室的350℃高温工作环境要求。
能用作发动机发电系统的电机类型有永磁同步电机、异步电机、开关磁阻电机、三级式电励磁同步电机、有刷直流电机等。高速永磁同步电机具有功率密度高、结构简单、无需励磁等的优点，在无人飞行器无需考虑发电机灭磁的情况下，高速永磁同步电机是首选。高速永磁电机的设计主要集中在转子的机械强度与动力学设计上，因高速发电机转子承受巨大的离心力，其机械强度是必须解决的问题。常见的解决方法是在转子外侧加装保护套，例如非导磁金属护套(如钛合金、Inconel合金、高强度合金钢等)和高强度纤维类保护套(如碳纤维、玻璃纤维等)。
目前，国内高速永磁电机研究愈来愈多。已经出现了小功率3kW、转速120000rpm的高速永磁电机；中等功率20kW、转速50000rpm的高速永磁电机以及大功率110kW、转速14000rpm的高速永磁电机。但是仍未解决高速永磁电机的耐高温问题，其主要问题反映在定子高温绝缘体系及转子结构设计上。在转子方面，永磁转子在高温下易出现磁钢退磁、金属护套受热膨胀过盈量减小导致永磁碎裂、磁钢及非金属护套的高温氧化等问题。本成果中设计的是一种转速36000rpm，可在350℃超高温环境中长时间运行的高温高速发电机永磁转子结构。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐350℃超高温、高速永磁转子及其制造方法，满足高温高速发电机的转子结构需求。耐高温高速转子主要结构：由转轴、挡板、磁钢以及金属护套组成。解决的技术问题：解决永磁转子在高温下磁钢的高温氧化问题、金属护套受热膨胀过盈量减小导致磁钢碎裂、以及金属护套大过盈量的装配问题。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种耐350℃超高温、高速永磁转子及其制造方法；包括轴、磁钢、护套，所述磁钢安装在轴上并通过护套和挡板固定，所述轴为三段空心轴，轴的中部为磁轭，轴的左端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，轴的右端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，轴左右两端的台阶分别用来对护套和挡板进行定位安装。
所述磁钢为分段结构的永磁材料。
磁钢与护套之间为过盈配合。
所述磁钢在轴的圆周方向排列切向磁钢、N极磁钢、S极磁钢交替固定在轴上；所述切向磁钢在轴的圆周方向均匀分布为四组，每组包括两块相同大小的磁钢且径向安装在轴上，所述N极磁钢和S极磁钢在轴上均匀分布为两组，每组均包括相同大小的九块磁钢依次连接，每三块磁钢在轴的径向首位连接。
一种350℃超高温、高度永磁转子的制造方法，其方法为：
分别加工轴、磁钢、护套、挡板后装配。
所述轴选用1Cr17Ni2为材料，对轴的键槽、螺纹、退刀槽、台阶进行加工后，在轴的直径最大处表面均匀加工四处径向凹槽，并对其进行喷砂处理。
磁钢表面应以镀Ni-Cu-Ni-Cu-Ni的方式镀至少5层金属镀层，镀层后对磁钢表面进行磨加工。
所述护套采用TC4钛合金材料。
所述装配过程为首先将护套置于工装底座内，将底座与护套一起放入高温箱内加热至400℃并保温2h后取出；将导向轴置于底座孔内；利用空心轴内通孔将待装配护套转子压入护套内。
本发明的有益效果在于：选用的耐高温磁钢仍可以产生满足性能的磁场，其表面的金属镀层有效的防止了磁钢高温氧化，提高了使用寿命；其过盈方式安装的合金护套，可以有效地防止磁钢在高速旋转时发生飞逸或破裂。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的轴结构示意图；
图3是本发明的磁钢结构示意图；
图4是本发明的磁钢充磁方向示意图；
图5是本发明的装配结构示意图；
图中：1-轴，2-磁钢，21-切向磁钢，22-N极磁钢，23-S极磁钢， 3-护套，4-挡板，5-台阶,6-底座，7-导向轴，8-径向凹槽。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种耐350℃超高温、高速永磁转子及其制造方法；包括轴1、磁钢2、护套3，所述磁钢2安装在轴1上并通过护套3和挡板4固定，所述轴1为三段空心轴，轴1的中部为磁轭，轴1的左端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，轴1的右端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，轴1左右两端的台阶分别用来对护套3和挡板 4进行定位安装。轴1为三段空心轴结构以减少转子重量和离心力，轴1上对应空心直径较大部分为磁轭，磁轭与轴1一体可以提高转轴结构强度，轴1左端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，其中轴承座用以安装轴承，螺纹处安装锁紧螺母用以锁紧轴承，键槽用以安装锁紧圈用以对锁紧螺母的防松，轴1右端依次加工有键槽、螺纹、两处退刀槽及轴承座，其中轴承座用以安装轴承，螺纹处安装齿轮螺母用以发电机传递力矩和锁紧轴承，键槽用以安装锁紧碗用以对齿轮螺母的防松；转子中磁钢2采用分段结构的耐高温永磁材料，磁钢2 表面镀有金属防护镀层防止高温氧化，在高温情况下仍可以长时间产生磁场为发电机励磁；护套3以过盈方式安装可以防止磁钢2在高速旋转时发生飞逸或破裂；挡板4用以防止磁钢2的轴向串动。
所述磁钢2为分段结构的永磁材料。
磁钢2与护套3之间为过盈配合。
所述磁钢2在轴1的圆周方向排列,切向磁钢21、N极磁钢22、S极磁钢23交替固定在轴1上；所述切向磁钢21在轴1的圆周方向均匀分布为四组，每组包括两块相同大小的磁钢且径向安装在轴1上，所述N 极磁钢22和S极磁钢23在轴1上均匀分布为两组，每组均包括相同大小的九块磁钢依次连接，每三块磁钢在轴1的径向首位连接。
一种350℃超高温、高度永磁转子的制造方法，其方法为：
分别加工轴、磁钢、护套、挡板后装配。
所述轴选用1Cr17Ni2为材料，对轴的键槽、螺纹、退刀槽、台阶进行加工后，在轴的直径最大处表面均匀加工四处径向凹槽，并对其进行喷砂处理。
磁钢表面应以镀Ni-Cu-Ni-Cu-Ni的方式镀至少5层金属镀层，镀层后对磁钢表面进行磨加工。
所述护套采用TC4钛合金材料。
所述装配过程为首先将护套3置于工装底座内，将底座与护套3 一起放入高温箱内加热至400℃并保温2h后取出；将导向轴7置于底座 6孔内；利用空心轴内通孔将待装配护套转子压入护套内。
轴1材料为1Cr17Ni2，为三段空心轴结构以减少转子重量和离心力；其中轴1上对应空心直径较大部分为磁轭，磁轭与轴1一体以提高转轴结构强度；磁轭线切割槽用以嵌入磁钢2，磁轭对应表面喷砂处理，提高磁钢2粘结的工艺性；磁轭两端台阶精加工用以装配护套 3及挡板4；轴1两端分别留有余量，键槽、螺纹、退刀槽及轴承座等在完成转子装配后进行精加工。轴1的结构见图2所示。
磁钢2材料选用耐高温磁钢，该材料极限使用温度为500℃，满足高温下性能使用需求；常规转子的磁钢为一整块瓦型结构，为烧结成型的大块磁钢内表面圆度不好保证，与磁轭贴合不紧密，当护套过盈压装护套时易造成磁钢碎裂，本成果中磁钢2采取分段配置，磁钢分段以后单块磁钢尺寸减小，有利于保证磁钢内表面与磁轭外表面的同轴度，使磁钢与磁轭贴合更紧密，同时单块磁钢对护套产生的离心力也随之减小；磁钢2固持采用胶粘剂粘接在磁轭表面，为保证磁钢 2外表面与护套3内表面的过盈量，在磁钢2粘接固持完毕后，磁钢2表面还需进行磨加工以保证磁钢2表面尺寸及圆度，鉴于高温下常用磁钢粘结剂已失效，胶结属于辅助固持，其高温运行时主要依靠护套3对磁钢2产生的预应力固定，与常规表贴式转子不同，本成果中由于粘结剂已经失去效用，在转子高速旋转时磁钢2可与轴1分离，因而不受到拉应力作用，而是主要受到护套的压应力作用，因此在高转速时磁钢不会碎裂，磁钢2与护套3之间材料用小过盈量即可，设计时着重考虑护套3强度问题；磁钢2的预应力可采用有限元软件进行计算；磁钢2各个锐边均倒圆角R1，在单块磁钢上首先镀一层金属Ni，而后镀金属Cu，完成后继续镀金属Ni，以此镀 Ni-Cu-Ni-Cu-Ni……至少5层金属镀层，其中金属镍的防护作用好，金属铜的延展性好，混合镀层可有效防止磁钢在高低温的循环作用下磁钢热胀冷缩导致的镀层剥落，试验表明金属镀层越厚磁钢的抗氧化能力越好，但至少需5层才可使磁钢使用寿命有效延长。为保证磁钢2 外表面在磨加工过程中不至将金属镀层削除，根据实际加工情况需综合考虑镀层数量和镀层厚度；为保证磁钢2表面线膨胀系数相同，磁钢2排列采用Halbach阵列形式，由此磁钢2分为径向充磁及切向充磁两种形式，其中切向充磁磁钢镶嵌在轴1表面的凹槽内，可有效防止磁钢2发生周向旋转。两种磁钢2形式见图3所示，磁钢2在轴1 表面排列见图4所示。
护套3采用TC4钛合金材料，在20℃～400℃范围内，钛合金TC4 的线膨胀系数为9.5×10-6/℃，轴材料1Cr17Ni2的线膨胀系数为 11.8×10-6/℃，磁钢材料的线膨胀系数为8×10-6/℃，由于钛合金的线膨胀系数较小，可以一定程度上消除温度对过盈量的影响；护套3与左侧挡板为一体，可以提高结构稳定性；护套3内圆尺寸可与磁钢2 外表面配加工，保证过盈量尺寸要求。护套3结构见图5所示。
由于转子使用温度达350℃，为保证高温下磁钢2仍承受一定压应力即磁钢2与护套3的过盈量不减少，护套3至少需在400℃高温下进行过盈装配，护套3装配过程如下：首先将护套3置于工装底座内，将底座与护套3一起放入高温箱内加热至400℃并保温2h后取出；将导向轴置于底座孔内；利用空心轴内通孔将待装配护套转子压入护套内。利用该方法，可以快速、准确的将护套3装配好，避免了由于人为原因造成的偏差致使转子报废，提高了转子热装工艺性。转子热装示意图见图5所示。

Claims (9)

1.一种耐350℃超高温、高速永磁转子，其特征在于：包括轴(1)、磁钢(2)、护套(3)，所述磁钢(2)安装在轴(1)上并通过护套(3)和挡板(4)固定，所述轴(1)为三段空心轴，轴(1)的中部为磁轭，轴(1)的左端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，轴(1)的右端依次加工有键槽、螺纹、退刀槽及轴承座，轴(1)左右两端的台阶分别用来对护套(3)和挡板(4)进行定位安装。
2.如权利要求1所述的耐350℃超高温、高速永磁转子，其特征在于：所述磁钢(2)为分段结构的永磁体。
3.如权利要求1所述的耐350℃超高温、高速永磁转子，其特征在于：磁钢(2)与护套(3)之间为过盈配合。
4.如权利要求1所述的耐350℃超高温、高速永磁转子结构，其特征在于：所述磁钢(2)在轴(1)的圆周方向排列切向磁钢(21)、N极磁钢(22)、S极磁钢(23)交替固定在轴(1)上；所述切向磁钢(21)在轴(1)的圆周方向均匀分布为四组，每组包括两块相同大小的磁钢且径向安装在轴(1)上，所述N极磁钢(22)和S极磁钢(23)在轴(1)上均匀分布为两组，每组均包括相同大小的九块磁钢依次连接，每三块磁钢在轴(1)的径向首位连接。
5.一种350℃超高温、高度永磁转子的制造方法，其方法为：
分别加工轴、磁钢、护套、挡板后装配。
6.如权利要求5所述的耐350℃超高温、高速永磁转子结构及其制造方法，其特征在于：所述轴选用1Cr17Ni2为材料，对轴的键槽、螺纹、退刀槽、台阶进行加工后，在轴的直径最大处表面均匀加工四处径向凹槽，并对其进行喷砂处理。
7.如权利要求5所述的耐350℃超高温、高速永磁转子结构及其制造方法，其特征在于：磁钢表面应以镀Ni-Cu-Ni-Cu-Ni的方式镀至少5层金属镀层，镀层后对磁钢表面进行磨加工。
8.如权利要求1所述的耐350℃超高温、高速永磁转子结构及其制造方法，其特征在于：所述护套采用TC4钛合金材料。
9.如权利要求1所述的耐350℃超高温、高速永磁转子结构及其制造方法，其特征在于：所述装配过程为首先将护套(3)置于工装底座内，将底座与护套(3)一起放入高温箱内加热至400℃并保温2h后取出；将导向轴(7)置于底座(6)孔内；利用空心轴内通孔将待装配护套转子压入护套内。
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