CN110266152A - 一种定子上涂附复合软磁材料的方法及其高速永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种定子上涂附复合软磁材料的方法及其高速永磁电机，该发明可显著降低或根本性消除高速永磁电机转子涡流发热，并有效降低高速永磁电机的震动和噪声。一种高速永磁电机定子上涂附复合软磁材料的方法，包括如下步骤：一)、混合软磁材料粉末的制作，二)、将一)中的混合软磁材料粉末制作成可涂覆的复合软磁材料涂料(1)；三)、将二)中的复合软磁材料涂料(1)涂覆于高速永磁电机定子(7)铁心内腔表面，四)、固化。一种使用上述方法的高速永磁电机，包括定子(7)和转子(5)，其特征在于高速永磁电机定子(7)铁心内腔表面上固化有复合软磁材料涂料(1)。

Description

一种定子上涂附复合软磁材料的方法及其高速永磁电机
技术领域
本发明涉及高速永磁电机，尤其涉及高速永磁电机定子。
背景技术
大量的应用实践和研究表明：
1)随着永磁电机的运行，尤其是高速永磁电机的运行，电机的永磁转子会发热升温，随着永磁转子磁体温度的升高，将导致永磁体磁性能下降，严重时导致永磁体永久性失磁而影响高速永磁电机的可靠性和稳定性；永磁转子发热已成为影响高速永磁电机推广应用的严重问题。
大量的研究表明：永磁转子内磁感应涡电流是引起转子发热的主要原因。根据高速永磁电机工作原理，高速永磁电机运转，是由于定子绕组通电所产生的磁动势基波合成为旋转磁动势，旋转磁动势产生的磁场与电机永磁转子磁场耦合，拖动电机转子做同步旋转。研究表明，在高速永磁电机定子与转子之间的气隙内，除存在磁通密度幅值较高的基波成份外，还存在复杂的谐波成份，它包括磁密的空间谐波、时间谐波和合成的与电气时间参数、机械尺寸参数相关的行波，由于这些谐波合成的谐波磁场与基波磁场的不同步性，将引起电机永磁转子内的永磁体和转子铁心电磁感应，产生涡电流，因转子所用的永磁体(如稀土永磁材料)和铁心材料均为具有一定电导率的导电材料，从而涡电流流经转子导电材料引起转子发热,Q＝I2×R×t。
2)随着高速永磁电机的应用领域拓展，妥善解决高速永磁电机的震动和噪声问题越来越受到高度关注。大量研究表明：由于高速永磁电机定子铁心通常的齿槽结构设计，在齿处的导磁性能和槽处导磁性能存在显著不同，在电机定子内圆柱面上存在周期性磁导不均匀现象，必然导致基波磁场沿定子圆周存在周期性的不均匀性，进而成为引起电机运行震动和噪声的原因之一。另外，电机定子的齿槽加工精度、对称性及外形等不能绝对保障，会导致磁场的非周期性不均匀，也是导致电机运行产生震动和噪声的一方面原因。
目前，解决上述问题1)的常规技术手段，主要是在永磁转子上采取一些技术措施，如在转子外圆表面加装金属屏蔽层；或将转子用永磁体切割成片状，片与片之间做绝缘处理；或是要求永磁体制造厂商改变永磁制备工艺，增大永磁体材料的电阻率；以及通过转子永磁体的内埋式改变磁路设计等。这些技术措施虽一定程度降低了转子上的永磁体涡流发热，但产生涡流的电机气隙谐波仍然存在，发热问题没有根治；同时，加装转子金属屏蔽层将难以保证转动时转子动平衡，且存在转子屏蔽层因离心力引起变形问题和脱落的风险，安装工艺复杂且难度大。而永磁体切片、增大永磁材料电阻率或内埋式等措施，将导致转子永磁磁场性能下降，且增大了永磁体安装、固定方式的复杂性，影响高速永磁电机高性能优势的充分发挥，并将导致同功率电机制造体积增大，同时增大制造成本和制造难度。另外，由于转子是转动的，其涡流产生的热量不易于通过传导方式至冷却端耗散。
解决上述问题2)的传统技术方法是：在电机定子铁心齿上设计开槽或设计斜槽或设计闭口槽，并提高齿槽加工精度；以及加强检验，以保证加工尺寸精度、齿槽外形和对称性，但这些措施都较大程度的增加了制造难度和制造成本，并且不能较理想地克服齿槽磁导性能不均匀的矛盾。
发明内容
本发明提供一种定子上涂附复合软磁材料的方法及其高速永磁电机，该发明可显著降低或根本性消除高速永磁电机转子涡流发热，并有效降低高速永磁电机的震动和噪声。
一种高速永磁电机定子上涂附复合软磁材料的方法，包括如下步骤：一)、混合软磁材料粉末的制作，该混合软磁材料粉末包括金属软磁粉末和软磁铁氧体粉末的混合，其中该金属软磁粉末颗粒目数比该软磁铁氧体粉末颗粒目数小；二)、将一)中的混合软磁材料粉末制作成可涂覆的复合软磁材料涂料；三)、将二)中的复合软磁材料涂料涂覆于高速永磁电机定子铁心内腔表面，该内腔表面指面向气隙侧的定子齿端面和面向气隙侧的定子槽楔表面；四)、固化。
一种使用上述方法的高速永磁电机，包括定子和转子，其特征在于高速永磁电机定子铁心内腔表面上固化有复合软磁材料涂料，该内腔表面指高速永磁电机定子内腔面向气隙侧的定子齿端面和定子槽楔的面向气隙侧的表面，该复合软磁材料涂料包括金属软磁粉末和软磁铁氧体粉末，该金属软磁粉末颗粒目数比该软磁铁氧体粉末颗粒目数小。
本发明的复合软磁材料涂料涂覆并固化于定子铁心内腔壁，即定子铁心的齿和槽楔端面。由于该复合软磁材料涂层的低频段(0～2kHz)磁导率较高，高频段(2kHz～10MHz)磁导率适中，饱和磁通密度高，涂层内含金属颗粒，因此定子绕组产生的磁场穿过该复合软磁材料时，基波磁场几乎无影响。谐波(包括磁密的时间谐波和空间谐波)因在该复合软磁材料涂层内产生较强涡电流，使高速永磁电机气隙内谐波被抑制，可有效消除或降低定子绕组磁动势产生的磁密谐波成份，进而消除或降低永磁转子因谐波而产生涡流发热；且涂附于定子内腔气隙侧的齿、槽楔端面的复合软磁材料所产生的涡流发热热量，将通过定子铁心将热量传导于高速永磁电机机座，可高效地进行散热。同时，齿槽端面涂附一层一定厚度的本发明复合软磁材料，因其具一定导磁性能，使该涂层具有对空间磁场分布平滑整形功能,进而对铁心绕组所产生的磁密空间波形进行波形修正，使其更接近正弦波形，进而磁密的空间谐波被抑制。另外，因涂层具有磁导率，必然存在磁阻较小的磁路，使其具有汇聚磁力线功能，可有效消除齿、槽间的杂散磁场；同时，因安装定子内腔壁面的软磁复合材料涂层，使齿、槽间磁导性能差异变化被减小，磁密在齿、槽间过渡比较平滑且差值较小，进而降低电机震动和噪声。
附图说明
图1为实施例1中制备的高速永磁电机结构示意图；
图2为实施例1中三种软磁材料粉末均匀混合后,其内部颗粒分布示意图；
图3为实施例1中复合软磁材料低磁阻特性对空间磁力线的汇聚作用示意图；
图4为实施例1中采用磁场相机观测圆柱磁体畸形磁场空间云图的示意图；
图5为实施例1中采用磁场相机观测图4中圆柱磁体平滑整形后磁场空间云图的示意图；
图6为实施例1中在高频交变磁通密度作用下，复合软磁材料内大直径金属颗粒产生涡流现象的示意图。
具体实施方式
本发明中，金属软磁粉末包括具有软磁性能的金属合金制成的粉末,通常包括典型的合金软磁粉末如铁硅铝合金粉末、铁硅铬合金粉末中的一种或两种；软磁铁氧体粉末通常包括锰锌铁氧体粉末、镍锌铁氧体粉末中的一种或两种。复合软磁材料涂料固化前后材料组份没有变化，复合软磁材料的磁导率一般在10～150之间。高速永磁电机转速一般在8000rpm以上，工作基频400Hz以上，本发明对接近高速转动的永磁电机也有明显技术效果。
实施例1
步骤一):将质量百分比AL5.4％、Si9.5％、其余为铁的铁硅铝合金,制备成颗粒目数为60的金属软磁粉末；将绵阳西磁科技有限公司的P95型牌号锰锌铁氧体制备成颗粒目数为800的锰锌铁氧体粉末；将绵阳西磁科技有限公司的XCR1000牌号的镍锌铁氧体制备成颗粒目数为200的镍锌铁氧体粉末；然后将这三种软磁粉末按质量百分比11:5:4均匀混合构成混合软磁材料粉末；步骤二)、将混合软磁材料粉末与5011-11环氧树脂剂按质量百分比22:3混合，并搅拌均匀制成可涂覆的复合软磁材料涂料；步骤三)、将复合软磁材料涂料涂涮0.8mm厚度于高速永磁电机定子铁心内腔表面，该内腔表面指面向气隙侧的定子齿端面和面向气隙侧的定子槽楔表面；步骤四)、在60℃条件下2小时固化。
图1为实施例1中的高速永磁电机结构示意图，图中1为高速永磁电机上固化的复合软磁材料涂料，2为定子齿，3为定子槽楔，4为定子与转子间气隙，5为转子，6为定子绕组，7为定子，8为高速永磁电机外壳。
图2为实施例1中固化后复合软磁材料涂料其内部颗粒分布示意图，图中A为铁硅铝合金金属软磁粉末颗粒，B为镍锌铁氧体粉末颗粒，C为锰锌铁氧体粉末颗粒。
由于铁硅铝合金金属软磁粉末具有高的饱和磁通密度，通常可达到1.5T，具有良好的交直流叠加稳定性和良好的磁性能稳定性；在10kHz频率以下，具有较高导磁率，损耗不显著，而在大于10kHz的更高频率下损耗显著；锰锌铁氧体在1MHz以下的起始磁导率μi大约2000，在小于25kHz频率下损耗小，在大于100kHz频率下损耗显著增加，在1194A/m测试条件下，饱和磁通密度大约450mT；而镍锌铁氧体可在10kHz至300MHz频率范围内，μi大约1000左右。将三种软磁材料分别粉化破碎制成不同粒度的粉末后，充分混合制成混合粉末，并与5011-11环氧树脂均匀搅拌制备为复合软磁材料就具有特殊的电、磁功能特性。如图2所示，三种软磁材料颗粒均匀分布，与树脂的成分比达到近9：1，测得该复合软磁材料磁导率为15.5。因铁硅铝合金金属软磁粉末颗粒度较大，用于高频范围的锰锌铁氧体粉末颗粒和镍锌铁氧体粉末颗粒较小，从而保证了该复合软磁材料低频磁场时的较好磁导率，几乎没有涡流损耗，进而磁阻小，具有较低的磁通密度衰减，对杂散磁力线具有汇集效应，并能对畸形磁场进行平滑整形，如图3所示。为了进一步证实实施例1复合软磁材料对畸形磁场进行平滑整形的效果，将实施例1复合软磁材料制作成0.8mm厚的片状，覆盖在一畸形圆柱体(也可是长方体)磁体上，通过采用磁场相机观测磁通密度空间分布云图变化，证实实施例1复合软磁材料对畸形磁场有显著的平滑整形效果，如图4、图5所示。而在高频磁场条件下，因材料内部的金属大颗粒和中、高频导磁材料小颗粒的分布，保证了中高频良好的导磁率，微结构上等效于无数的高频微元电感，如图6所示；根据施泰因梅茨经验公式：Pe＝Ce△2f2Bm 2V，高频磁场将引起复合软磁材料的金属颗粒内部产生较大涡电流，高频磁场衰减强度大，进而使高频磁通密度在复合材料厚度方向上被显著衰减，甚至消除。由于树胶对三种软磁材料颗粒的包覆隔离，与三种软磁材料本征性能相比，该复合软磁材料具有更高的饱和磁感应强度，且在工作场强范围内，B-H函数线性度好，具有更好的磁场叠加特性，对实施例1中复合软磁材料软磁特性进行测试，从测试的磁滞回线看，即使在H为3.55kA/m条件下，也并未达到本发明复合软磁材料的饱和磁通密度。
相关研究表明，高速永磁电机的气隙中除存在着定子铁心绕组产生的基波磁场(可用公式表示为f1(x,t)＝fA1+fB1+fC1＝3/2Fφ1COS(ωt-xπ/τ))外，还存在着绕组产生的时间和空间磁场谐波分量f3(x,t)，f5(x,t)，…,等。高速永磁电机运行时，三相铁心绕组的基波合成磁场为旋转磁场，并与转子同步旋转，不会在转子组件中产生涡流损耗，而谐波分量的合成磁场因与转子不同步，将在转子中感应产生涡电流，引起转子发热。同时，由于电机定子齿、槽的存在，引起气隙磁导分布不均匀导致磁体矢量磁位的变化，进而也将产生涡流损耗。因此，高速永磁电机的转子涡电流主要是由于定子电流的时间和空间谐波以及定子齿槽造成的气隙磁导变化引起的。
由于涂附层复合软磁材料具有前述的导磁性能、磁力线聚合能力、磁场整形功能和对磁场谐波的衰减特性，使定子铁心绕组电流产生的磁场空间谐波和时间谐波被抑制或消除，使定子齿、槽磁导明显的变化被极大的改善。当电机装配完成，上电运行时，在电机气隙内就几乎只存在波形完善的正弦基波，进而三相基波合成旋转磁场。而磁场谐波在复合软磁材料涂附层因涡流效应产生热量，但由于复合软磁材料涂层与定子铁心齿槽材料相附着，能将热量高效地传导至电机外壳，进而便利地向电机外部空间进行散热。同时，由于涂覆层高频导磁材料的作用，增强了电机定子绕组高频电感特性，有利于高速永磁电机(如SPWM模式)控制驱动器的谐波过滤。
综上所述，该复合软磁涂料涂附于定子铁心齿和槽楔端面，因定子铁心绕组在电机气隙产生的磁动势,根据公式B＝u H,使其驱动的磁密几乎为正弦型基波，进而合成产生基波旋转磁场，磁密的空间和时间谐波被消除或抑制，从而极大减小转子内涡电流，根本上解决了转子涡流发热问题，并降低高速永磁电机的震动和噪声。
实施例2
与实施例1不同的是制备颗粒目数为80的铁硅铬合金粉末(质量百分比Si6.5％、Cr4.5％、其余为铁)、颗粒目数为60的铁硅铬合金粉末(质量百分比AL5.4％、Si9.5％、其余为铁)及颗粒目数为200的绵阳西磁科技有限公司的XCR1000牌号的镍锌铁氧体粉末，然后将三种软磁粉末按质量比4:5:1均匀混合构成混合软磁材料粉末；实施例2中的复合软磁涂料采用均匀平流的方法涂覆在定子内侧腔体表面上，涂覆厚度为0.1mm；实施例2是在25℃条件下24小时自然固化。实施例2中测得该复合软磁材料磁导率为12.5。
实施例3
与实施例1不同的是制备颗粒目数为80的铁硅铬合金粉末(质量百分比Si6.5％、Cr4.5％、其余为铁)、颗粒目数为60的铁硅铬合金粉末(质量百分比AL5.4％、Si9.5％、其余为铁)及颗粒目数为800的绵阳西磁科技有限公司的P95型牌号锰锌铁氧体粉末，然后将三种软磁粉末按质量比5:4:1均匀混合构成混合软磁材料粉末；涂附厚度为3.0mm；实施例3是在80℃条件下1小时固化。实施例3中测得该复合软磁材料磁导率为26.9。
本发明的方法不局限于高速永磁电机，其他类电机采用本方法发明也会有程度不同的技术效果；本发明也可采用其他的胶合剂用以制成涂料；本发明也可采用其他的在电机定子上附着的方法；本发明中的复合软磁材料中可添加增强材料。

Claims (7)

1.一种高速永磁电机定子上涂附复合软磁材料的方法，包括如下步骤：
一)、混合软磁材料粉末的制作，该混合软磁材料粉末包括金属软磁粉末和软磁铁氧体粉末的混合，其中该金属软磁粉末颗粒目数比该软磁铁氧体粉末颗粒目数小；
二)、将一)中的混合软磁材料粉末制作成可涂覆的复合软磁材料涂料(1)；
三)、将二)中的复合软磁材料涂料(1)涂覆于高速永磁电机定子(7)铁心内腔表面，该内腔表面指面向气隙(4)侧的定子齿(2)端面和面向气隙(4)侧的定子槽楔(3)表面；
四)、固化。
2.如权利要求1所述的一种高速永磁电机定子上涂附复合软磁材料的方法，其特征在于步骤一)中质量百分比该金属软磁粉末占55～90％，该软磁铁氧体粉末占10～45％。
3.如权利要求1或权利要求2所述的一种高速永磁电机定子上涂附复合软磁材料的方法，其特征在于步骤二)中将该混合软磁材料粉末与环氧树脂材料均匀混合制作成可涂覆的复合软磁材料涂料。
4.如权利要求1或权利要求2所述的一种高速永磁电机定子上涂附复合软磁材料的方法，其特征在于步骤三)中涂覆厚度为0.1～3.0mm。
5.如权利要求1或权利要求2所述的一种高速永磁电机定子上涂附复合软磁材料的方法，其特征在于步骤四)中可在25℃条件下24小时自然固化，也可在60℃条件下2小时固化，或在80℃条件下1小时固化。
6.一种使用权利要求1方法的高速永磁电机，包括定子(7)和转子(5)，其特征在于高速永磁电机定子(7)铁心内腔表面上固化有复合软磁材料涂料(1)，该内腔表面指高速永磁电机定子(7)内腔面向气隙(4)侧的定子齿(2)端面和定子槽楔(3)的面向气隙(4)侧的表面，该复合软磁材料涂料(1)包括金属软磁粉末和软磁铁氧体粉末，该金属软磁粉末颗粒目数比该软磁铁氧体粉末颗粒目数小。
7.如权利要求6所述的一种高速永磁电机，其特征在于所述复合软磁材料涂料(1)由混合粉末与环氧树胶材料充分混合制成，而该混合粉末由金属软磁粉末和软磁铁氧体粉末组成，该混合粉末中质量百分比该金属软磁粉末占55～90％、该软磁铁氧体粉末占10～45％。
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