CN110380536B - 一种增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，包括转轴，其特征在于，所述转轴的表面由内向外依次包裹有转子铁心、永磁体、屏蔽层和转子护套；所述永磁体的轴向两端设有导电端盖，所述的导电端盖与屏蔽层固定相连，且与永磁体紧贴。该结构可以有效减小永磁体内的涡流损耗及屏蔽层内的涡流损耗，并且降低转子的总涡流损耗，提高永磁电机的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，尤其是涉及一种增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构。
背景技术
电机是工业系统中的重要组成部分，性能优异的电机对于工业系统而言至关重要。随着电力电子技术的发展，越来越多的电机采用逆变器供电。由于逆变器的开关频率受到电力电子器件的限制，当电机转速升高、电流基波频率升高时，定子电流时间谐波会明显增加。定子电流时间谐波产生的磁场相对转子异步旋转，会导致转子内的磁场波动，引起转子涡流及损耗发热，这种现象在电机高速运行时尤其严重。此外，永磁电机转子几乎处于密闭空间，尺寸小，散热条件差，转子涡流损耗会引起明显的转子温升。转子过热易导致永磁体退磁甚至不可逆失磁，因此转子涡流损耗需要予以有效抑制。
研究表明，在永磁体外圆柱面包裹薄铜层可以屏蔽定子电流谐波磁场向内部永磁体透入，因此这种结构被称为铜屏蔽层。虽然铜屏蔽层中会感应出一定的涡流，但是由于铜的电导率很高，并不会引起过多的损耗；而铜屏蔽层的感应磁场可以抵消转子内的波动磁场，使永磁体的涡流得以抑制，从而使转子的总涡流损耗下降。带铜屏蔽层的表贴式永磁电机转子自内而外一般包括转子轴与铁心、永磁体、铜屏蔽层、转子护套四层结构，如图1所示。
有限元分析发现，铜屏蔽层内的涡流在轴向居中的部分比较均匀，涡流密度也较低，但在轴向两端涡流回转的位置非常集中，涡流密度非常高。转子端部的涡流不仅流经铜屏蔽层的两个端面，还会从附近的永磁体中穿过，增加永磁体涡流损耗。由此可见，传统带屏蔽层的转子结构无法有效抑制转子端部的涡流，容易造成转子端部的局部过热及退磁。
发明内容
基于现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，可以有效减小永磁体内的涡流损耗及屏蔽层内的涡流损耗，并且降低转子的总涡流损耗，提高永磁电机的运行可靠性。
本发明的技术方案如下：
一种增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，包括转轴，其特征在于，所述转轴的表面由内向外依次包裹有转子铁心、永磁体、屏蔽层和转子护套；所述永磁体的轴向两端设有导电端盖，所述的导电端盖与屏蔽层固定相连，且导电端盖与永磁体紧贴。
所述转子铁心与永磁体之间、永磁体与屏蔽层之间、屏蔽层与转子护套之间均采用过盈配合。
本发明在永磁体轴向两端增加两片导电端盖，从而将转子端部的涡流引导至高电导率的导电端盖中，抑制其向永磁体中扩散造成永磁体涡流损耗。
该导电端盖的作用不同于传统的转子端压板，转子端压板的作用是防止永磁体沿轴向发生位移，起到加固转子结构的作用。而且为了避免永磁体和定子产生的磁场在端部漏磁、产生额外的涡流损耗，转子端压板须采用不导磁的材料，比如铝、不导磁的不锈钢等。此外，对于永磁体轴向窜动不明显的电机，则不需要安装转子端压板。
本发明中，对于设有转子端压板的电机，导电端盖应安装在端压板和永磁体之间；对于无转子端压板的电机，导电端盖安装在永磁体两端即可。
屏蔽层的作用是屏蔽谐波磁场以抑制涡流损耗、收集转子中的热量使转子温度均匀，可采用铜等高导电、高导热、不导磁的材料。所述屏蔽层的厚度不小于主要谐波磁场在屏蔽层的透入深度。
导电端盖需要采用具有高导电率的材料，一般采用与屏蔽层相同的材料，例如铜。所述导电端盖的厚度不小于屏蔽层的厚度。
转子护套的作用是保护其内部的永磁体、屏蔽层、导电端盖抵抗离心力，可采用碳素纤维、玻璃纤维、不锈钢、钛合金等高机械强度、不导磁的材料。
本发明中，屏蔽层的内径应等于永磁体外径，安装时屏蔽层紧贴电机转子永磁体的表面；转子护套与屏蔽层过盈配合，利用预紧力保护其中的屏蔽层与永磁体；导电端盖紧贴于永磁体的两个端面，并与屏蔽层固定相连，形成能够良好导电的接触。
针对不同的转子结构，所述的导电端盖可以采用两种加工工艺。
当电机转子无端压板时，使用翻边工艺，将加长的屏蔽层在端部向内翻折，形成与屏蔽层一体的导电端盖。
当电机转子有端压板时，所述导电端盖设置在转子端压板和永磁体之间，原有的转子端压板仍用作轴向固定，确保导电端盖与屏蔽层紧密接触。导电端盖采用如下工艺制作：先将屏蔽层适当加长并向内翻折，在屏蔽层两端加盖带有台阶的导电端盖，再通过激光焊接将导电端盖与屏蔽层相连。激光焊接利用小范围的高温将屏蔽层与导电端盖熔化相连，既可以保证二者导电良好，又不会引起永磁体的过热退磁。当导电端盖的厚度超过转子端压板的厚度时，可以取消转子端压板，用导电端盖替代转子端压板的作用，实现功能复用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在永磁体两端紧贴设置导电端盖，为涡流在转子端部提供了额外的回转通路，且该通路电导率高，能够减少永磁体端部的涡流损耗及屏蔽层在两端的涡流损耗，从而降低了转子的总涡流损耗。
2、本发明能够在传统的仅带屏蔽层的转子结构基础上进一步减小转子的损耗与温升，提高永磁电机的运行可靠性。
附图说明
图1为现有的表贴式永磁电机转子结构示意图；
图2为本发明实施例中带导电端盖的表贴式永磁电机转子剖面图；
图3为本发明实施例中带导电端盖的表贴式永磁电机转子结构示意图；
图4为本发明实施例中采用翻边工艺的无端压板转子结构示意图；
图5为采用翻边工艺之前的屏蔽层结构示意图；
图6为采用翻边工艺之后的屏蔽层结构示意图；
图7为本发明实施例中采用翻边及激光焊接工艺的有端压板转子结构示意图。
图中：1-转轴，2-转子铁心，3-永磁体，4-屏蔽层，5-转子护套，6-导电端盖，7-转子端压板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，为现有常见的表贴式永磁电机转子结构，由内向外分别是转轴1、转子铁心2、永磁体3、屏蔽层4和转子护套5。
本发明实施例中带导电端盖的表贴式永磁电机转子结构如图2和图3所示，包括转轴1，转轴1的表面由内向外依次包裹有转子铁心2、永磁体3、屏蔽层4和转子护套5；永磁体3的轴向两端设有导电端盖6，导电端盖6与屏蔽层4固定相连，与永磁体3紧贴。
永磁体3紧贴于转轴1表面；屏蔽层4紧贴于永磁体3表面；两个导电端盖6紧贴于永磁体3的端面，并与屏蔽层4充分接触；转子护套5包裹在屏蔽层4和导电端盖6外面。
本发明的原理为：
高电导率的屏蔽层4可以为转子圆柱面上的涡流提供通路，减少内部永磁体3圆柱表面涡流损耗与发热；导电端盖6可以为转子端部的涡流提供额外的回转通路，减小永磁体3端部的涡流损耗与发热，也降低屏蔽层4两端的涡流密度与涡流损耗及发热；屏蔽层4与导电端盖6之间的良好接触可以使涡流在屏蔽层4和导电端盖6中形成良好的流通路径。由于屏蔽层4和导电端盖6的电阻率很小，其涡流损耗较小，可以有效抑制转子整体的涡流损耗与发热。此外，热导率高的屏蔽层4和导电端盖6还可以收集永磁体3所产生的热量、均匀永磁体3各部位的温度，避免转子局部过热。转子护套5可增强转子的机械强度，高速运行时将永磁体3和屏蔽结构紧紧束缚在转子轴与铁心上。
本发明中导电端盖的作用不同于传统转子端压板，因此不影响原转子端压板的使用与否。对于有转子端压板的电机，导电端盖应安装在端压板和永磁体之间；对于无转子端压板的电机，导电端盖安装在永磁体两端即可。
下面以无转子端压板的电机为例，并结合图4-6，进一步说明本发明中导电端盖6的加工工艺。
如图4所示，当转子无端压板时，可采用翻边工艺，将导电端盖6与屏蔽层4一体加工。首先，在加工前将屏蔽层4两端各预留出合适的长度(预留部分厚度应大于等于永磁体3的厚度)安装于永磁体3外，如图5所示。然后，使用翻边工艺将屏蔽层4超出永磁体3的部分向内侧折叠90度，形成导电端盖结构，如图6所示。屏蔽层4与导电端盖6的一体加工可以自然保证二者具有良好的接触。
如图7所示，当转子有端压板时，可以在翻边后加盖带有台阶的导电端盖6，并利用激光焊接将二者接触边缘熔合，保证涡流能够在屏蔽层4与导电端盖6间流通。转子端压板7仍用作轴向固定，确保导电端盖6与屏蔽层4紧密接触。
作为一个实施案例，对于一台每分钟六万转、六千瓦的高速永磁电机，采用本发明所述的铜导电端盖后，其永磁体涡流损耗可降低83.1％，转子总涡流损耗可降低20.3％，转子最高温升可降低25.4％。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，包括转轴，其特征在于，所述转轴的表面由内向外依次包裹有转子铁心、永磁体、屏蔽层和转子护套；所述永磁体的轴向两端设有导电端盖，所述的导电端盖与屏蔽层固定相连，且与永磁体紧贴；所述导电端盖和屏蔽层的材料为铜；
高电导率的屏蔽层与导电端盖之间良好接触，使涡流在屏蔽层和导电端盖中形成良好的流通路径，通过屏蔽谐波磁场抑制内部永磁体圆柱表面和端部的涡流损耗、收集转子中的热量使转子温度均匀。
2.根据权利要求1所述的增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，其特征在于，所述转子铁心与永磁体之间、永磁体与屏蔽层之间、屏蔽层与转子护套之间均采用过盈配合。
3.根据权利要求1所述的增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，其特征在于，所述屏蔽层的厚度不小于主要谐波磁场在屏蔽层的透入深度。
4.根据权利要求1所述的增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，其特征在于，所述转子护套的材料为碳素纤维、玻璃纤维、不导磁不锈钢或钛合金。
5.根据权利要求1所述的增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，其特征在于，所述导电端盖的厚度不小于屏蔽层的厚度。
6.根据权利要求1所述的增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，其特征在于，当电机转子无端压板时，所述导电端盖采用如下工艺制作：使用翻边工艺，将加长的屏蔽层在端部向内翻折，形成与屏蔽层一体的导电端盖。
7.根据权利要求1所述的增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，其特征在于，当电机转子有端压板时，所述导电端盖设置在转子端压板和永磁体之间，所述转子端压板仍用作轴向固定，使导电端盖与屏蔽层紧密接触；所述导电端盖采用如下工艺制作：先将屏蔽层适当加长并向内翻折，在屏蔽层两端加盖带有台阶的导电端盖，再通过激光焊接将导电端盖与屏蔽层相连。
8.根据权利要求7所述的增强谐波磁场屏蔽作用的永磁电机转子结构，其特征在于，当导电端盖的厚度超过转子端压板的厚度时，取消转子端压板，用导电端盖替代转子端压板的作用。
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