CN110994844B - 带有屏蔽层的高速永磁电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁电机技术领域，具体涉及带有屏蔽层的高速永磁电机转子。转子结构包括护套、永磁体、转轴，永磁体设置在转轴上，转子护套套在外侧；在永磁体的外侧套有屏蔽层，永磁体与转轴之间通过胶层连接，屏蔽层一侧设有散热板，散热板与屏蔽层另一端的屏蔽筒连接；屏蔽筒的高电导率部分由多个带有倒角的中空长方形结构环绕组成的筒状，中空长方形结构中空部分和中空长方形结构的倒角之间为低电导率部分。现有的永磁电机存在转子的涡流损耗大，转子的散热差等问题，本发明基于现有技术提供了一种能够有效降低转子损耗和温升的带有散热板的复合材料带有屏蔽层的高速永磁电机转子。

Description

带有屏蔽层的高速永磁电机转子

技术领域：

本发明属于永磁电机技术领域，具体涉及带有屏蔽层的高速永磁电机转子。

背景技术

高速电机体积小、功率密度高，相同功率等级下，高速电机的尺寸重量通常远小于中低速电机，可有效的节省材料，降低成本。但同时由于其体积小，频率高的特点，导致电机转子的涡流损耗很大，散热困难。当永磁体温升过高时，会使永磁体发生不可逆退磁，影响电机运行的稳定性。因此如何减小转子的涡流损耗，改善转子的散热条件是一项重要的研究课题。

发明内容

发明目的：

为了有效地降低高速永磁同步电机永磁体的温升，本文发明了一种能有效屏蔽高次谐波的复合材料屏蔽层结构，并通过在屏蔽层一侧焊接散热板，增大转子的散热面积，改善转子的散热条件。

技术方案：

带有屏蔽层的高速永磁电机转子，该转子结构包括护套、永磁体、转轴，永磁体设置在转轴上，转子护套套在外侧；在永磁体的外侧套有屏蔽层，永磁体与转轴之间通过胶层连接，屏蔽层一侧设有散热板，散热板与屏蔽层另一端的屏蔽筒连接；屏蔽筒的高电导率部分由多个带有倒角的中空长方形结构环绕组成的筒状，中空长方形结构中空部分和中空长方形结构的倒角之间为低电导率部分。

进一步的，转子结构从内至外分别是转轴、胶层、永磁体、屏蔽层、护套，护套套在屏蔽层的屏蔽筒上，屏蔽筒一侧的散热板与转轴通过螺栓固定，同时胶层与屏蔽层一侧的散热板黏结。

进一步的，屏蔽层包括散热板和屏蔽筒，散热板和屏蔽筒通过焊接固定；屏蔽筒由高电导率部分和低电导率部分构成；永磁体为四块均匀的弧状瓦片组成，瓦片通过胶粘的方法固定在转轴上。

进一步的，屏蔽筒的高电导率部分由四个带有倒角的中空长方形结构组成，屏蔽筒套在永磁体上，屏蔽筒的轴向长度与永磁体的轴向长度相等，屏蔽筒的内侧径向半径与永磁体外侧径向半径相等；低电导率部分填充在中空长方形结构的中空部分和中空长方形结构外侧的倒角之间，屏蔽筒通过高电导率部分和低电导率部分构成筒状。

进一步的，高电导率部分的中空长方形结构内侧和外侧的倒角均为圆角，外侧圆角半径大小为永磁体的瓦片周向弧长的1/10到3/20，内侧圆角半径大小为永磁体瓦片周向弧长的1/5到1/6；高电导率部分由四个中空长方形结构构成；中空长方形结构的外侧边距离内侧边的距离为永磁体的瓦片周向弧长的1/4到1/5。

进一步的，低电导率部分包括四个位于中空长方形结构中间的带有圆角的长方体和中空长方形结构外侧的倒角之间的部分；带有圆角的长方体的周向长度为永磁体瓦片周向弧长的1/2到3/5；带有圆角的长方体的轴向长度为永磁体轴向长度减去永磁体瓦片周向弧长1/2到2/5；中空长方形结构外侧的倒角之间的部分的圆角半径大小为永磁体的瓦片周向弧长的1/10到3/20。

进一步的，屏蔽筒中的高电导率部分的材料电导率大于30000000S/m，低电导率部分的材料电导率小于50000S/m，散热板采用导热性良好的金属材料。

进一步的，散热板为多层环状结构，每层环状结构由若干方形齿结构环绕形成；整体呈多层环状的散热板设有三层多齿结构的环状结构的散热片，散热片上的齿之间设有缝隙。

进一步的，散热板的三层散热片中内侧环状结构轴向长度长于外侧两层的轴向长度，最内侧环状结构的散热片设有螺栓孔，散热板通过螺栓与转轴连接；最外侧两层环状结构的散热片轴向长度相等，散热片上的多齿结构均匀分布。

进一步的，屏蔽筒径向厚度取(0.012～0.016)/f^1/2，f表示电机频率；电机的频率大于600Hz，护套采用高强度且低电导率的材料。

优点及效果：

本发明具有如下的优点和有益效果：

(1)屏蔽筒采用高电导率材料和低电导率材料相结合的复合材料，高电导率的结构能提供涡流回路，有效的屏蔽各高次谐波，减小了高次谐波在永磁体上产生的涡流损耗，同时屏蔽筒的体积很小，屏蔽筒上产生的额外的涡流损耗大小会小于永磁体涡流损耗的减小量。使转子上产生的总的涡流损耗降低，其余部分低电导率的材料在保证电机转子机械性能的基础上，可以有效减小屏蔽筒上产生的多余的涡流损耗。

(2)屏蔽筒中高电导率部分采用圆角的结构，有效的减小了涡流路径中的电阻，由涡流分布可知，中空长方形结构的外侧圆角大小不能过大，当外侧的圆角大小为永磁体宽度的1/10到3/20时，电阻最小，采用内外圆角的结构能减小屏蔽筒的电阻，进一步减小转子的涡流损耗。

(3)屏蔽筒的一侧焊接有散热板，由于散热板通过胶粘和螺栓固定，焊接处几乎不受力，可以保证其机械性能，而二者之间的热传导可有效的将屏蔽筒涡流损耗产生的热量传导到散热板上，减小了屏蔽筒和永磁体之间传导的热量，屏蔽筒产生的热量由传导到散热板上由散热板和散热片进行散热，这种结构可以有效的增大转子的散热面积，同时转子上未设置散热板的一侧可以方便转子护套的安装。

(4)散热板上带有多层的散热片，散热片的最外侧两层的轴向长度相同，可以避免当转子旋转时产生多余的摩擦损耗。另外散热片采用多层结构，最内侧散热片轴向长于外侧利于与转轴固定，其他层散热片轴向长度相等。散热板处在定子铁心的外侧，电枢磁场对其影响很小。因此散热板上几乎不产生多余的损耗，但却可以有效的将转子内部的热量传导出来，降低转子永磁体的温升，保证电机运行的稳定性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是发明的结构分解图；

图3高速电机转子的剖面图；

图4是带有侧面散热板的屏蔽层结构；

图5是散热板结构立体图；

图6是散热板侧视图；

图7是高电导率部分和低电导率部分的单独部分示意图；

图8是本发明屏蔽筒、传统屏蔽层和未设置屏蔽层对转子涡流损耗的影响；

图9是本发明带有屏蔽筒、传统屏蔽层和未设置屏蔽层的转子永磁体的温升柱状图；

图10是中空长方形结构的外圆角半径与永磁体的瓦片周向弧长的比例对涡流损耗的影响；

图11是本发明中空结构的长方形的外侧边距离内侧边的距离a与永磁体的瓦片周向弧长的比例对转子涡流损耗的影响。

附图标记说明：

1.护套，2.屏蔽层，3.永磁体，4.转轴，5.胶层，6.屏蔽筒，7.高电导率部分，8.低电导率部分，9.散热板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明转子包括转轴4、永磁体3、屏蔽层2以及护套1；屏蔽层2包括屏蔽筒6和散热板9，屏蔽筒6的一侧焊接有散热板9，散热板9上周向均匀分布的多层散热片。本发明在转子的护套1和永磁体3添加屏蔽筒6，并且屏蔽筒6一侧通过焊接固定有散热板9，为永磁电机技术领域提供了一种能够有效降低转子损耗和温升的带有散热板的复合材料屏蔽层结构的高速永磁同步电机。

如图1、图2所示，带有屏蔽层的高速永磁电机转子，该转子结构包括护套1、永磁体3、转轴4，永磁体3设置在转轴4上，转子护套1套在外侧；在永磁体3的外侧套有屏蔽层2，永磁体3与转轴4之间通过胶层5连接，屏蔽层2一侧设有散热板9，散热板9与屏蔽层2另一端的屏蔽筒6连接；屏蔽筒6的高电导率部分7由多个带有倒角的中空长方形结构环绕组成的筒状，中空长方形结构中空部分和中空长方形结构的倒角之间为低电导率部分8。

如图3所示，本发明的转轴4为阶梯轴，图2左侧第四阶梯上的转轴从内到外依次设有胶层5、永磁体3、屏蔽层2和护套1。

如图3所示，转子结构从内至外分别是转轴4、胶层5、永磁体3、屏蔽层2、护套1，护套1套在屏蔽层2的屏蔽筒6上，屏蔽筒6一侧的散热板9与转轴4通过螺栓固定，同时胶层5与屏蔽层2一侧的散热板9黏结。

为了保证永磁体3能够与转轴4稳定连接，通过设置胶层5，也就是胶黏的方式将永磁体3与转轴4固定。

如图4和图7所示，屏蔽层2包括散热板9和屏蔽筒6，散热板9和屏蔽筒6通过焊接固定；屏蔽筒6由高电导率部分7和低电导率部分8构成；永磁体3为四块均匀的弧状瓦片组成，瓦片通过胶粘的方法固定在转轴4上。

屏蔽筒6的高电导率部分7由四个带有倒角的中空长方形结构组成，屏蔽筒6套在永磁体3上，屏蔽筒6的轴向长度与永磁体3的轴向长度相等，屏蔽筒6的内侧径向半径与永磁体3外侧径向半径相等；

低电导率部分8填充在中空长方形结构的中空部分和中空长方形结构外侧的倒角之间，屏蔽筒6通过高电导率部分7和低电导率部分8构成筒状。

屏蔽筒6与永磁体3结构类似，主体由四块带有90度弧度的中空长方形结构构成，中空长方形结构的中空部分和外侧倒角之间的部分由低电导率材料填充。

如图4、图7所示，高电导率部分7的中空长方形结构内侧和外侧的倒角均为圆角，外侧圆角大小为永磁体3的瓦片周向弧长的1/10到3/20，内侧圆角大小为永磁体3瓦片周向弧长的1/5到1/6；高电导率部分7由四个中空长方形结构构成；高电导率部分7外侧边距离内侧边的距离为永磁体3的瓦片周向弧长的1/4到1/5。

低电导率部分8包括四个位于中空长方形结构中间的带有圆角的长方体和中空长方形结构外侧的倒角之间的部分；带有圆角的长方体的周向长度为永磁体3瓦片周向弧长的1/2到3/5；带有圆角的长方体的轴向长度为永磁体3轴向长度减去永磁体3瓦片周向弧长1/2到2/5；中空长方形结构外侧的倒角之间的部分的圆角半径大小为永磁体3的瓦片周向弧长的1/10到3/20。

如图7所示，为了清楚的表述，将中空长方形结构外侧的圆角半径标注为R，中空长方形结构内侧的圆角半径标注为r，中空结构的长方形的外侧边距离内侧边的距离标注a，中空长方形结构中间的带有圆角的长方体的轴向长度标注为b。

从图7中可以看出，中空长方形结构的外侧的四个圆角上都设有一个一侧为弧形的类直角三角结构，弧形半径与中空长方形结构的外侧圆角半径相等。中空长方形结构的中间填充一个四角均为圆角的长方体，长方体的轴向长度为b，轴向长度b为永磁体3的轴向长度减去2a，周向长度为屏蔽筒6的周向长度的1/4减去2a。

屏蔽筒6中的高电导率部分7的材料电导率大于30000000S/m，低电导率部分8的材料电导率小于50000S/m，散热板9采用导热性良好的金属材料。

如图4、图5、图6所示，散热板9为多层环状结构，每层环状结构由若干均匀设置的方形齿结构的环绕形成。

散热板上带有多层的散热片，环形散热片的最外侧两层的轴向长度相同，可以避免当转子旋转时产生多余的摩擦损耗。另外散热片采用多层结构，最内侧散热片轴向长于外侧利于与转轴4固定，其他层散热片轴向长度相等。散热板9处在定子铁心的外侧，电枢磁场对其影响很小。因此散热板9和散热片上几乎不产生多余的损耗，但却可以有效的将转子内部的热量传导出来，降低转子永磁体3的温升，保证电机运行的稳定性。

整体呈多层环状的散热板9设有三层多齿结构的环状结构的散热片，多齿结构的散热片上的齿之间设有缝隙。

散热板9的三层散热片中内侧环状结构轴向长度长于外侧两层的轴向长度，最内侧环状结构的散热片设有螺栓孔，散热板9通过螺栓与转轴4连接；最外侧两层环状结构的散热片轴向长度相等，散热片上的多齿结构均匀分布。

由于散热板9通过胶粘和螺栓固定，焊接处几乎不受力，可以保证其机械性能，而二者之间的热传导可有效的将屏蔽层2涡流损耗产生的热量传导到散热板9上，减小了屏蔽层2和永磁体3之间传导的热量，屏蔽层2产生的热量由传导到散热板9上由散热板9进行散热，这种结构可以有效的增大转子的散热面积，同时转子上未设置散热板9的一侧可以方便转子的护套1的安装。

如图2所示，永磁体3为四块均匀的弧状瓦片组成，瓦片通过胶粘的方法固定在转轴4上。即筒状的永磁体3通过四块弧度为90度、半径相等的瓦片组成的。

屏蔽筒6与永磁体3对应也设置为四个部分，每个部分如图7所示。

屏蔽筒6的厚度应大于含量高的各次谐波的透入深度，但不能大于1mm。屏蔽筒6径向厚度取0.012～0.016/f^1/2，f表示电机频率。电机的频率大于600Hz，护套1采用高强度且低电导率的材料。

本发明带有屏蔽层的高速永磁电机转子的具体安装和加工方法：

屏蔽筒6首先加工成和永磁体3一样形状的瓦片形的屏蔽筒6，屏蔽筒6先采用低电导率的材料，其厚度取0.012～0.016/f^1/2mm，再加工一个厚度相同的中空长方形结构的高电导率材料，高电导率材料形成的弧度与永磁体3的瓦片弧度相同。中空长方形结构的内外侧四个角采用圆角结构，外侧圆角大小为永磁体3瓦片周向弧长的1/10到3/20，内侧圆角大小为永磁体3瓦片周向弧长的1/5到1/6，高电导率部分7的中空长方形结构内外之间的宽度约为永磁体3瓦片周向弧长的1/4到1/5，然后将屏蔽筒6的低电导率部分的中间镂空，刚好和加工的环形高电导率材料形状相吻合。并且将二者焊接到一起，中空长方形结构部分的内部焊接上相同的低电导率材料。

接下来加工出屏蔽层2侧面的散热板9，将散热板9和采用复合材料的屏蔽筒6焊接到一起。

散热片通过加工环样，再在周向方向铣出均匀分布的若干个槽来将散热片分段。外侧两层轴向的散热片长度相同，在高速永磁电机运行时，这种结构对空气摩擦损耗影响很小，避免了摩擦损耗增大。最内侧散热片长于外层散热片。靠近散热板内径处的散热片通过螺栓固定在转轴4上，散热板9通过胶粘在转子侧面用以进一步固定。

永磁体3采用瓦片形，通过胶粘的方法固定在转轴4上，屏蔽筒6位于护套1和永磁体3之间，同时将转子内部的热量通过散热板9传导出去。将护套1加热使其膨胀，从不带有散热板9的一侧套在屏蔽筒6的外侧保证转子的机械性能。

实施例1

本发明屏蔽筒、现有屏蔽筒和未设置屏蔽筒的转子涡流损耗的对比。

以一台15kW，20000rpm的表贴式永磁同步电机为例，该电机的屏蔽筒6厚度为0.3mm，计算了护套为1.5mm厚度的碳纤维护套，转子结构变化对转子涡流损耗的影响。结果如图8所示，从图中可以看出，本发明屏蔽层转子涡流损耗明显减小，与传统屏蔽层相比涡流损耗减少8.7％，与不带屏蔽层的相比涡流损耗减少16.51％。证明屏蔽筒使转子上产生的总的涡流损耗降低，有效减小传统屏蔽层上产生的多余的涡流损耗。

如图9所示，本发明带有屏蔽层的高速永磁电机转子与现有的带有铜制屏蔽筒和不带有屏蔽筒的转子相比，永磁体的温度与无屏蔽层的对比降低18.9％，与传统屏蔽层的降低13.15％；证明本发明屏蔽层有效的将转子内部的热量传导出来，降低转子永磁体的温升，保证电机运行的稳定性。

实施例2

针对中空长方形结构的外侧圆角半径大小对涡流损耗的研究。

本发明在涡流大小不变的情况下，得到了屏蔽筒6的中空长方形结构的外圆角半径占永磁体3的瓦片周向弧长的比例不同时的涡流损耗变化。

从图10可以看出，中空长方形结构的外圆角半径对于涡流损耗具有明显影响，在外侧圆角半径大小为永磁体3的瓦片周向弧长的1/10到3/20之间时，电阻最小，尤其是外圆角半径R与瓦片周向弧长比为1/8为涡流损耗最小，说明采用内外圆角的结构有效的减小屏蔽筒的电阻，涡流损耗小。

实施例3

针对中空结构的长方形的外侧边距离内侧边的距离标注a对涡流损耗的研究。

如图11所示，当中空结构的长方形的外侧边距离内侧边的距离标注a为0.5时，表示中空部分完全由高电导率材料覆盖，中间并不存在低电导率部分。

根据图11可知，中空长方形结构的中空部分在填入低电导率材料时，转子涡流损耗更低，当a为永磁体周向弧长的八分之一时，屏蔽效果较差，相比中空部分全部高电导率材料覆盖时上升了1.17％。a为永磁体瓦片周向弧长的1/4时相比相比中空部分全部高电导率材料覆盖时下降了5.9％，由此可知，本发明将中空长方形结构的外侧边距离内侧边的距离为永磁体3的瓦片周向弧长的1/4到1/5的范围最优，转子涡流损耗明显减少。

结论：本发明的带有屏蔽层的高速永磁电机转子。在现有的电机转子上增设屏蔽筒和散热片。屏蔽筒有效的屏蔽各高次谐波，减小了高次谐波在永磁体上产生的涡流损耗，同时屏蔽筒采用内外圆角的结构能减小屏蔽筒的电阻，进一步减小转子的涡流损耗。而且屏蔽筒的一侧焊接有散热板，有效的增大转子的散热面积，同时转子上未设置散热板的一侧可以方便转子护套的安装。散热板有效的将转子内部的热量传导出来，降低转子永磁体的温升，保证电机运行的稳定性。

Claims (7)

1.带有屏蔽层的高速永磁电机转子，该转子包括护套(1)、永磁体(3)、转轴(4)，永磁体(3)设置在转轴(4)上，转子护套(1)套在永磁体(3)的外侧；其特征在于：在永磁体(3)的外侧套有屏蔽层(2)，永磁体(3)与转轴(4)之间通过胶层(5)连接，屏蔽层(2)一侧设有散热板(9)，散热板(9)与屏蔽层(2)另一端的屏蔽筒(6)连接；屏蔽筒(6)的高电导率部分(7)是由多个带有倒角的中空长方形结构环绕组成的筒状，中空长方形结构中空部分和中空长方形结构的倒角之间为低电导率部分(8)；屏蔽筒(6)的高电导率部分(7)是由四个带有倒角的中空长方形结构组成，屏蔽筒(6)套在永磁体(3)上，屏蔽筒(6)的轴向长度与永磁体(3)的轴向长度相等，屏蔽筒(6)的内侧径向半径与永磁体(3)外侧径向半径相等；低电导率部分(8)填充在中空长方形结构的中空部分和中空长方形结构外侧的倒角之间，屏蔽筒(6)通过高电导率部分(7)和低电导率部分(8)构成筒状；屏蔽筒(6)中的高电导率部分(7)的材料电导率大于30000000S/m，低电导率部分(8)的材料电导率小于50000S/m；

高电导率部分(7)的中空长方形结构内侧和外侧的倒角均为圆角，外侧圆角半径大小为永磁体(3)的瓦片周向弧长的1/10到3/20，内侧圆角半径大小为永磁体(3)瓦片周向弧长的1/5到1/6；中空长方形结构的外侧边距离内侧边的距离为永磁体(3)的瓦片周向弧长的1/4到1/5；低电导率部分(8)包括四个位于中空长方形结构中间的带有圆角的长方体和中空长方形结构外侧的倒角之间的部分；带有圆角的长方体的周向长度为永磁体(3)瓦片周向弧长的1/2到3/5；带有圆角的长方体的轴向长度为永磁体(3)轴向长度减去永磁体(3)瓦片周向弧长1/2到2/5；中空长方形结构外侧的倒角之间的部分的圆角半径大小为永磁体(3)的瓦片周向弧长的1/10到3/20。

2.根据权利要求1所述的带有屏蔽层的高速永磁电机转子，其特征在于：转子结构从内至外分别是转轴(4)、胶层(5)、永磁体(3)、屏蔽层(2)、护套(1)，护套(1)套在屏蔽层(2)的屏蔽筒(6)上，屏蔽筒(6)一侧的散热板(9)与转轴(4)通过螺栓固定，同时胶层(5)与屏蔽层(2)一侧的散热板(9)黏结。

3.根据权利要求1所述的带有屏蔽层的高速永磁电机转子，其特征在于：屏蔽层(2)包括散热板(9)和屏蔽筒(6)，散热板(9)和屏蔽筒(6)通过焊接固定；屏蔽筒(6)由高电导率部分(7)和低电导率部分(8)构成；永磁体(3)为四块均匀的弧状瓦片组成，瓦片通过胶粘的方法固定在转轴(4)上。

4.根据权利要求1或3所述的带有屏蔽层的高速永磁电机转子，其特征在于：散热板(9)采用导热性良好的金属材料。

5.根据权利要求1或2所述的带有屏蔽层的高速永磁电机转子，其特征在于：散热板(9)为多层环状结构，每层环状结构由若干方形齿结构环绕形成；整体呈多层环状的散热板(9)设有三层多齿结构的环状结构的散热片，散热片上的齿之间设有缝隙。

6.根据权利要求1所述的带有屏蔽层的高速永磁电机转子，其特征在于：散热板(9)的三层散热片中内侧环状结构轴向长度长于外侧两层的轴向长度，最内侧环状结构的散热片设有螺栓孔，散热板(9)通过螺栓与转轴(4)连接；最外侧两层环状结构的散热片轴向长度相等，散热片上的多齿结构均匀分布。

7.根据权利要求1所述的带有屏蔽层的高速永磁电机转子，其特征在于：屏蔽筒(6)径向厚度取(0.012～0.016)/f^1/2mm，f表示电机频率；电机的频率大于600Hz。

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