CN111654130A - 一种储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，主要包括转子轴、永磁体、扇形极间填充物、高温合金紧固套、环形硅钢片铁心屏蔽套和碳纤维紧固套；实心的合金材料的转子轴外侧粘贴永磁体和扇形极间填充物后形成表贴式两极永磁磁极主体部分，其外部的圆柱回转面上由里至外依次过盈配合的套装有高温合金紧固套、环形硅钢片铁心屏蔽套和碳纤维紧固套，且对外呈现为一对永磁磁极。依靠高温合金紧固套将永磁体和扇形极间填充物紧固住，碳纤维紧固套将环形硅钢片铁心屏蔽套紧固住，气隙中各种交变磁场在硅钢片铁心屏蔽套产生的涡流磁滞损耗降低，其它部件上的损耗少，解决了储能飞轮高速永磁同步电机永磁转子发热和真空环境散热难的难题。

Description

一种储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构

技术领域

本发明属于电气工程领域，涉及一种储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构。

背景技术

飞轮储能作为一种环境友好、性能优良的物理储能技术，具有功率大、效率高、响应速度快、结构简单、循环寿命长等特点，已经在各种能量储存领域得到广泛应用。储能飞轮高速永磁同步电机永磁转子多为表贴结构，转速偏低时极对数多为二对极或一对极，转速较高时多为一对极。

在储能飞轮高速永磁同步电机中，通常转子运行转速很高，转子整体结构直径较大。储能飞轮高速永磁同步电机永磁转子通常采用高性能稀土烧结永磁材料，烧结而成的永磁材料不能承受高速旋转产生的拉应力，必须对永磁体采取保护措施。目前多采用三种措施保护永磁体，一是采用不导磁的高强度金属护套，二是采用碳纤维绑扎永磁体，三是在永磁体外先加不导磁而导电性好的薄金属护套，再在薄金属护套外绑扎碳纤维。

当高速永磁同步电机运行时，气隙中存在许许多多各种谐波磁场，如定子铁心开槽引起的永磁齿谐波磁场，定子三相基波电流产生的空间谐波磁场，定子三相谐波电流产生的时间谐波磁场。除部分时间谐波磁场以同步转速旋转而与永磁转子保持相对静止外，其它绝大部分谐波磁场都与永磁转子间存在相对运动。当永磁转子上既导磁又导电的永磁体、不导磁却导电的金属护套内有谐波磁场穿过且交变时，在它们内部就会感应出涡流，并产生涡流损耗，导致永磁转子发热，严重时还会造成永磁体退磁，影响储能飞轮工作的稳定性。

当高速永磁同步电机永磁转子采用不导磁的高强度金属护套时，谐波磁场会在金属护套内感应出涡流而产生一定的涡流损耗，同时也有一定的磁滞损耗，造成永磁转子温度升高。当仅采用碳纤维绑扎永磁体时，谐波磁场会在永磁体内感应出涡流，从而产生以涡流损耗为主的损耗，同样会造成永磁转子温度升高。若在永磁体外先加不导磁而导电性好的薄金属护套，再在薄金属护套外绑扎碳纤维方式，虽然对永磁体能起一定的屏蔽作用，并减小转子上总的涡流损耗，但这些损耗也会造成永磁转子温度有一定的升高。

储能飞轮高速永磁同步电机永磁转子采用磁悬浮技术支撑，为了减小风摩损，电机内腔还要达到真空状态，永磁转子散热非常困难。因此，必须采取技术措施在保障储能飞轮高速永磁转子整体结构安全、稳定运行的前提下，尽量降低转子上由谐波磁场造成的涡流和磁滞损耗，保证转子整体结构高速运行的可靠性。

发明内容

在保证储能飞轮高速永磁转子整体结构安全、稳定运行的情况下，为有效降低储能飞轮高速永磁转子上谐波磁场造成的各种涡流和磁滞损耗，本发明提供一种储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，使得储能飞轮高速永磁同步电机总体性能得以提升。

本发明一种储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，包括转子轴、永磁体、扇形极间填充物、高温合金紧固套、环形硅钢片铁心屏蔽套、碳纤维紧固套、内压板和外压板；所述转子轴采用实心的合金材料制成，所述转子轴外侧粘贴所述永磁体和所述扇形极间填充物后形成表贴式两极永磁磁极主体部分；表贴式两极永磁磁极主体部分的外部呈现为圆柱体，该圆柱体的外回转面上由里至外依次过盈配合的套装有所述高温合金紧固套、环形硅钢片铁心屏蔽套和碳纤维紧固套，至此构成了储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，该储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构对外呈现为一对永磁磁极。

进一步讲，本发明中，依靠高温合金紧固套将永磁体和扇形极间填充物紧固住，所述碳纤维紧固套将所述环形硅钢片铁心屏蔽套紧固住，储能飞轮高速永磁同步电机的气隙中各种交变磁场在所述硅钢片铁心屏蔽套产生的涡流损耗和磁滞损耗降低，进入转子轴、永磁体、扇形极间填充物和高温合金紧固套内各种交变磁场减弱而使得它们内部的损耗减少，降低储能飞轮高速永磁同步电机永磁转子的发热。

与现有技术相比，本发明依靠高温合金紧固套将永磁体和扇形极间填充物紧固住，碳纤维紧固套将环形硅钢片铁心屏蔽套紧固住，使得气隙中的各种谐波磁场进入导磁率很高的环形硅钢片铁心屏蔽套后，再进入导电高温合金紧固套和内部的永磁体时已经趋于平稳，仅有微弱变化。气隙中各种交变磁场在硅钢片铁心屏蔽套产生的涡流磁滞损耗降低，其它材料上的损耗少，以解决储能飞轮高速永磁同步电机永磁转子发热和散热困难的难题。

附图说明

图1是储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构电磁有效部分横截面示意图；

图2是储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构电磁有效部分侧视示意图。

图中，1—转子轴，2—永磁体，2-1—面包形永磁体，2-2—扇形永磁体，3—扇形极间填充物，4—高温合金紧固套，5—环形硅钢片铁心屏蔽套，6—碳纤维紧固套，7—内压板，8—外压板。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明提出的储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构的实施给予说明。

本发明一种储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，包括转子轴1、永磁体2、扇形极间填充物3、高温合金紧固套4、环形硅钢片铁心屏蔽套5、碳纤维紧固套6、内压板7和外压板8。

如图1和图2所示，在保证储能飞轮高速永磁转子整体结构安全运行的情况下，为有效降低储能飞轮高速永磁转子上谐波磁场造成的各种涡流损耗，本发明的复合转子结构，即在实心的合金材料的转子轴1的回转面上粘贴永磁体2和扇形极间填充物3，从而形成表贴式两极永磁磁极主体部分，表贴式两极永磁磁极主体部分外部呈现为一个圆柱回转面，然后采用高温合金紧固套4过盈配合的套装在表贴式两极永磁磁极主体部分的外圆柱面上，再在高温合金紧固套4外圆柱回转面上过盈配合的套装环形硅钢片屏蔽套5，然后在环形硅钢片屏蔽套5外圆柱回转面上过盈配合的套装碳纤维紧固套6，最后形成一个储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，该储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构对外呈现为一对永磁磁极。该复合转子结构电磁有效部分横截面径向上由里至外依次为转子轴1、由外圆直径一样的永磁体2与极间填充物3构成的一对永磁磁极、高温合金紧固套4、环形硅钢片铁心屏蔽套5、碳纤维紧固套6；同时，复合转子结构轴向由左至右依次为转子轴1的左侧轴伸、内压板7、复合转子结构电磁有效部分、外压板8、转子轴1的右侧轴伸。

本发明中，所述转子轴1由具有较好导磁能力的高强度合金钢加工而成，转子轴1先完成各种必要的机械加工，且将用于表贴永磁体2和扇形极间填充物3的区域车削成圆柱，并在表贴永磁体2的圆柱区域的转子轴1轴心线两侧对称地铣出两个平行平面，垂直于所铣出的两个平行平面且通过转子轴1轴心线的平面所处位置就是永磁转子磁极轴线所在平面。铣出的两个平行平面可对表贴永磁体2强度定位，以及防止高速运转时在电磁转矩的作用下永磁体2与转子轴1之间出现切向转动。

如图1所示，由外圆直径一样的永磁体2和不导磁极间填充物3构成的一对永磁磁极是由外圆直径一样的2块面包形永磁体2-1、16块形状一样的扇形永磁体2-2和2块形状一样的扇形极间填充物3组成，根据上述确定的永磁转子磁极轴线所在平面的位置，将2块面包形永磁体2-1、16块形状一样的扇形永磁体2-2和2块形状一样的扇形极间填充物3粘贴在转子轴1上铣出的二个平面以及圆柱回转面上，并完全占满整个圆周。

本发明中的永磁体2选用居里温度高的钐钴永磁材料；扇形极间填充物3由不导磁的材料制成，如铝合金、不锈钢表或高强度塑料等。

在复合转子结构电磁有效部分轴向长度之内，可以将面包形永磁体2-1、扇形永磁体2-2和扇形极间填充物3在轴向分成长度相同或不同的数段，数段轴向长度相同或不同的面包形永磁体2-1、扇形永磁体2-2和扇形极间填充物3各自轴向长度之和等于复合转子结构电磁有效部分轴向长度。

在复合转子结构电磁有效部分，每一块面包形永磁体2-1和扇形永磁体2-2既可以径向充磁，也可以平行充磁，平行充磁时充磁方向与每块永磁体2的径向对称中心线平行；N极下每块永磁体2的充磁方向是由底部平面或底部内圆表面指向顶部外圆表面，S极下每块永磁体2的充磁方向是由顶部外圆表面指向底部平面或底部内圆表面。

粘贴永磁体2和扇形极间填充物3前，先在转子轴1上压装上起轴向压紧作用的内压板7，然后使用工装胎具粘贴永磁体2和扇形极间填充物3。内压板7由不导磁的高强度的金属材料如不锈钢加工制成，内压板7与转子轴1之间采用过盈安装配合方式，内压板7紧靠在转子轴1预留出的轴台阶上。

粘贴扇形永磁体2-2和扇形极间填充物3前，在每一复合转子结构电磁有效部分横截面处，将每一永磁磁极下面包形永磁体2-1底部平面粘贴在转子轴1的一个铣出平面上。扇形永磁体2-2底部内圆表面粘贴在转子轴1圆柱表面上，扇形极间填充物3底部内圆表面粘贴在二个永磁磁极之间所空出的转子轴1圆柱表面上；面包形永磁体2-1与扇形永磁体2-2之间、扇形永磁体2-2与扇形永磁体2-2之间、扇形永磁体2-2与扇形极间填充物3之间的所有侧面都要紧密地用胶粘贴；在轴向上数块面包形永磁体2-1之间、相邻的数块扇形永磁体2-2之间、相邻的数块扇形极间填充物3之间也需要用胶粘贴。当在复合转子结构电磁有效部分粘贴完所有面包形永磁体2-1、扇形永磁体2-2和扇形极间填充物3后，所得到的永磁转子半成品径向上对外呈现出一对永磁磁极，外表面为圆柱面，该外表面为圆柱面的外圆还需要通过磨床精磨而达到尺寸精度要求。

所述高温合金紧固套4采用不导磁的高温合金材料，高温合金紧固套4内圆表面和外圆表面与转子轴1轴心线同心。高温合金紧固套4内圆表面与由外圆直径一样的永磁体2和扇形极间填充物3构成的一对永磁磁极的圆柱外表面之间为过盈安装配合形式。将高温合金紧固套4在烘箱中加热，使其内圆热膨胀，当温度均匀后将高温合金紧固套4热压装到经过磨床精磨的转子永磁磁极圆柱外表面上。

所述环形硅钢片铁心屏蔽套5是由低损耗、高强度的硅钢片经冲剪和叠压而成，环形硅钢片铁心屏蔽套5内圆表面和外圆表面与转子轴1轴心线同心。环形硅钢片铁心屏蔽套5内圆表面与由外圆直径一样的高温合金紧固套4外表面之间为过盈安装配合形式。具体实施时，先将环形硅钢片铁心屏蔽套5冲片冲剪出的外径较大，其外径与定子冲片内径一样；通过工装胎具将环形硅钢片铁心屏蔽套5冲片叠压在一起，再在环形硅钢片铁心屏蔽套5叠压后的铁心外表面由氩弧焊焊接处出一个完整的整体，若环形硅钢片铁心屏蔽套5叠压铁心内圆表面达不到与由外圆表面直径一样的高温合金紧固套4外表面之间的过盈安装配合精度要求，可以对环形硅钢片铁心屏蔽套5叠压铁心内圆表面进行精磨加工。将环形硅钢片铁心屏蔽套5叠压铁心在烘箱中加热到180℃，使其内圆热膨胀，当温度均匀后将环形硅钢片铁心屏蔽套5叠压铁心热压装到高温合金紧固套4的外圆表面。

所述碳纤维紧固套6内圆表面与环形硅钢片铁心屏蔽套5外圆表面为过盈安装配合形式，碳纤维紧固套6的内圆表面和外圆表面轴心线与转子轴1轴心线同心，碳纤维紧固套6可以采用直接在环形硅钢片铁心屏蔽套5的外圆表面上以一定的预拉力绑扎涂胶的碳纤维带多层后、再烘干固化的方式来获得，也可以将已经固化成型的碳纤维管直接用作碳纤维紧固套6。

当采用直接在环形硅钢片铁心屏蔽套5的外圆表面上以一定的预拉力绑扎涂胶的碳纤维带多层后、再烘干固化的方式而获得碳纤维紧固套6时，先安装对永磁转子电磁有效部分起轴向压固作用的外压板8，外压板8也由不导磁的高强度的金属材料加工制成。再直接在环形硅钢片铁心屏蔽套5的外圆表面上以一定的预拉力绑扎涂胶的碳纤维带多层形成碳纤维紧固层6，然后排除碳纤维紧固层绑扎过程中挤出的多余的胶，最后经过长时间高温下的旋转烘干，这样以一定的预拉力过盈绑扎的碳纤维紧固层固化成碳纤维紧固套6，实现了碳纤维紧固套6内圆表面与环形硅钢片铁心屏蔽套5的外圆表面之间的过盈配合，且碳纤维紧固套6的内圆表面和外圆表面轴心线与转子轴1轴心线同心，得到复合转子结构的转子。

当采用固化成型的碳纤维管直接用作碳纤维紧固套6时，先压装已固化成型的碳纤维管，再压装外压板8。于是，得到复合转子结构的转子。

储能飞轮高速永磁同步电机的气隙比较大，各种谐波磁场的磁密不是很高。只要环形硅钢片铁心屏蔽套5径向厚度设计合适，使得气隙中各种谐波磁场绝大部分只在环形硅钢片铁心屏蔽套5内和定子铁心内进出，进入高温合金紧固套4和永磁体2的谐波磁场极少，谐波磁场在环形硅钢片铁心屏蔽套5内产生的铁耗较低，高温合金紧固套4和永磁体2内的铁耗极低。对于永磁体2而言，环形硅钢片铁心屏蔽套5起到了将大部分气隙谐波磁场屏蔽在永磁体2之外的作用，既减少了转子上的损耗，又对永磁体2产生一定预压力，对永磁体2起到一定的机械紧固作用，而高温合金紧固套4对转子电磁有效部分起到整体紧固保护作用，机械拉伸强度极高的碳纤维紧固套6对机械强度较弱的环形硅钢片铁心屏蔽套5起到紧固保护作用。

虽然环形硅钢片铁心屏蔽套5对永磁磁场造成一部分漏磁，但是高速永磁同步电机的气隙永磁磁密一般都设计的偏低，以避免定子铁耗太高，因此，环形硅钢片铁心屏蔽套5引起永磁磁场的漏磁对电机性能影响不大，主要是造成永磁体2的用量略有增加，但却从源头上减少了永磁转子的损耗，解决了储能飞轮高速永磁同步电机永磁转子发热和散热困难的难题。

Claims (2)

1.一种储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，包括转子轴(1)、永磁体(2)、扇形极间填充物(3)、高温合金紧固套(4)、环形硅钢片铁心屏蔽套(5)、碳纤维紧固套(6)、内压板(7)和外压板(8)，其特征在于：

所述转子轴(1)采用实心的合金材料制成，所述转子轴(1)外侧粘贴所述永磁体(2)和所述扇形极间填充物(3)后形成表贴式两极永磁磁极主体部分；表贴式两极永磁磁极主体部分的外部呈现为一个圆柱体，该圆柱体的外回转面上由里至外依次过盈配合的套装有所述高温合金紧固套(4)、环形硅钢片铁心屏蔽套(5)和碳纤维紧固套(6)，至此构成了储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，该储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构对外呈现为一对永磁磁极。

2.根据权利要求1所述的储能飞轮高速永磁同步电机复合转子结构，其特征在于，依靠高温合金紧固套(4)将永磁体(2)和扇形极间填充物(3)紧固住，所述碳纤维紧固套(6)将所述环形硅钢片铁心屏蔽套(5)紧固住，储能飞轮高速永磁同步电机的气隙中各种交变磁场在所述硅钢片铁心屏蔽套(5)产生的涡流损耗和磁滞损耗降低，进入转子轴(1)、永磁体(2)、扇形极间填充物(3)和高温合金紧固套(4)内各种交变磁场减弱而使得它们内部的损耗减少，降低储能飞轮高速永磁同步电机永磁转子的发热。

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