CN111923395B - 高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机转子制备领域，特别涉及一种高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法，包括：制备复合磁性材料；将永磁体内表面粘连于电机转轴表面；在永磁体两端连接安装环形支撑件；在永磁体的碳纤维外表面沿圆周方向连续缠绕多层制备的复合磁性材料且缠绕过程中施加预紧力；复合磁性材料缠绕完成后，在复合磁性材料表面继续缠绕形成碳纤维保护套，之后依次进行固化、清洁、拆除环形支撑件和车削加工处理，制备获得复合转子。本发明可以解决高速永磁同步电机转子由于谐波导致的涡流损耗和高速电机转子应力集中的问题，可以使复合转子周向磁性分布均匀，同时满足高速电机最高转速的应力需求。

Description

高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法
技术领域
本发明属于电机转子制备领域，特别涉及一种高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法。
背景技术
高速永磁同步电机复合转子缠绕技术是高速永磁同步电机转子制造工艺中的一重要技术。常规的高速永磁同步电机多以烧结永磁体为磁能供给主体，通过碳纤维保护套来提供过盈量，保证当电机转子处于高转速的状态下，烧结永磁体一直处于压应力的状态。
中国申请201910974664.0提出了一种缠绕装置，尤其是纤维缠绕。此种缠绕装置可以对缠绕工艺进行准确控制，但其无法对高速电机转子进行双端固定，从而不能满足电机转子缠绕的稳定性。中国申请201920489298.5提出一种增强型HDPE-PTFE复合缠绕管，其中采取螺旋叠加缠绕方式，此种缠绕方式会导致磁性材料的不均匀，此外螺旋缠绕会导致缠绕时间过长，而且会使例如碳纤维承受的拉应力比沿周向缠绕更大。中国申请201280029583.X提出一种磁负载的复合材料转子和制备磁负载预浸渍带的方法，此方法虽然为高速电机复合转子磁粉碳纤维复合材料的研究制备提供了依据，但并未详细阐述复合转子缠绕方法。中国申请201811601733.5提出一种复合材料容器干法缠绕成形方法，此种方法采用螺旋缠绕，致密性很好，重量尺寸精度高，但此方法没涉及到脱模过程，所以无法应用于复合高速电机转子，而且此方法工艺时间过长。
发明内容
为解决高速永磁同步电机转子由于谐波导致的涡流损耗和高速电机转子应力集中的问题，本发明设计利用磁粉胶膜与碳纤维预浸料构成复合磁性材料，同时为了解决上述缠绕技术的缺陷以及考虑高速永磁同步电机所具有的特殊多层结构，本发明提出一种高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法，使复合转子周向磁性分布均匀，同时满足高速电机最高转速的应力需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法，包括如下步骤：
步骤一：制备复合磁性材料，所述复合磁性材料包括带状碳纤维预浸料和铺覆在所述碳纤维预浸料表面的磁粉胶膜；
步骤二：将圆筒状永磁体内表面粘连于电机转轴表面，并在所述圆筒状永磁体外表面缠绕一层碳纤维并施加预紧力；
步骤三：在所述圆筒状永磁体两端连接安装环形支撑件，所述环形支撑件的外径与所述圆筒状永磁体的外径相等；
步骤四：在所述圆筒状永磁体的碳纤维外表面沿圆周方向连续缠绕多层步骤一中制备的复合磁性材料且缠绕过程中施加预紧力，所述复合磁性材料的宽度大于所述圆筒状永磁体的轴向长度；
步骤五：复合磁性材料缠绕完成后，在复合磁性材料表面继续缠绕形成碳纤维保护套，之后依次进行固化、清洁、拆除环形支撑件和车削加工处理，制备获得复合转子。
优选地，步骤一中制备复合磁性材料的具体过程为：将碳纤维与环氧树脂混合，制备碳纤维预浸料；将磁粉与环氧树脂粘结剂以及其他添加剂混合，制备磁粉胶膜，之后对磁粉胶膜进行加热处理使其处于熔融状态，所述其他添加剂包括偶联剂、固化剂和增塑剂；将制备的碳纤维预浸料铺平展开形成带状碳纤维预浸料，并将处于熔融状态的磁粉胶膜均匀铺覆在带状碳纤维预浸料表面，之后进行固化处理，制备获得复合磁性材料。
优选地，所述带状碳纤维预浸料的厚度0.1~0.15mm，所述复合磁性材料的厚度0.25~0.3mm。
优选地，所述圆筒状永磁体由多个瓦型烧结永磁体形成。
优选地，步骤二中，将圆筒状永磁体内表面粘连于电机转轴表面的同时，对圆筒状永磁体施加径向压力并保压10~15min。
优选地，步骤四中，在连续缠绕复合磁性材料的过程中，利用刮板使复合磁性材料的层间致密化。
优选地，在连续缠绕复合磁性材料的过程中，所施加的预紧力随着复合磁性材料的层数的增加而降低。
优选地，步骤五中，在复合磁性材料缠绕完成后到进行固化处理之前，使电机转轴保持低速旋转的状态。
优选地，所述复合磁性材料的宽度比所述圆筒状永磁体的轴向长度长20~22mm。
本发明的有益效果：
1）在缠绕过程添加预紧力，可以将磁粉胶膜与碳纤维预浸料混合材料有效（紧密、低孔洞率）缠绕在电机转轴上，从而有效的降低高速电机转子涡流损耗和应力集中；
2）在缠绕过程中，采用缠绕应力逐层递减、刮板挤压等工艺方式，可以降低胶膜空隙率，提高磁粉胶膜的磁性能；
3）沿电机转子周向进行缠绕，提供了碳纤维的全部应力来提供对电机烧结永磁体和磁粉胶膜的压应力，保证了电机转子在高速旋转时有效地抵消因旋转产生的离心力；
4）考虑了胶膜的固化时间，可以有效地减少工艺时间，控制在胶膜的适用期内；
5）在电机转子复合磁性材料缠绕结束之后到固化处理之前，使电机转子一直保持着低速旋转的状态，可以防止静止状态由于重力原因导致磁粉胶膜分布不均。
附图说明
图1为本发明实施例的高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法流程图；
图2为本发明实施例的缠绕工艺示意图；
图3为本发明实施例的金属支撑件安装结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，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，本实施的高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法包括如下步骤：
步骤一：制备复合磁性材料；
1）将碳纤维与环氧树脂混合，制备碳纤维预浸料；
2）将磁粉与环氧树脂粘结剂、偶联剂、固化剂、增塑剂等一系列添加剂混合，制备磁粉胶膜，之后对磁粉胶膜进行80℃加热处理使其处于熔融状态；
3）在复合材料制备设备1中，如图2所示，将制备的碳纤维预浸料铺平展开形成宽度为280mm、厚度为0.1mm的带状碳纤维预浸料，并将处于熔融状态的磁粉胶膜均匀铺覆在带状碳纤维预浸料表面，之后进行室温固化处理，使磁粉胶膜处于熔融状态，制备获得带状复合磁性材料2。磁粉胶膜的铺覆厚度为0.3mm。
有利地，本实施例的碳纤维预浸料采用厚度为0.1mm碳纤维预浸料，可以保证复合磁性材料磁性能以及磁粉胶膜中磁粉填充最大化。
步骤二：在电机转轴3表面粘贴烧结永磁体；
1）清洁电机转轴3表面；
2）将由四块瓦型烧结永磁体形成的圆筒状永磁体4的内表面均匀涂满粘结剂，粘在高速电机转轴3上，并施加径向压力，保持10min；所形成的圆筒状永磁体4的轴向长度为260mm（即，电机转子的轴向长度为260mm），内半径为41mm，外半径为46mm；
3）在圆筒状永磁体4外表面上缠绕一层薄的碳纤维并预紧，不仅可以保持永磁体一直处于压应力状态，而且可以为随后的复合磁性材料的缠绕提供平整的平面。
步骤三：在圆筒状永磁体4两端分别连接安装两个环形金属支撑件5，如图3所示，金属支撑件5的外半径与圆筒状永磁体4的外半径相同，轴向长度约12mm。
步骤四：在圆筒状永磁体4上的碳纤维的外表面沿圆周方向连续缠绕多层所制备的复合磁性材料2，缠绕速度控制在0.1~1m/s，缠绕过程添加预紧力，并随着缠绕的过程，预紧力呈现下降的趋势直至复合磁性材料2缠绕结束。有利地，在缠绕过程中，利用刮板6对复合磁性材料进行挤压，保证缠绕过程中磁粉胶膜的紧密程度。
特别地，本实施例将碳纤维预浸料的宽度设置为略比电机转子的轴向长度长约20mm，是为了避免在预紧力的压力下，熔融状态的磁粉胶膜沿轴向延展，导致电机转子端面处磁粉胶膜不均匀。为后期机械加工留出20mm的裕量，可以在随后的机械加工之后，保证转子上下端面圆周处的磁粉胶膜均匀。优选地，碳纤维预浸料的宽度比电机转子双边各长约10mm。
特别地，提供保证高速电机最高转速所需过盈量的预紧力，并且使预紧力在缠绕过程中呈现逐渐减少的趋势，可以保证复合磁性材料2在缠绕过程中的紧密性和低孔洞率。
步骤五：复合磁性材料2缠绕完成后，在复合磁性材料2表面继续沿圆周方向缠绕形成碳纤维保护套，获得预制转子；之后将获得的预制转子放入固化炉中，进行旋转加热固化处理，以保证磁粉胶膜沿周向分布均匀；固化处理结束之后，清洁预制转子表面；用车刀沿金属支撑件和预制转子的交界面进行切割，将两边金属支撑件拆卸，同时将多余的磁粉胶膜与碳纤维预浸料混合材料剔除，紧接着沿转子圆周方向进行车削，车削成圆柱，最后将车削完成的转子上下表面涂一层薄抗氧化剂，烘干结束，完成高速永磁同步电机复合转子的制备。
特别地，在电机转子复合磁性材料缠绕结束之后到固化处理之前，应使电机转子一直保持着低速旋转的状态，由此可以防止在静止状态下，由于重力原因而导致磁粉胶膜分布不均。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高速永磁同步电机复合转子周向垂直缠绕制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制备复合磁性材料，所述复合磁性材料包括带状碳纤维预浸料和铺覆在所述碳纤维预浸料表面的磁粉胶膜；
步骤二：将由多个瓦型烧结永磁体形成的圆筒状永磁体内表面粘连于电机转轴表面，同时对圆筒状永磁体施加径向压力并保压10~15min，并在所述圆筒状永磁体外表面缠绕一层碳纤维并施加预紧力；
步骤三：在所述圆筒状永磁体两端连接安装环形支撑件，所述环形支撑件的外径与所述圆筒状永磁体的外径相等；
步骤四：在所述圆筒状永磁体的碳纤维外表面沿圆周方向连续缠绕多层步骤一中制备的复合磁性材料且缠绕过程中施加预紧力并且所施加的预紧力随着复合磁性材料的层数的增加而降低，所述复合磁性材料的宽度大于所述圆筒状永磁体的轴向长度；
步骤五：复合磁性材料缠绕完成后，在复合磁性材料表面继续缠绕形成碳纤维保护套，获得预制转子，之后将预制转子依次进行固化、清洁、拆除环形支撑件和车削加工处理，制备获得复合转子，所述固化是将预制转子放入固化炉中，进行旋转加热固化处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中制备复合磁性材料的具体过程为：将碳纤维与环氧树脂混合，制备碳纤维预浸料；将磁粉与环氧树脂粘结剂以及其他添加剂混合，制备磁粉胶膜，之后对磁粉胶膜进行加热处理使其处于熔融状态，所述其他添加剂包括偶联剂、固化剂和增塑剂；将制备的碳纤维预浸料铺平展开形成带状碳纤维预浸料，并将处于熔融状态的磁粉胶膜均匀铺覆在带状碳纤维预浸料表面，之后进行固化处理，制备获得复合磁性材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述带状碳纤维预浸料的厚度0.1~0.15mm，所述复合磁性材料的厚度0.25~0.3mm。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤四中，在连续缠绕复合磁性材料的过程中，利用刮板使复合磁性材料的层间致密化。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤五中，在复合磁性材料缠绕完成后到进行固化处理之前，使电机转轴保持低速旋转的状态。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述复合磁性材料的宽度比所述圆筒状永磁体的轴向长度长20~22mm。
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