CN111987829A - 一种高速永磁电机用分层式转子结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种高速永磁电机用分层式转子结构及制作方法，包括沿径向由内向外依次设置的转子铁芯、永磁体和保护套，所述转子铁芯外侧套设有永磁体，在永磁体相邻凸起的块体之间形成的间隙处设置有用于减小永磁体形变应力的块状铁氧体材料填充体；所述保护套包括沿径向由内向外依次设置的内层碳纤维层、混合层、铜屏蔽层和外层碳纤维层；所述混合层包括碳纤维预绕带，所述碳纤维预绕带由柔性磁粉胶膜平展粘接在碳纤维带的表面而成，所述柔性磁粉胶膜由粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合而成的胶膜预制料喷涂、固化后而成。有效降低转子涡流损耗和空气摩擦损耗，缓解转子内部局部应力过高导致的永磁体损坏风险，使高速永磁电机向更高转速、更大功率发展。

Description

一种高速永磁电机用分层式转子结构及制作方法

技术领域

本发明属于高速永磁电机技术领域，尤其涉及一种高速永磁电机分层表贴式转子结构及制作方法。

背景技术

高速永磁电机具有体积小、功率密度高的优点，在机床主轴电机、高速透平机械、微型燃气轮机发电设备等高转速驱动系统中应用广泛。

目前，高速永磁电机转子主要采用块状永磁体表贴外加护套结构，由于转子高速旋转时永磁体受到极大的离心拉应力，而磁性能较高的烧结永磁体抗拉强度较低，必须采用外加护套进行保护。但是永磁体护套一方面非金属护套会影响永磁体散热，另一方面金属护套的涡流损耗也会造成永磁体温升过高，此外，现有表贴式永磁体形成的气隙磁场成平顶波分布，其中含有较多的高次谐波，亦会造成电机内部涡流损耗增加；块状永磁体边沿处所受的局部应力较其他位置高，易会造成永磁体破损。

综上所述，现有表贴永磁体外加护套结构的高速永磁电机转子结构存在温升较高、损耗较大、局部应力集中、气隙磁场波形谐波含量高等问题，限制了其最大功率和最高转速的提升空间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高速永磁电机分层转子结构及制作方法，有效降低转子涡流损耗和空气摩擦损耗，缓解转子内部局部应力过高导致的永磁体损坏风险，改善了永磁体产生的气隙磁场波形，突破了高速永磁电机向更高转速、更大功率发展的技术难题，同时也有效提升了转子运行可靠性的高速永磁电机用分层式转子结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案为：

一种高速永磁电机用分层式转子结构，包括沿径向由内向外依次设置的转子铁芯、永磁体和保护套，所述转子铁芯外侧套设有永磁体，在永磁体相邻凸起的块体之间形成的间隙处设置有用于减小永磁体形变应力的块状铁氧体材料填充体，永磁体与块状铁氧体材料填充体形成圆环体；所述保护套由沿径向由内向外依次设置的内层碳纤维层、混合层、铜屏蔽层和外层碳纤维层组成，所述圆环体外侧设置有内层碳纤维层，内层碳纤维层外侧设置有混合层，混合层外侧设置有铜屏蔽层，铜屏蔽层外侧设置有外层碳纤维层；

所述混合层为多层结构，由碳纤维预绕带沿周向绕制而成的等厚度层、变厚度层或等厚度变厚度的混合结构，所述碳纤维预绕带包括碳纤维带，所述碳纤维带上表面平展粘接有柔性磁粉胶膜形成碳纤维预绕带，所述柔性磁粉胶膜由粘接永磁体磁粉与胶质材料按着体积比4-2:1混合而成。

所述柔性磁粉胶膜单层厚度≤0.3mm。

所述碳纤维预绕带最小单层厚度≥0.3mm。

所述混合层为等厚度层、变厚度层或等厚度层和变厚度层的混合结构；所述等厚度层是由等厚度的碳纤维预绕带绕制而成，等厚度的碳纤维预绕带通过沿径向由内向外粘接的柔性磁粉胶膜而成；所述变厚度层是由逐渐变厚度的碳纤维预绕带绕制而成，变厚度的碳纤维预绕带通过沿径向由内向外粘接的柔性磁粉胶膜逐渐变薄而成；所述等厚度与变厚度的混合结构是由变厚度的碳纤维预绕层绕制成变厚度层，由等厚度的碳纤维预绕带绕制在变厚度层外侧而成。

所述永磁体包括圆环基体，圆环基体外圆面沿周向一体成型有向外突出的块体，且块体与块状铁氧体材料填充体接触面沿径向加工多个截面为三角形、半圆形、梯形或矩形凹槽，使块状铁氧体材料填充体与永磁体紧密连接，提高连接处的连接强度。

所述内层碳纤维层对永磁体和块状铁氧体材料填充体的外表面沿径向向内施加≥200Mpa的压应力。

所述块状铁氧体材料填充体的体积密度沿圆周方向呈余弦分布。

所述内层碳纤维层为多层结构，层数≤4层，单层厚度≤0.15mm。

所述外层碳纤维层单层厚度≤2mm，表面粗糙度≤0.1mm。

一种高速永磁电机用分层式转子结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，将由粘接永磁体磁粉与胶质材料按照体积比≥4-2:1均匀混合而成的胶膜预制料通过喷头喷涂、固化后制成厚度≤0.3mm柔性磁粉胶膜，再将柔性磁粉胶膜平展粘接在碳纤维带的表面形成碳纤维预绕带；

步骤2，将永磁体套装在转子铁心的外圆面上，在永磁体的凸起的块体之间形成的间隙处填充块状铁氧体材料填充体；将内层碳纤维层通过施加拉应力的方式绕制在永磁体和块状铁氧体材料填充体共同形成的环状体的外侧；将步骤1制作好的碳纤维预绕带通过施加拉应力的方式绕制在内层碳纤维层外侧，形成混合层；将铜屏蔽层套设在混合层的外侧；将外层碳纤维层通过施拉应力的方式绕制在铜屏蔽层的外侧，高速永磁电机用分层式转子结构安装完成。

本发明的有益效果为：

1、将由粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合而成的胶膜预制料喷涂、固化后制成柔性磁粉胶膜，再将柔性磁粉胶膜平展粘接在碳纤维带的表面形成碳纤维预绕带，将碳纤维预绕带绕制在内层碳纤维层外侧，形成混合层。按照上述方法制作混合层，不仅操作简单，而且可靠性高，结构稳定，适用性广，同时通过制作不同结构的柔性磁粉胶膜，易于调整碳纤维预绕带和混合层的结构。

2、通过在碳纤维层间添加永磁体粉末的方式实现了一种永磁体的周向均质分布形态，使其在绕制碳纤维层保护内部块状永磁体的同时增强气隙磁场，通过调整永磁体含量密度周向正弦分布实现气隙磁场的正弦分布，外层的铜屏蔽层进一步降低的高频磁场的透入深度，从而有效降低高频磁场产生的涡流损耗；碳纤维层间添加永磁体粉末的方式避免了块状永磁体局部应力过高，在产生磁场的同时有效降低了永磁体破损的风险；转子外层的碳纤维层进行表面加工后可有效降低空气摩擦损耗。因此，本发明提出的这种分层式转子结构突破了高速永磁电机向更高转速、更大功率发展的技术难题，从而有效提升了高速转子运行的可靠性。

3、在转子高速旋转时，在极大的离心拉应力作用下，整体式永磁体具有抗拉强度高，周向接触应力均匀的作用。并且永磁体与块状铁氧体材料填充体接触面沿径向加工多个截面为三角形、半圆形、梯形或矩形凹槽，使块状铁氧体材料填充体与永磁体连接更紧密，提高连接处的连接强度。

4、等厚度层磁粉胶膜内磁粉分布均匀，充磁后形成的磁场分布亦均匀，适合于方波磁场的高速永磁电机；等厚度层由预浸带绕制形成，在绕制时可以施加较大的预拉力使得磁粉胶膜层预压力更大、紧固性更强，适用于超高转速永磁电机。变厚度层内侧磁粉由于所处圆周半径小，因此受到的离心拉应力较小，单层碳纤维可承载的磁粉厚度更大，变厚度层采用内层磁粉厚度大外层磁粉厚度小的规律绕制可实现单位体积内磁粉密度更高的效果，有效利用磁粉材料，提高电机气隙磁场以及提升电机性能。

附图说明

图1是一种高速永磁电机用分层式转子结构的轴向结构示意图；

图2是喷涂柔性磁粉胶膜的示意图；

图3是碳纤维预绕带的剖视图；

图4是等厚度层的结构示意图；

图5是变厚度层结构示意图；

图6是等厚度层与变厚度层混合结构示意图；

1、转子铁心，2、永磁体，3、块状铁氧体材料填充体，4、内层碳纤维层，5、混合层，6、铜屏蔽层，7、外层碳纤维层，51、胶膜预制料，52、碳纤维带，53、喷头，54、柔性磁粉胶膜，55、等厚度层，56、变厚度层。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

实施例1

如图1至图4所示，一种高速永磁电机用分层式转子结构，包括沿径向由内向外依次设置的转子铁芯1、永磁体2和保护套，所述永磁体2为稀土永磁体，永磁体2包括圆环基体，圆环基体外圆面沿周向一体成型有向外突出的块体，且块体与块状铁氧体材料填充体3接触面沿径向加工多个截面为三角形的凹槽，将永磁体2套装在转子铁心1外表面上，并通过粘接的方式固定永磁体2，永磁体2一般剩磁较大，产生较大的气隙磁密，由于其所在位置平均半径小，所以受到离心力作用的应力非常小，可有效降低永磁体2受力破损的风险，在相邻永磁体2之间形成的间隙处设置块状铁氧体材料填充体3，块状铁氧体材料填充体3的体积密度沿圆周方向呈余弦分布；永磁体2在受到温度影响后易发生形变，由于块状铁氧体材料填充体3力学性能与永磁体2力学性能一致，与永磁体2一起形成力学性能一致的圆环体，形变应力与机械应力均匀，避免转子高速旋转时永磁体2局部应力过高的风险；同时，块状铁氧体材料填充体3的剩磁强度低于永磁体2，与永磁体2组合在圆周方向形成变磁密磁场，其变磁密磁场的波形比单独使用永磁体2产生磁场的波形的正弦度更高；对具有该种结构的高速表贴式永磁电机进行整体充磁，其外面将形成沿周向近乎正弦规律分布的磁场；保护套包括沿径向由内向外依次设置的内层碳纤维层4、混合层5、铜屏蔽层6和外层碳纤维层7；内层碳纤维层4为多层结构，层数为4层，单层厚度为0.15mm，内层碳纤维层4通过施加拉应力的方式绕制在永磁体2外侧，绕制过程中施加较大的预压力，保证在绕制完成后，对永磁体2和块状铁氧体材料填充体3的外表面沿径向向内施加350MPa的压应力，这样不仅可以使包裹其中的永磁体2和填充体3成为一体，而且可以保证转子在高速旋转时，块状铁氧体材料填充体3和磁体块2均不承受拉应力，避免因拉应力过大而造成永磁体2破损；混合层5通过施加拉应力的方式绕制在所述内层碳纤维层4外侧，铜屏蔽层6通过过盈配合的方式套设在混合层5外侧，铜屏蔽层6可有效屏蔽定子绕组采用变频器供电时引入的高频时变磁场谐波和电机结构引起的高频空间磁场谐波，因此可有效降低转子内部高频磁场引起的涡流损耗，亦可降低转子温升，从而可进一步提升电机最大功率，在铜屏蔽层6的外侧通过施加拉应力的方式绕制外层碳纤维层7，外层碳纤维层7单层厚度为2mm，表面粗糙度为0.1mm，转子外表面粗糙度低于0.1mm，有效降低高速旋转时所产生的空气摩擦损耗，从而有效减小转子上的损耗和温升，进而提高了电机的效率。

混合层5为多层结构，由碳纤维预绕带沿周向循环绕制而成；所述碳纤维预绕带包括碳纤维带52，将由粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合而成的胶膜预制料51通过喷头53喷涂、固化后制成厚度为0.3mm柔性磁粉胶膜54，再将柔性磁粉胶膜54平展粘接在碳纤维带52的表面形成碳纤维预绕带，所述碳纤维预绕带最小单层厚度0.3mm，将碳纤维预绕带绕制在内层碳纤维层4外侧，形成混合层5，通过调整胶膜预制料51的喷涂量进而调整柔性磁粉胶膜54的厚度，进而调整碳纤维预绕带的厚度。

由于粘接永磁体磁粉与胶质材料进行混合，在磁粉颗粒间形成了绝缘层，可增加磁粉颗粒间的电导率，从而可以起到减小磁粉产生的涡流损耗，降低转子总损耗和温升的作用。此外每层柔性磁粉胶膜54外面都有一层碳纤维带52进行紧固，可增强绕制后转子的强度，有助于提高电机的最高转速上限。

混合层5为等厚度层55，即混合层5多层等厚度结构，将胶膜预制料51喷涂固化后形成均匀、等厚度的柔性磁粉胶膜54，即柔性磁粉胶膜54沿周向均匀分布，将柔性磁粉胶膜54粘接在碳纤维带52的表面形成等厚度的碳纤维预绕带；转子高速旋转时，该种结构的混合层5内部所受应力均匀分布，从而避免局部应力过大的问题。

一种高速永磁电机用分层式转子结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，将由粘接永磁体磁粉与胶质材料按照体积比2:1均匀混合而成的胶膜预制料51通过喷头53喷涂、固化后制成厚度为0.3mm柔性磁粉胶膜54，再将柔性磁粉胶膜54平展粘接在碳纤维带52的表面形成碳纤维预绕带；

步骤2，将永磁体2套装在转子铁心1的外圆面上，在永磁体2的凸起的块体之间形成的间隙处填充块状铁氧体材料填充体3；将内层碳纤维层4通过施加拉应力的方式绕制在永磁体2和状铁氧体材料填充体3共同形成的环状体的外侧；将步骤1制作好的碳纤维预绕带通过施加拉应力的方式绕制在内层碳纤维层4外侧，形成混合层5；将铜屏蔽层6套设在混合层5的外侧；将外层碳纤维层7通过施拉应力的方式绕制在铜屏蔽层6的外侧，高速永磁电机用分层式转子结构安装完成。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，如图5所示，混合层5为变厚度层56，即混合层5为多层变厚度结构，即采用内层厚外层薄的结构。通过调整胶膜预制料51的喷涂量，进而调整柔性磁粉胶膜54的厚度，从而使碳纤维预绕带形成变厚度结构。

由于内层半径小，同体积碳纤维预绕带所受离心力产生的局部应力小，因此在制作粘接在内层的碳纤维预绕带时，通过减少胶膜预制料51的喷涂量进而减少柔性磁粉胶膜54的厚度，使靠近气隙的磁粉体积量更多，进而可以使充磁后产生的气隙磁密更大，有效的利用了磁性材料。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，如图6所示，所述混合层5为等厚度层55和变厚度层56的混合结构，包括沿向分布的内层和外层，即混合层5的内层为变厚度层56，混合层5的外层为等厚度层55。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于，包括沿径向由内向外依次设置的转子铁芯、永磁体和保护套，所述转子铁芯外侧套设有永磁体，在永磁体相邻凸起的块体之间形成的间隙处设置有用于减小永磁体形变应力的块状铁氧体材料填充体，永磁体与块状铁氧体材料填充体形成圆环体；所述保护套由沿径向由内向外依次设置的内层碳纤维层、混合层、铜屏蔽层和外层碳纤维层组成，所述圆环体外侧设置有内层碳纤维层，内层碳纤维层外侧设置有混合层，混合层外侧设置有铜屏蔽层，铜屏蔽层外侧设置有外层碳纤维层；

所述混合层为多层结构，由碳纤维预绕带沿周向绕制而成的等厚度层、变厚度层或等厚度变厚度的混合结构，所述碳纤维预绕带包括碳纤维带，所述碳纤维带上表面平展粘接有柔性磁粉胶膜形成碳纤维预绕带，所述柔性磁粉胶膜由粘接永磁体磁粉与胶质材料按着体积比4-2:1混合而成。

2.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于：所述柔性磁粉胶膜单层厚度≤0.3mm。

3.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于：所述碳纤维预绕带最小单层厚度≥0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于：所述混合层为等厚度层、变厚度层或等厚度层和变厚度层的混合结构；所述等厚度层是由等厚度的碳纤维预绕带绕制而成，等厚度的碳纤维预绕带通过沿径向由内向外粘接的柔性磁粉胶膜而成；所述变厚度层是由逐渐变厚度的碳纤维预绕带绕制而成，变厚度的碳纤维预绕带通过沿径向由内向外粘接的柔性磁粉胶膜逐渐变薄而成；所述等厚度与变厚度的混合结构是由变厚度的碳纤维预绕层绕制成变厚度层，由等厚度的碳纤维预绕带绕制在变厚度层外侧而成。

5.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于：所述永磁体包括圆环基体，圆环基体外圆面沿周向一体成型有向外突出的块体，且块体与块状铁氧体材料填充体接触面沿径向加工多个截面为三角形、半圆形、梯形或矩形凹槽，使块状铁氧体材料填充体与永磁体紧密连接，提高连接处的连接强度。

6.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于：所述内层碳纤维层对永磁体和块状铁氧体材料填充体的外表面沿径向向内施加≥200Mpa的压应力。

7.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于：所述块状铁氧体材料填充体的体积密度沿圆周方向呈余弦分布。

8.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于：所述内层碳纤维层为多层结构，层数≤4层，单层厚度≤0.15mm。

9.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构，其特征在于：所述外层碳纤维层单层厚度≤2mm，表面粗糙度≤0.1mm。

10.根据权利要求1所述的一种高速永磁电机用分层式转子结构的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将由粘接永磁体磁粉与胶质材料按照体积比≥4-2:1均匀混合而成的胶膜预制料通过喷头喷涂、固化后制成厚度≤0.3mm柔性磁粉胶膜，再将柔性磁粉胶膜平展粘接在碳纤维带的表面形成碳纤维预绕带；

步骤2，将永磁体套装在转子铁心的外圆面上，在永磁体的凸起的块体之间形成的间隙处填充块状铁氧体材料填充体；将内层碳纤维层通过施加拉应力的方式绕制在永磁体和块状铁氧体材料填充体共同形成的环状体的外侧；将步骤1制作好的碳纤维预绕带通过施加拉应力的方式绕制在内层碳纤维层外侧，形成混合层；将铜屏蔽层套设在混合层的外侧；将外层碳纤维层通过施拉应力的方式绕制在铜屏蔽层的外侧，高速永磁电机用分层式转子结构安装完成。

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