CN112615449B - 一种多层结构混合励磁转子及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层结构混合励磁转子及其制作方法，包括沿径向由内至外依次设置的转子铁芯、沿周向均匀设置于转子铁芯外侧的多对永磁体、相邻永磁体周向间隙填充的填充体、内层碳纤维层、第一混合层、第二混合层、铜屏蔽层和外层碳纤维层，其中第一混合层由采用施加预拉力方式缠绕的多层等厚度预浸带构成，第二混合层为采用施加预拉力方式缠绕的碳纤维层以及在碳纤维层表面喷涂的用量沿径向由内至外逐渐减少的磁粉胶质混合料形成的多层变厚度混合层，该结构有效解决了现有表贴式高速电机转子高速旋转时存在离心力大使永磁体容易破坏及安装永磁体保护套造成的转子温升高和影响有效散热的技术问题，进一步提升了永磁电机的最高转速和最大功率。
Description
技术领域
本发明属于高速电机制造领域，尤其涉及一种多层结构混合励磁转子及其制作方法。
背景技术
由于高速电机具有转速高、功率密度高的特点，可有效节省电机材料，实现高速直驱负载，在高速磨床、高速离心压缩机、高速鼓风机、高速航空发电机等领域具有广泛的应用前景。
目前的高速电机多采用表贴式转子结构，由于转子高速旋转时会受到非常大的离心力（拉应力），而永磁体在施加拉应力后极易破损，一般永磁体抗拉强度不超过80MPa，因此高速电机转子永磁体外侧必须安装保护套对其进行保护。目前主要存在两种保护方式，一种保护方式是在永磁体外表面采用高强度非导磁金属护套，但由于定子空间谐波和时间谐波的作用，在保护套上产生大量的涡流损耗，从而加剧转子温升，导致永磁体因局部过热而失磁或退磁。另一种保护方法是采用碳纤维绑扎带对转子永磁体进行保护，然而碳纤维是热的不良导体，不利于转子散热，也容易导致永磁体过热失磁或退磁。
综上，现有表贴式高速电机转子高速旋转时存在非常大的离心力，容易造成永磁体损坏，而为了防止永磁体的损坏，需要在永磁体的外表面安装保护套对其进行保护，保护套的存在会造成转子温升及影响有效散热，使得永磁体由于过热产生失磁或退磁现象。
发明内容
为了解决传统表贴式高速电机转子高速旋转时存在离心力大使永磁体容易破坏及安装永磁体保护套造成的转子温升高和影响有效散热，本发明提出了一种多层结构混合励磁转子。
本发明的技术方案如下：
一种多层结构混合励磁转子，包括沿径向由内至外依次设置的转子铁芯、沿周向均匀设置于转子铁芯外侧的多对永磁体、由多层碳纤维缠绕而成的内层碳纤维层、第一混合层、第二混合层、铜屏蔽层和由多层碳纤维缠绕而成的外层碳纤维层。相邻永磁体周向间隙填充由粘接永磁体粉末与胶质材料混合制成的填充体；第一混合层由采用施加预拉力方式缠绕的多层等厚度预浸带构成，预浸带由碳纤维层与磁粉胶膜粘接形成；第二混合层为采用施加预拉力方式缠绕的碳纤维层以及在碳纤维层表面喷涂磁粉胶质混合料形成的多层变厚度结构，磁粉胶质混合料的用量沿径向由内至外逐渐减少；磁粉胶质混合料由粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合制成，磁粉胶膜由粘接永磁体磁粉与胶质材料按照体积比不低于2：1的比例混合制成，外层碳纤维层采用施加预拉力的方式缠绕在铜屏蔽层的外侧。
进一步地，内层碳纤维层以施加预拉力的方式缠绕于永磁体和填充体的外部。
进一步地，内层碳纤维层由不超过4层碳纤维缠绕而成，且每层碳纤维的厚度不超过0.1mm。
进一步地，填充体中粘接永磁体粉末的体积密度沿圆周方向呈余弦规律变化，靠近永磁体部分的粘接永磁体磁粉体积密度最高。
进一步地，磁粉胶膜的厚度不超过0.3mm。
进一步地，外层碳纤维层的厚度不超过2mm，表面粗糙度低于0.1mm。
进一步地，胶质材料为胶状树脂。
另外，本发明还提供了一种多层结构混合励磁转子制作方法，具体制作步骤入下：
第一步，在转子铁芯外表面粘接周向均匀分布的多对永磁体，将粘接永磁体磁粉与胶质材料充分均匀混合后制成填充体填充在相邻永磁体周向间隙中，填充时保证粘接永磁体磁粉体积密度余弦规律变化，即体积密度沿周向按照所在位置圆周角度与极距比值的余弦值进行变密度填充，使其充磁后与块状烧结永磁体形成的磁场成余弦规律变化。
第二步，在第一步完成后所得的转子外表面缠绕不超过4层的内层碳纤维层，缠绕时在碳纤维绕制方向上施加较大的预拉力，保证绕制完成后内层碳纤维层在永磁体和填充体外表面沿径向向内施加不低于200MPa的压应力。
第三步，在第一步完成后，将粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合，然后预制成厚度不超过0.3mm的磁粉胶膜，接着将磁粉胶膜与单层碳纤维粘接后形成预浸带，最后在内层碳纤维层外侧周向绕制多层预浸带，形成多层碳纤维与磁粉胶膜结构。缠绕时在碳纤维绕制方向上施加预拉力，使转子具有较强的整体强度。
第四步，在第三步完成后，将粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合成为磁粉胶质混合料，通过喷头将磁粉胶质混合料喷涂在碳纤维表面，磁粉胶质混合料喷涂量随着绕制层数增加逐渐减少，将碳纤维与磁粉胶质混合料一同绕制在转子外侧，缠绕时在碳纤维绕制方向上施加预拉力，保证转子具有较强的整体强度。
第五步，在第四步完成后，在绕制好的多层碳纤维与磁粉结构外侧通过过盈配合套装铜护套，并在铜护套外侧绕制厚度不超过2mm的外层碳纤维层，并在最后通过磨床加工转子表面粗糙度低于0.1mm。
第六步，对第五步制作完成的多层结构混合励磁转子进行整体充磁，使其外面形成沿周向近乎余弦规律分布的磁场。
本发明的有益效果是：
1. 本发明转子内层的块状永磁体由于半径最小，转子旋转时承受的离心拉应力最小，此外内层高强度碳纤维提供了不低于200MPa的预压应力，可保证其在电机运行时基本不承受拉应力，此外块状永磁体间隙的填充材料具有一定的韧性，可吸收块状永磁体受热形变挤压应力，从而改善局部应力过大的问题；
2. 内层碳纤维层外侧为多层不同材质，每层材质沿圆周方向均质分布，使得高速旋转转子的各层应力得到有效降低，从而可进一步提高电机的转速。采用内层厚外层薄的多层变厚度结构的碳纤维与磁粉胶质喷涂层，可充分利用磁粉产生较高的气隙磁密，由于内层半径小单层碳纤维承受的更多胶膜预制料所产生的应力，内层使用较多的胶膜预制料可有效提升气隙磁密；
3. 铜屏蔽层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；
4. 外表面粗糙度低于0.1mm的光滑转子表面可有效降低高速旋转所带来空气摩擦损耗，从而有效降低电机的发热与温升。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。
图1为本发明转子的径向结构示意图；
图2为本发明第一混合层结构示意图；
图3为本发明预浸带结构示意图；
图4为本发明第二混合层结构示意图；
图5为本发明第二混合层缠绕方式示意图；
图中：1、转子铁芯；2、永磁体；3、填充体；4、内层碳纤维层；5、第一混合层；501、碳纤维层；502、磁粉胶膜；6、第二混合层；601、磁粉胶质混合料；7、铜屏蔽层；8、外层碳纤维层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明加以具体描述：
如图1至图5所示。本发明电机转子沿径向呈多层分布结构，永磁体2根据电机极数可以设置为多对，且所有永磁体2均匀设置于转子铁芯1的外侧并与转子铁芯紧密连接。永磁体2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，所以由离心力所产生的应力非常小，可有效降低永磁体2受力破损的风险。
受到温度影响后永磁体2会发生形变，在永磁体2周向间隙中放置由粘接永磁体粉末与胶质材料混合制成的填充体3，由于填充体3的硬度较低、韧性较好，因此可吸收永磁体2的形变应力，从而降低永磁体2边沿局部应力过高造成永磁体损坏的风险。此外，填充体3中粘接永磁体磁粉的体积密度沿圆周方向呈余弦规律变化，靠近永磁体2的部分粘接永磁体磁粉体积密度最高，填充体3与永磁体2组合后在圆周方向形成变磁密磁场，磁密分布呈余弦规律变化。
由多层碳纤维缠绕而成的内层碳纤维层4绕制在永磁体2和填充体3的外侧，绕制时施加较大的预拉力，保证内层碳纤维层4与包绕在内部的永磁体2和填充体3成为紧密一体后，内层碳纤维层4对永磁体2可提供不低于200MPa的压应力，以保证转子高速旋转时永磁体2承受压应力，避免永磁体2因承受的拉应力过大而造成永磁体破损。
在内层碳纤维层4外侧为第一混合层5，第一混合层5采用单层碳纤维与磁粉胶膜制成的等厚度碳纤维预浸带沿着周向缠绕形成的一种多层结构。粘接永磁体磁粉与胶质材料充分均匀混合、固化后制成厚度不超过0.3mm的柔性磁粉胶膜502，然后将柔性磁粉胶膜502平展均匀粘接在单层的碳纤维501带材的表面，最后制成可缠绕在电机转子上的碳纤维预浸带。在缠绕碳纤维预浸带时须施加较大的预拉力，使其绕制后可作用于转子较大的预压力，以形成高强度转子结构，有利于提高转子的最高转速以及电机的最大功率。
制作磁粉胶膜502的磁粉为粘接永磁体磁粉，碳纤维层501与磁粉胶膜502径向均匀分层并且在周向均匀分布，这样可使得转子高速旋转时磁粉胶膜502所受应力均匀分布，从而避免出现局部应力过大的问题。此外每层磁粉胶膜外面都有一层碳纤维层501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。磁粉与胶质材料混合后，可增加磁粉颗粒间的电导率，从而减小磁粉产生的涡流损耗，降低转子的总损耗和温升。
在第一混合层5外侧为第二混合层6，第二混合层6为将磁粉胶质混合料601喷涂于碳纤维501表面并沿着周向缠绕形成的一种多层结构。磁粉胶质混合料601的喷涂量随转子绕制层数增加逐渐减少，也即是沿径向由内至外磁粉胶质混合料601喷涂量逐渐减少，形成了一种内层厚外层薄的结构，因此第二混合层6实际上是一种变厚度结构，也即是H1至H3的厚度逐渐变大，其中H3为靠近转子铁芯一侧。由于位于转子铁芯1一侧的半径小，所以此侧第二混合层中磁粉胶质混合料601受到的离心应力比较小，因此可使用较多的磁粉胶质混合料601，可提高第二混合层6的磁粉含量，充磁后可产生更大的气隙磁场。
磁粉胶质混合料601中使用的磁粉为粘接永磁体磁粉，将磁粉与胶质材料混合后形成磁粉胶质混合料601，喷涂在碳纤维501上的磁粉胶质混合料601厚度沿径向变化且在周向均匀分布，这样可使得转子高速旋转时第二混合层6内部所受应力均匀分布，从而避免局部应力过大的问题。此外，每层磁粉胶质混合料601外面都有一层碳纤维501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。
图5为制作第二混合层6的示意图。磁粉胶质混合料601通过喷头均匀喷涂在碳纤维501表面，根据缠绕的层数调整磁粉胶质混合料601的喷涂量，靠近转子内侧的碳纤维501表面喷涂的磁粉胶质混合料601用量多，随着绕制的层数增加，碳纤维501表面喷涂磁粉胶质混合料601用量逐渐减少。由于内侧转子半径较小，磁粉胶质混合料601受到离心力的影响产生的应力较小，可在碳纤维501表面使用更多的磁粉胶质混合料601，提高单位体积磁粉含量以及利用率，可产生更多的气隙磁场。
在第二混合层6外侧为铜屏蔽层7。由于高速电机定子绕组供电频率较高，且变频器中的电力电子器件开关频率也较高，这都会引入高频谐波磁场，造成转子内部永磁体产生涡流损耗并导致永磁体高温失磁故障，而采用铜屏蔽层7后，可在铜屏蔽层7内部产生涡流并起到屏蔽高频磁场的作用，可以保护铜屏蔽层7内永磁体受到高频磁场的影响。
在铜屏蔽层7外侧绕制由多层碳纤维缠绕而成的外层碳纤维8，可进一步增强转子的整体强度，使得转子转速与表贴式永磁转子结构相比较可大幅提升。此外，对外层碳纤维8表面进行加工，使其表面粗糙度低于0.1mm，可以有效降低转子高速旋转时产生的空气摩擦损耗，减小转子上的损耗和温升，提高电机效率。
在本发明的技术方案中，所提及的胶质材料为胶状树脂；所提及的缠绕内层碳纤维层所使用的碳纤维不超过4层，且每层碳纤维层的厚度不超过0.1mm；所提及的外层碳纤维层的厚度不超过2mm。
另外，本发明还提供了一种多层结构混合励磁转子制作方法，具体制作步骤入下：
第一步，在转子铁芯外表面粘接周向均匀分布的多对永磁体，将粘接永磁体磁粉与胶质材料充分均匀混合后制成填充体填充在相邻永磁体周向间隙中，填充时保证粘接永磁体磁粉体积密度余弦规律变化，即体积密度沿周向按照所在位置圆周角度与极距比值的余弦值进行变密度填充，使其充磁后与块状烧结永磁体形成的磁场成余弦规律变化。
第二步，在第一步完成后所得的转子外表面缠绕不超过4层的内层碳纤维层，缠绕时在碳纤维绕制方向上施加较大的预拉力，保证绕制完成后内层碳纤维层在永磁体和填充体外表面沿径向向内施加不低于200MPa的压应力。
第三步，在第一步完成后，将粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合，然后预制成厚度不超过0.3mm的磁粉胶膜，接着将磁粉胶膜与单层碳纤维粘接后形成预浸带，最后在内层碳纤维层外侧周向绕制多层预浸带，形成多层碳纤维与磁粉胶膜结构。缠绕时在碳纤维绕制方向上施加预拉力，使转子具有较强的整体强度。
第四步，在第三步完成后，将粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合成为磁粉胶质混合料，通过喷头将磁粉胶质混合料喷涂在碳纤维表面，磁粉胶质混合料喷涂量随着绕制层数增加逐渐减少，将碳纤维与磁粉胶质混合料一同绕制在转子外侧，缠绕时在碳纤维绕制方向上施加预拉力，保证转子具有较强的整体强度。
第五步，在第四步完成后，在绕制好的多层碳纤维与磁粉结构外侧通过过盈配合套装铜护套，并在铜护套外侧绕制厚度不超过2mm的外层碳纤维层，并在最后通过磨床加工转子表面粗糙度低于0.1mm。
第六步，对第五步制作完成的多层结构混合励磁转子进行整体充磁，使其外面形成沿周向近乎余弦规律分布的磁场。
Claims (8)
1.一种多层结构混合励磁转子，包括沿径向由内至外依次设置的转子铁芯（1）、沿周向均匀设置于转子铁芯外侧的多对永磁体（2）、由多层碳纤维缠绕而成的内层碳纤维层（4）、第一混合层（5）、第二混合层（6）、铜屏蔽层（7）和由多层碳纤维缠绕而成的外层碳纤维层（8），其特征在于：
相邻所述永磁体（2）周向间隙填充由粘接永磁体粉末与胶质材料混合制成的填充体（3）；所述第一混合层（5）由采用施加预拉力方式缠绕的多层等厚度预浸带构成，所述预浸带由碳纤维层（501）与磁粉胶膜（502）粘接形成；所述第二混合层（6）为采用施加预拉力方式缠绕的碳纤维层（501）以及在碳纤维层（501）表面喷涂磁粉胶质混合料（601）形成的多层变厚度结构，磁粉胶质混合料（601）的用量沿径向由内至外逐渐减少；所述磁粉胶质混合料（601）由粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合制成，所述磁粉胶膜（502）由粘接永磁体磁粉与胶质材料按照体积比不低于2：1的比例混合制成，所述外层碳纤维层（8）采用施加预拉力的方式缠绕在铜屏蔽层（7）的外侧。
2.如权利要求1所述的多层结构混合励磁转子，其特征在于：所述内层碳纤维层（4）以施加预拉力的方式缠绕于永磁体（2）和填充体（3）的外部。
3.如权利要求2所述的多层结构混合励磁转子，其特征在于：所述内层碳纤维层（4）由不超过4层碳纤维缠绕而成，且每层碳纤维的厚度不超过0.1mm。
4.如权利要求1所述的多层结构混合励磁转子，其特征在于：所述填充体（3）中粘接永磁体粉末的体积密度沿圆周方向呈余弦规律变化，靠近永磁体部分的粘接永磁体磁粉体积密度最高。
5.如权利要求1所述的多层结构混合励磁转子，其特征在于：所述磁粉胶膜（502）的厚度不超过0.3mm。
6.如权利要求1所述的多层结构混合励磁转子，其特征在于：所述外层碳纤维层（8）的厚度不超过2mm，表面粗糙度低于0.1mm。
7.如权利要求1至6任一权利要求所述的多层结构混合励磁转子，其特征在于：所述胶质材料为胶状树脂。
8.如权利要求1至7任一权利要求所述的多层结构混合励磁转子的制作方法，其特征在于，具体制作步骤入下：
第一步，在转子铁芯外表面粘接周向均匀分布的多对永磁体，将粘接永磁体磁粉与胶质材料充分均匀混合后制成填充体填充在相邻永磁体周向间隙中，填充时保证粘接永磁体磁粉体积密度余弦规律变化，即体积密度沿周向按照所在位置圆周角度与极距比值的余弦值进行变密度填充，使其充磁后与块状烧结永磁体形成的磁场成余弦规律变化；
第二步，在第一步完成后所得的转子外表面缠绕不超过4层的内层碳纤维层，缠绕时在碳纤维绕制方向上施加预拉力，保证绕制完成后在永磁体和填充体外表面沿径向向内施加不低于200MPa的压应力；
第三步，在第一步完成后，将粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合，然后预制成厚度不超过0.3mm的磁粉胶膜，接着将磁粉胶膜与单层碳纤维粘接后形成预浸带，最后在内层碳纤维层外侧周向绕制多层预浸带，形成多层碳纤维与磁粉胶膜结构，缠绕时在碳纤维绕制方向上施加预拉力，使转子具有较强的整体强度；
第四步，在第三步完成后，将粘接永磁体磁粉与胶质材料均匀混合成为磁粉胶质混合料，通过喷头将磁粉胶质混合料喷涂在碳纤维表面，磁粉胶质混合料喷涂量随着绕制层数增加逐渐减少，将碳纤维与磁粉胶质混合料一同绕制在转子外侧，缠绕时在碳纤维绕制方向上施加预拉力，保证转子具有较强的整体强度；
第五步，在第四步完成后，在绕制好的多层碳纤维与磁粉结构外侧通过过盈配合套装铜护套，并在铜护套外侧绕制厚度不超过2mm的外层碳纤维层，并在最后通过磨床加工转子表面粗糙度低于0.1mm；
第六步，对第五步制作完成的多层结构混合励磁转子进行整体充磁，使其外面形成沿周向近乎余弦规律分布的磁场。
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