CN112615450B - 一种适用于高速永磁电机的复合转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于高速永磁电机的复合转子，包括沿径向由内至外依次同轴套装的设置于转子中心位置的转轴、烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元和转子护套。烧结永磁体单元包括多对烧结永磁体块、烧结永磁体块间隙、填充体及第一碳纤维层，磁粉胶膜与碳纤维复合单元由多个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元构成，转子护套由以施加拉应力方式缠绕的多层碳纤维构成的第三碳纤维层构成。本发明的复合转子可以产生与传统高速永磁电机转子相媲美的励磁磁场，而且可提高电机转子的机械强度、降低电机转子的涡流损耗，提升电机转子的许用线速度，从而解决传统高速永磁电机转子涡流损耗大温升高，许用线速度低等问题。
Description
技术领域
本发明属于高速永磁电机制造领域，具体涉及一种适用于高速永磁电机的复合转子。
背景技术
高速电机因体积小、重量轻、功率密度高等特点成为我国高端装备发展的核心与关键，其设计水平与关乎我国节能减排、能源安全和国防军工等领域的高端装备水平密切相关，直接影响到我国高端装备的发展进程。
永磁电机因具有效率和功率因数高、转速运行范围宽等突出优点，特别适合应用于高速高性能电机系统，在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、天然气输送高速离心压缩机以及作为飞机或舰载供电设备的分布式发电系统等领域具有广阔的应用前景。
相对于外转子永磁电机，内转子永磁电机具有转子半径小和可靠性高的优点，成为高速永磁电机的首选。但现有高速永磁电机转子存在涡流损耗大、转子机械强度难以保证以及电机转子的许用线速度低的问题，这成为高速永磁电机向更大功率和更高转速发展的瓶颈。
发明内容
为了解决现有高速永磁电机转子存在的涡流损耗大、转子机械强度难以保证以及许用线速度低的技术问题，本发明提出了一种适用于高速永磁电机的复合转子，其目的是在保证高速永磁电机转子励磁磁场强度的前提下，提高电机转子的机械强度、降低电机转子的涡流损耗、提升电机转子的许用线速度，从而解决制约高速永磁电机向更大功率和更高转速发展的技术瓶颈，即功率与转速的提升受限于转子温升和强度的技术瓶颈。
本发明的技术方案如下：
一种适用于高速永磁电机的复合转子，包括沿径向由内至外依次同轴设置的置于转子中心位置的转轴、烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元和转子护套。烧结永磁体单元包括多对烧结永磁体块，烧结永磁体块沿周向均匀粘贴在转轴的外表面，沿周向相邻的烧结永磁体块之间设置有烧结永磁体块间隙，烧结永磁体块间隙内设置有由混合磁粉与环氧树脂按一定比例均匀混合而成的填充体。烧结永磁体块和烧结永磁体块间隙的外侧设置有起紧固保护作用的由施加拉应力方式缠绕的多层碳纤维所构成的第一碳纤维层。
磁粉胶膜与碳纤维复合单元由多个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元构成，磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的内层由以施加拉应力的方式缠绕的多层磁粉胶膜所形成的磁粉胶膜层构成，磁粉胶膜由混合磁粉与环氧树脂按一定比例均匀混合、固化而成，磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的外层由以施加拉应力的方式缠绕的多层碳纤维所形成的第二碳纤维层构成。转子护套由以施加拉应力方式缠绕的多层碳纤维构成。
进一步地，磁粉胶膜与碳纤维复合单元以过盈配合的方式安装在烧结永磁体单元的外侧，磁粉胶膜与碳纤维复合单元由5个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元构成。
进一步地，设置于烧结永磁体块间隙内的填充体由混合磁粉与环氧树脂按3:1的比例均匀混合而成。
进一步地，缠绕第一碳纤维层的碳纤维层数不超过4层，第一碳纤维层(7a)厚度不超过0.8mm。
进一步地，构成第二碳纤维层的碳纤维层数为2至4层。
进一步地，磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的尺寸沿径向由内向外逐渐变大，且相邻两个子单元之间以过盈配合的形式套装在一起。
进一步地，磁粉胶膜的层数为5至10层，每层磁粉胶膜的厚度为0.25mm，磁粉胶膜由混合磁粉与环氧树脂按照3：1的比例均匀混合后固化而成。
进一步地，混合磁粉由钕铁硼磁粉和钐铁氮磁粉混合而成，混合磁粉中钕铁硼磁粉的含量为80％。
进一步地，转子护套由以施加拉应力方式缠绕的碳纤维构成的第三碳纤维层形成，构成第三碳纤维层的碳纤维层数不超过10层。
进一步地，转轴由40CrNiMoA材料制成，烧结永磁体块钕铁硼永磁体制成，第一碳纤维层、第二碳纤维层、第三碳纤维层采用T700级碳纤维制成。
本发明的有益效果是：
本发明与传统高速永磁电机转子相比，复合转子不仅可以产生与传统高速永磁电机转子相媲美的励磁磁场，而且可提高电机转子的机械强度、降低电机转子的涡流损耗，提升电机转子的许用线速度，从而解决传统高速永磁电机转子涡流损耗大温升高，许用线速度低等问题。
附图说明
图1为本发明高速永磁电机复合转子的结构示意图；
图2为本发明烧结永磁体单元结构示意图；
图3为本发明磁粉胶膜与碳纤维复合单元结构示意图；
图4为本发明磁粉胶膜与碳纤维复合子单元结构示意图；
图5为本发明转子护套结构示意图；
1、转轴；2、烧结永磁体单元；3、磁粉胶膜与碳纤维复合单元；4、转子护套；5、烧结永磁体块；6、烧结永磁体块间隙；7a、第一碳纤维层；7b、第二碳纤维层；7c、第三碳纤维层；8、磁粉胶膜层。
下面结合附图对本发明加以具体描述：
如图1所示为一种适用于高速永磁电机的复合转子，该复合转子采用内转子结构。该复合转子包括转轴1、烧结永磁体单元2、磁粉胶膜与碳纤维复合单元3及转子护套4。其中，转轴1位于复合转子的中心位置，在转轴1外侧同轴套装有烧结永磁体单元2，烧结永磁体单元2外侧同轴套装有磁粉胶膜与碳纤维复合单元3，且磁粉胶膜与碳纤维复合单元3以过盈配合方式安装在烧结永磁体单元2外侧。为了达到紧固保护效果，在磁粉胶膜与碳纤维复合单元3外侧通过施加拉应力方式缠绕由5层碳纤维构成的第三碳纤维层7c所形成的转子护套4。
图2为烧结永磁体单元2的结构示意图，烧结永磁体单元2由烧结永磁体块5、烧结永磁体块间隙6和第一碳纤维层7a组成。多对烧结永磁体块5沿周向均匀粘贴在转轴1的外表面，以达到最小化烧结永磁体块5的旋转半径，实现最小化其高速旋转时的离心力的技术效果。此处的烧结永磁体块5的对数由永磁电机的极数所决定。由于烧结永磁块5的剩磁密度较大，可以为转子提供较大的励磁磁动势，进而保证电机具有较高的输出功率密度。烧结永磁体块5在轴向和周向的厚度均匀且极弧系数小于1，因此周向相邻烧结永磁体块5之间会形成烧结永磁体块间隙6，在烧结永磁体块间隙6内填充由混合磁粉与环氧树脂按3：1的比例均匀混合而成的填充体。在烧结永磁体块间隙6内加入填充体不仅可增强转子的励磁磁场，而且可吸收转子高速转动时在烧结永磁体块5上所产生的形变应力，从而降低烧结永磁体块5因高转速导致其边沿局部应力过高的风险。第一碳纤维层7a由施加拉应力方式缠绕在由烧结永磁体块5和填充体组成的环状体外侧的3层碳纤维构成，其缠绕总厚度为0.45mm。第一碳纤维层7a可为烧结永磁体块5提供足够的预压应力，以保证转子高速转动时烧结永磁体块5基本不承受拉应力，从而可避免转子高速旋转时烧结永磁体块5因拉应力过大而破损。
图3为磁粉胶膜和碳纤维复合单元3的结构示意图，该复合单元由5个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元构成，为了显示清晰，在图3中只画出了设置在最内侧和最外侧的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元。构成磁粉胶膜和碳纤维复合单元3的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元尺寸沿径向由内向外逐渐变大，且相邻两个子单元之间以过盈配合的形式套装在一起。图3中每个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元结构相同。
如图4所示，磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的内层由以施加拉应力的方式缠绕的5层磁粉胶膜所形成的磁粉胶膜层8构成，子单元的外层由以施加拉应力的方式缠绕的2层碳纤维所形成的第二碳纤维层7b构成。技术方案中所涉及的磁粉胶膜由混合磁粉与环氧树脂按3：1的比例均匀混合后固化而成，磁粉胶膜层8的每层磁粉胶膜的厚度为0.25mm。由于磁粉胶膜层8中磁粉颗粒的不连续性、环氧树脂的不导电性以及磁粉胶膜与碳纤维复合单元3对高频电磁波的屏蔽作用，相比于传统高速永磁电机转子，本发明复合转子可有效降低转子内的涡流损耗。由于磁粉胶膜与碳纤维复合单元3中包含大量碳纤维，且磁粉胶膜层8中的磁性材料呈磁粉状态无集中应力产生，因此复合转子可有效提高转子的机械强度。此外，磁粉胶膜层8与第二碳纤维层7b的组合方式可以最大化磁粉胶膜在复合转子中的含量，因此本发明复合转子在保证气隙磁场强度的前提下，可最小化烧结永磁体块5的用量，从而可进一步降低电机转子内的涡流损耗，并间接提升电机转子的临界转速。
本发明中的转轴1为导磁轴，采用导磁性能良好的40CrNiMoA材料制成，烧结永磁体块5采用剩磁密度较高的钕铁硼(NdFeB)永磁体，第一碳纤维层7a、第二碳纤维层7b、第三碳纤维层7c采用抗拉性能良好的T700级碳纤维。
本发明复合转子将采用由电容器组、可控硅以及充放电控制电路和充磁头(或充磁线圈)所组成的脉冲强磁场发生装置进行整体充磁，从而形成若干偶数极，如2极、4极、6极等。
在本发明的技术方案中，所涉及的混合磁粉由钕铁硼磁粉和钐铁氮磁粉混合而成，且混合磁粉中钕铁硼磁粉的含量为80％。
以上所述仅是本发明的一种实施方式，随着所设计的高速永磁电机转速的提升，构成磁粉胶膜层8的磁粉胶膜层数逐渐减少，而构成第一碳纤维层7a、第二碳纤维层7b和第三碳纤维层7c的碳纤维层数逐渐增多。随着所设计的高速永磁电机功率等级的提高，构成磁粉胶膜层8的磁粉胶膜层数、构成第一碳纤维层7a、第二碳纤维层7b和第三碳纤维层7c的碳纤维层数均逐渐增多。因此，本发明中所涉及的构成磁粉胶膜层8的磁粉胶膜层数、构成第一碳纤维层7a、第二碳纤维层7b和第三碳纤维层7c的碳纤维层数需本领域技术人员根据高速永磁电机的转速与功率进行综合决定。
此外，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)
1.一种适用于高速永磁电机的复合转子，包括沿径向由内至外依次同轴设置的置于转子中心位置的转轴(1)、烧结永磁体单元(2)、磁粉胶膜与碳纤维复合单元(3)和转子护套(4)，其特征在于：
所述烧结永磁体单元(2)包括多对烧结永磁体块(5)，所述烧结永磁体块(5)沿周向均匀粘贴在转轴(1)的外表面，沿周向相邻的所述烧结永磁体块(5)之间设置有烧结永磁体块间隙(6)，所述烧结永磁体块间隙(6)内设置有由混合磁粉与环氧树脂按一定比例均匀混合而成的填充体，所述烧结永磁体块(5)和烧结永磁体块间隙(6)的外侧设置有起紧固保护作用的由施加拉应力方式缠绕的多层碳纤维所构成的第一碳纤维层(7a)；
所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元(3)由多个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元构成，所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的内层由以施加拉应力的方式缠绕的多层磁粉胶膜所形成的磁粉胶膜层(8)构成，所述磁粉胶膜由混合磁粉与环氧树脂按一定比例均匀混合、固化而成，所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的外层由以施加拉应力的方式缠绕的多层碳纤维所形成的第二碳纤维层(7b)构成；
所述转子护套(4)由以施加拉应力方式缠绕的多层碳纤维构成。
2.如权利要求1所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元(3)以过盈配合的方式安装在烧结永磁体单元(2)的外侧，所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元(3)由5个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元构成。
3.如权利要求2所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：设置于所述烧结永磁体块间隙(6)内的填充体由混合磁粉与环氧树脂按3:1的比例均匀混合而成。
4.如权利要求1所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：缠绕所述第一碳纤维层(7a)的碳纤维层数不超过4层，所述第一碳纤维层(7a)厚度不超过0.8mm。
5.如权利要求1所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：构成所述第二碳纤维层(7b)的碳纤维层数为2至4层。
6.如权利要求1所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的尺寸沿径向由内向外逐渐变大，且相邻两个子单元之间以过盈配合的形式套装在一起。
7.如权利要求6所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：所述磁粉胶膜的层数为5至10层，每层磁粉胶膜的厚度为0.25mm，所述磁粉胶膜由混合磁粉与环氧树脂按照3：1的比例均匀混合后固化而成。
8.如权利要求1至7任一权利要求所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：所述混合磁粉由钕铁硼磁粉和钐铁氮磁粉混合而成，混合磁粉中钕铁硼磁粉的含量为80％。
9.如权利要求8所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：所述转子护套(4)由以施加拉应力方式缠绕的碳纤维构成的第三碳纤维层(7c)形成，构成所述第三碳纤维层(7c)的碳纤维层数不超过10层。
10.如权利要求8所述的适用于高速永磁电机的复合转子，其特征在于：所述转轴(1)由40CrNiMoA材料制成，所述烧结永磁体块(5)钕铁硼永磁体制成，所述第一碳纤维层(7a)、第二碳纤维层(7b)、第三碳纤维层(7c)采用T700级碳纤维制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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