具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子及制作方法与流程

本发明属于电机技术领域，特别涉及具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子及制作方法，该转子可应用于高速永磁电机中。

背景技术：

随着现代工业的迅速发展、航空航天技术的飞跃进步，体积小、重量轻、功率密度高的高速电动机和发电机得到了国际电工界的高度重视，并已广泛应用于许多现代化的工业应用领域，如涡轮分子泵、离心机、高速机床、压缩机、飞轮储能、航空航天等。

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，现已成为高速电机研究与应用的主流。然而，现有高速永磁电机转子永磁体涡流损耗较大且电机转子散热困难，造成电机转子的温升过高，这增加了转子永磁体在高温下发生不可逆退磁风险，进而严重危害电机安全运行。此外，高速永磁电机转子强度问题亦较为突出，因为永磁体不能承受高速旋转产生的拉应力，故必须对永磁体采取适当保护措施。

技术实现要素：

本发明提出了具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子及制作方法，其目的是在保证传统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、降低电机转子内的涡流损耗、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瓶颈技术，即功率与转速提升受限于转子温升和强度的瓶颈技术。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子，包括转轴、烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元以及转子护套；所述转轴位于高速永磁电机转子最内侧，转轴外侧同轴套装有烧结永磁体单元，烧结永磁体单元的外侧同轴套装有磁粉胶膜与碳纤维复合单元，磁粉胶膜与碳纤维复合单元外侧设置有转子护套，且转子护套位于高速永磁电机转子的最外侧，且由多层碳纤维层ⅲ组成；

所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元由若干磁粉胶膜和碳纤维复合子单元组成，且每个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元结构相同，均由磁粉胶膜层块、胶膜层块与碳纤维层ⅱ组成；所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的内层由磁粉胶膜层块和胶膜层块构成，外层由碳纤维层ⅱ构成，且外层位于内层外侧设置；所述磁粉胶膜层块由磁粉与环氧树脂按一定比例均匀混合后固化而成。

所述磁粉胶膜层块和胶膜层块的个数相同，且均与烧结永磁体块的个数相等；所述磁粉胶膜层块的极弧系数随着所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而减小，所述胶膜层块的极弧系数随着所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而增大，所述磁粉胶膜层块的极弧系数与胶膜层块的极弧系数之和始终为1；所述磁粉胶膜层块中钕铁硼磁粉含量≥60％；所述胶膜层块由环氧树脂固化而成；所述磁粉胶膜层块与胶膜层块的厚度相同，单层厚度均为0.2mm-0.25mm，所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的单层厚度≤0.4mm。

烧结永磁体单元包括烧结永磁体块、烧结永磁体块间隙和碳纤维层ⅰ组成，所述烧结永磁体块成对对称设置，所述烧结永磁体块在轴向和周向的厚度均匀，且极弧系数小于1；相邻所述烧结永磁体之间形成的间隙为烧结永磁体间隙，在所述烧结永磁体块间隙内填充铁氧体；所述烧结永磁体块和铁氧体的外侧缠绕碳纤维层ⅰ，且碳纤维层ⅰ的层数≤4层，缠绕厚度≤0.8mm。

组成所述转子护套的碳纤维层ⅲ的层数≤10层。

所述烧结永磁体块采用剩磁密度较高的钕铁硼(ndfeb)永磁体；所述碳纤维层采用抗拉性能良好的碳纤维制成；所述转轴为导磁轴，采用导磁性能良好的材料制成。

具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，将磁粉与环氧树脂按着一定比例均匀混合固化制成磁粉胶膜层块；将环氧树脂固化制成胶膜层块，将磁粉胶膜层块和胶膜层块首尾连接，并在其外侧绕制碳纤维层ⅱ制成磁粉胶膜和碳纤维复合子单元；

步骤2，将成对对称设置的烧结永磁体块粘贴于转轴的外圆面上；在相邻烧结永磁体块形成的烧结永磁块间隙内填充铁氧体，铁氧体和烧结永磁体块一起组成环状体，在环状体的外侧通过施加拉应力的方式绕制碳纤维层ⅰ；将步骤1制成的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元依次经过过盈配合缠绕在碳纤维层ⅰ的外侧，且缠绕过程中需保证所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中磁粉胶膜层块的几何中心线与烧结永磁体块的几何中心线重合，所述碳纤维层ⅲ通过施加拉应力的方式绕制在所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元的外侧，安装完成。

本发明的有益效果为：

本发明所述高速永磁电机转子包括转轴、烧结永磁体单元、磁粉胶膜与碳纤维复合单元和转子护套，其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强度，而且所产生气隙磁场的正弦度高，进而可降低电机中的高次谐波含量。此外，与传统高速永磁电机转子相比，所述高速永磁电机转子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，为高速永磁电机向更大功率和更高转速发展探索一条新路。

附图说明

图1为本发明具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子结构示意图；

图2为本发明具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子的烧结永磁体单元结构示意图；

图3为本发磁动势近正弦的明高速永磁电机转子的磁粉胶膜与碳纤维复合单元结构示意图；

图4为本发明具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元结构示意图；

图5为本发明具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子的转子护套结构示意图；

图6为本发明具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子整体装配结构示意图；

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-碳纤维层ⅰ，7b-碳纤维层ⅱ，7c-碳纤维层ⅲ，8-磁粉胶膜层块，9-胶膜层块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图5和图6所示，具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子，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以及转子护套4；所述转轴1位于高速永磁电机转子最内侧，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的外侧通过过盈配合缠绕有磁粉胶膜与碳纤维复合单元3，且缠绕过程中保证组成磁粉胶膜与碳纤维复合单元3中的所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中的磁粉胶膜层块8的几何中心线与烧结永磁体块5的几何中心线重合，磁粉胶膜与碳纤维复合单元3外侧设置有位于高速永磁电机转子最外侧的转子护套4，且转子护套4通过施加拉应力的方式绕制于磁粉胶膜与碳纤维复合单元3外侧，且转子护套4由五层碳纤维层ⅲ7c组成；

如图3和图4所示，磁粉胶膜与碳纤维复合单元3由三十三个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元组成，且每个磁粉胶膜和碳纤维复合子单元结构相同，均由磁粉胶膜层块8、胶膜层块9和碳纤维层ⅱ7b构成；由于磁粉胶膜层块8中磁粉的不连续分布、胶膜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，本发明高速永磁电机转子可有效降低转子内的涡流损耗；此外，由于磁粉胶膜与碳纤维复合单元3中包含大量碳纤维，且磁粉胶膜中的磁性材料呈磁粉状态无集中应力产生，本发明高速永磁电机转子可有效提高转子的机械强度；所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的内层由磁粉胶膜层块8和胶膜层块9构成，且相邻磁粉胶膜层块8通过胶膜层块连接，外层由碳纤维层ⅱ7b构成，磁粉胶膜层块8和胶膜层块9的个数相同，且均与烧结永磁体块5的个数相等；所述磁粉胶膜层块8的极弧系数随着所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而减小，胶膜层块9的极弧系数随着所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元半径的增大而增大，且磁粉胶膜层块8的极弧系数与胶膜层块9的极弧系数之和始终为1，该种结构设计可使本发明高速永磁电机转子的磁动势正弦度高，进而气隙磁场的正弦度高，从而降低高速永磁电机中的高次谐波含量。所述磁粉胶膜层块8由钕铁硼(ndfeb)磁粉与环氧树脂按7：3的比例均匀混合后固化而成；胶膜层块9由环氧树脂固化而成；所述磁粉胶膜层块8与胶膜层块9的厚度相同，单层厚度均为0.25mm，所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元的单层厚度为0.4mm。

如图2所示，所述烧结永磁体单元2由烧结永磁体块5、烧结永磁体块间隙6、铁氧体和碳纤维层ⅰ7a组成；成对对称设置的所述烧结永磁体块5直接粘贴在转轴1的外表面上，以最小化烧结永磁体块5的旋转半径，进而最小化其高速旋转时的离心力；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，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；不同极性的相邻烧结永磁体块5之间形成的间隙为烧结永磁体块间隙6，在烧结永磁体块间隙6内填充铁氧体；烧结永磁体块间隙6内填充铁氧体不仅可增强转子的励磁磁场，而且可吸收烧结永磁体块5的形变应力，从而降低烧结永磁体块5因温度或高转速导致其边沿局部应力过高的风险；所述碳纤维层ⅰ7a通过施加拉应力的方式绕制在烧结永磁体块5和烧结永磁体块间隙6的外侧，且碳纤维层ⅰ7a的层数3层，缠绕厚度0.45mm；碳纤维层ⅰ7a可为烧结永磁体块5提供预压应力，可以保证其在转子高速运行时基本不承受拉应力，从而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。

所述转轴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；碳纤维层采用抗拉性能良好的t700碳纤维制成。

本发明高速永磁电机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。

具有正弦磁动势分布规律的高速永磁电机转子的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，将钕铁硼(ndfeb)磁粉与环氧树脂按着7：3均匀混合固化制成磁粉胶膜层块8；将环氧树脂固化制成胶膜层块9，将磁粉胶膜层块8和胶膜层块9首尾连接，并在其外侧绕制碳纤维层ⅱ7b制成磁粉胶膜和碳纤维复合子单元；

步骤2，将成对对称设置的烧结永磁体块5粘贴于转轴1的外圆面上；在相邻烧结永磁体块5形成的烧结永磁块间隙内填充铁氧体，铁氧体和烧结永磁体块5一起组成环状体，在环状体的外侧通过施加拉应力的方式绕制碳纤维层ⅰ7a；将步骤1制成的磁粉胶膜和碳纤维复合子单元依次经过过盈配合缠绕在碳纤维层ⅰ7a的外侧，且缠绕过程中需保证所述磁粉胶膜和碳纤维复合子单元中磁粉胶膜层块8的几何中心线与烧结永磁体块5的几何中心线重合，所述碳纤维层ⅲ7c通过施加拉应力的方式绕制在所述磁粉胶膜与碳纤维复合单元3的外侧，安装完成。