永磁电机转子结构及其所应用的高速永磁电机的制作方法

1.本技术涉及永磁电机技术领域，特别是涉及永磁电机转子结构及其所应用的高速永磁电机。


背景技术：

2.高速永磁电机一般是指转速超过10000rpm，或者难度值(功率平方根与转速的乘积)大于1
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105且以永磁铁提供磁场的电机。与一般电机相比，高速永磁电机具有高转速、高功率密度、几何尺寸小、结构简单等优点。由于其具有多种优异性能，高速永磁电机现已经成为国际电工领域的主要研究方向之一。
3.然而高速永磁电机内部的永磁铁抗拉强度较低。电机高速旋转时，永磁铁易承受较大的离心力而发生破坏。为避免破坏发生，常常需要在永磁铁外部加上一层护套进行保护。但这种保护套的过盈量为定值，不能分别在低速和高速运转时对电机转子轴起到最佳保护作用，降低了护套的性价比。
4.高速永磁电机转子护套和永磁铁之间存在一定的过盈量，二者主要采取热装、冷装或压装的方式进行装配，装配时对形位精度要求较高、装配难度较大，稍有不慎永磁铁就会破裂、造成装配失败。
5.目前高速永磁电机护套主要由复合材料或者合金制备。当护套为复合材料时，其散热能力较差，电机转子易产生较大的温升，可能导致永磁铁退磁；当护套为合金材料时，护套较厚、质量较大、又由于合金导电性好，电机易产生较大的涡流损耗。也即，现有的永磁电机护套无法分别在低速和高速运转时对电机转子轴同等的提供较好保护；与此同时，还面临纯合金护套涡流损耗较大，永磁铁和转子护套之间装配困难等问题。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供永磁电机转子结构及其所应用的高速永磁电机，用于解决现有技术中永磁电机护套无法分别在低速和高速运转时对电机转子轴同等的提供较好保护的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第一方面提供一种永磁电机转子结构，包括：转子铁芯，其内围面与电机转轴相连；永磁铁，其内围面与所述转子铁芯的外围面相连；内层护套，其内环与所述永磁铁的外围面相连；外层护套，其内围面与所述内层护套的外围面相连；所述内层护套与永磁铁之间预设低速过盈量；所述内层护套的热膨胀系数相较于外层护套的热膨胀系数更大；在电机转子高速热态运行状态下，所述内层护套相较于外层护套产生更大的热膨胀程度而挤压所述永磁铁，以在所述内层护套与永磁铁之间产生大于所述低速过盈量的高速过盈量。
8.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述内层护套为合金护套。
9.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述合金护套由多片合金薄片叠加而成，且每片所述合金薄片的表面都涂有薄层绝缘漆或绝缘氧化物。
10.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述外层护套的材料包括复合材料；所述复合材料包括非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料；其中，非金属基体包括合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨或碳；增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须或金属。
11.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述转子铁芯呈筒状或长方体状；当转子铁芯呈筒状时，转子铁芯的内/外围面是环形面；当转子铁芯呈长方体状时，转子铁芯的内/外围面是矩形面。
12.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述内层护套和外层护套通过过盈配合或缠绕成型的方式连接；以及，所述永磁铁与内层护套通过过盈配合或缠绕成型的方式连接。
13.为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第二方面提供一种高速永磁电机，包括所述永磁电机转子结构。
14.如上所述，本技术的永磁电机转子结构及其所应用的高速永磁电机，具有以下有益效果：
15.1.本发明的技术方案可在电机低速冷态和高速热态旋转时为永磁铁提供同等的保护。
16.2.本发明的转子护套安装难度小，经济性高，安装过程永磁铁不易被破坏。
17.3.本发明的转子护套所产生的涡流损耗较小，散热能力较好。
附图说明
18.图1显示为本技术一实施例中永磁电机转子结构的示意图。
19.图2显示为本技术一实施例中永磁电机转子结构的护套轴向截面图。
具体实施方式
20.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
21.需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本技术的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本技术的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本技术的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本技术。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
22.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术
语在本技术中的具体含义。
23.再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
24.本发明提供一种新型的高速永磁电机，包括使用两层热膨胀系数不同的材料作为护套的电机护套结构，具体是指护套外层热膨胀系数相对于护套内层热膨胀系数较小，因此外层护套可在转子高速热态旋转时增加内层护套的预紧力。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
25.如图1所示，展示了本发明实施例中的一种永磁电机转子结构的示意图。本实施例中的永磁电机转子结构包括转子铁芯11、永磁铁12、内层护套13和外层护套14。
26.所述转子铁芯11的内围面与电机转轴相连，永磁铁12的内围面与转子铁芯11的外围面相连，内层护套13的内围面与永磁铁12的外围面相连，外层护套14的内围面与内层护套13的外围面相连。
27.所述内层护套13与永磁铁12之间预设低速过盈量；所述内层护套13的热膨胀系数相较于外层护套14的热膨胀系数更大；在电机转子高速热态运行状态下，所述内层护套13相较于外层护套14产生更大的热膨胀程度而挤压所述永磁铁12，以在所述内层护套13与永磁铁12之间产生大于所述低速过盈量的高速过盈量。
28.通常而言，所述转子铁芯11位于电机转子的最内层，可呈筒状或长方体等形状。因此，当转子铁芯11呈筒状时，转子铁芯的内/外围面是环形面；当铁芯11呈长方体状时，转子铁芯的内/外围面是矩形面。转子铁芯11的内围面和转子转轴相连，外围面和永磁铁12通过凹槽配合。与此同时，从图2所展示的轴向截面图中可以看出，转子铁芯11的周向两端与内层护套13配合，由此可传递扭矩。
29.需说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
30.在一些示例中，所述永磁铁12可选用筒状或瓦片状，所谓瓦片状即是通过几片形状适配的永磁铁拼接成一体。永磁铁12与转子铁芯11可通过粘结连接、机械连接等方式相连。永磁铁12的外围面与内层护套13的内围面可通过过盈配合或缠绕成型的方法连接。
31.在一些示例中，所述内层护套13位于永磁铁12外部且位于外层护套14内部，呈筒状，可通过过盈配合或缠绕成型的方法与外层护套14连接。所述外层护套14位于内层护套13外部，亦呈筒状。
32.值得强调的是，高速永磁电机内部的永磁铁抗拉强度较低；电机高速旋转时，永磁
铁易承受较大的离心力而发生破坏。为避免破坏发生，常常需要在永磁铁外部加上一层护套进行保护。高速永磁电机转子护套和永磁铁之间存在一定的过盈量，二者主要采取热装、冷装或压装的方式进行装配，装配时对形位精度要求较高、装配难度较大，稍有不慎永磁铁就会破裂、造成装配失败。另外，传统的电机护套都只有一层，这种保护套的过盈量为定值，因此不能分别在低速和高速运转时对电机转子轴起到最佳保护作用，护套的性价比低。在材料选择方面，若高速永磁电机护套采用复合材料，那么就会导致散热能力较差，电机转子容易产生较大的温升，甚至可能导致永磁铁退磁；若高速永磁电机护套采用合金材料，那么会导致护套较厚、质量较大、又由于合金较好的导电性，电机容易产生较大的涡流损耗，进而影响电机整体的运行效率。
33.有鉴于此，本发明的技术方案摈弃了传统的一层护套，改用两层护套，即分别为内层护套和外层护套，外层护套的热膨胀系数小于内层护套；较为优选的，内层护套材料可选用合金，外层护套可选用复合材料。所谓复合材料是一种混合物，可按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料，为实现较小的热膨胀系数，本实施例可选用非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料；其中，非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等；增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属等；应理解的是，本实施例对于复合材料并不做限定，而仅限定其膨胀系数应小于合金。
34.因此，在装配时可在内层护套13与永磁铁12之间先设置较小的过盈量，也即较小的预紧力，既便于安装，又能保证电机低速冷态运行；随着电机转速的提升，转子发热也越厉害，电机高速热态运行时，由于转子发热，而内层护套13的热膨胀系数大于外层护套14，在温差相同时外层护套14由于膨胀尺寸小于内层护套13，会对内层护套13的膨胀过程起到限制作用，由于外层护套14的存在，内层护套13就会因更大的热膨胀而挤压永磁铁，使两者之间的过盈量更大，两者之间的压应力也会增大，从而可确保电机高速热态下仍能够平稳运行，从而保护永磁铁不受损坏。
35.进一步地，所述内层护套13采用合金材料的护套，虽然有较大的热膨胀系数，但因此而产生的涡流损耗也会相应较大。所谓涡流损耗是指导体中有交变磁场时，根据电磁感应定律，会在导体中产生感应电流，该电流在导体中流动产生焦耳热，使导体发热，造成损耗，称为涡流损耗。因此，本实施例优选，合金护套由多片合金薄片叠加而成，且每片所述合金薄片的表面都涂有薄层绝缘漆或绝缘氧化物，因此磁通穿过薄片的狭窄截面时，涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较长，再者这种薄片材料的电阻率大，这样就可以显著减小涡流损耗。
36.所述绝缘漆也称作绝缘涂料，是一种具有优良电绝缘性的涂料，具有良好的电化性能、热性能、机械性能和化学性能，其以高分子聚合物为基础，能在一定的条件下固化成绝缘膜或绝缘整体。
37.本发明实施例还提供一种高速永磁电机，包括所述永磁电机转子结构。高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机，而一般说来，鼠笼转子异步电机、实心转子异步电机、绕线转子异步电机、永磁电机、感应子电机、开关磁阻电机等虽均可应用于高速场合，但高速永磁电机有着效率高且功率密度高的明显优势。
38.综上所述，本技术提供永磁电机转子结构及其所应用的高速永磁电机，本发明的
技术方案可在电机低速冷态和高速热态旋转时为永磁铁提供同等的保护；本发明的转子护套安装难度小，经济性高，安装过程永磁铁不易被破坏；本发明的转子护套所产生的涡流损耗较小，散热能力较好。所以，本技术有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
39.上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。