一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子及其制备方法，包括转轴、设置在转轴外侧的Halbach阵列结构、设置在Halbach阵列结构两端的隔磁端环和设置在转轴内部的通风结构，Halbach阵列结构形成若干磁极。本发明专利技术将磁粉胶膜与碳纤维布复合得到磁粉胶膜碳纤维复合结构，然后逐层卷制在永磁体层外侧以提高转子强度，该结构中碳纤维层主要承受载荷，大大提高抗拉强度；永磁材料成离散的粉末状，可消除集中载荷，降低转子损耗；通过调整硬磁颗粒的级配降低孔隙率，提高电磁性能；通过对Halbach阵列结构整体充磁，形成正弦气隙磁密，提高功率密度，降低谐波损耗和转子涡流损耗，消弱转矩脉动；通过转子内风道设计进一步改善转子冷却效果，从而提高电机性能及可靠性。从而提高电机性能及可靠性。从而提高电机性能及可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电机
，具体涉及一种具有正弦气隙磁密的高速永磁电机及其制备方法。

技术介绍

[0002]高速电机转速高，体积小，功率密度大，可直接驱动高速负载高速负载（如压缩机和鼓风机）形成高速直驱系统，其重量和尺寸大大降低，综合节能效果可达15%，大大提高系统效率及可靠性，广泛应用在新能源汽车、高性能医疗器械、高档数控机床与机器人、航空航天装备、海洋工程装备等重要的工业领域。
[0003]高速永磁电机以其结构简单、力能密度高、无励磁损耗、效率高等优点，最适合于高速电机。但高速、高频、高功率密度的三高特点使高速电机在设计上面临许多困难和挑战。首先，高速电机圆周速度一般可达200m/s以上，高速高频下定子铁心损耗、转子摩擦损耗、永磁体涡流损耗均非常大，同时高功率密度使转子散热困难，易造成永磁体发生不可逆退磁；其次，永磁体抗拉强度只有30~80MPa，高转速下由于离心力的作用转子强度问题更为突出，必须采用护套保护永磁体。因此，永磁转子结构的机械强度以及温升导致的退磁现象已成为制约高速永磁电机向高速、大功率发展的主要瓶颈问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决永磁转子结构的机械强度低、易损耗的问题，提供一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子及其制备方法，在保证磁场强度的前提下，通过采用磁粉胶膜碳纤维复合结构提高转子强度，永磁材料成离散的粉末状，消除集中载荷，降低转子损耗；通过调整硬磁颗粒的级配降低孔隙率，提高电磁性能；通过对Halbach阵列结构整体充磁，形成正弦气隙磁密，提高功率密度，降低谐波损耗和转子涡流损耗，消弱转矩脉动；通过转子内风道设计进一步改善转子冷却效果，从而提高电机性能及可靠性。
[0005]本专利技术提供一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，包括转轴、设置在转轴外侧的Halbach阵列结构、设置在Halbach阵列结构两端的隔磁端环和设置在转轴内部的通风结构，Halbach阵列结构形成若干磁极，通风结构为用于降低高速永磁电机转子温度的通风孔；Halbach阵列结构包括依次设置在转轴外侧的永磁体层、磁粉胶膜/碳纤维单元和碳纤维护套，永磁体层包括至少两块嵌入粘接在转轴的外侧并进行预取向的永磁体块，磁粉胶膜/碳纤维单元包括缠绕在永磁体层外侧的至少两层磁粉胶膜碳纤维复合结构，磁粉胶膜碳纤维复合结构包括磁粉胶膜和复合在磁粉胶膜下侧的碳纤维布，磁粉胶膜包括磁粉和环氧树脂；碳纤维护套缠绕在磁粉胶膜/碳纤维单元的外侧；永磁体层、磁粉胶膜/碳纤维单元和碳纤维护套进行整体Halbach充磁，隔磁端环设置在磁粉胶膜/碳纤维单元和碳纤维护套的两端、转轴的外侧。
[0006]本专利技术所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，作为优选方式，磁粉在磁
粉胶膜中离散分布，高速永磁电机转子的气隙磁密接近正弦性。
[0007]本专利技术所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，作为优选方式，转轴包括转轴本体和设置在转轴本体外表面的永磁体安装槽，永磁体块安装到永磁体安装槽后上表面与转轴本体两端的上表面平齐；转轴为不导磁合金材料，转轴表面做滚花处理；通风结构包括贯通设置在转轴内部的L形通风孔，L形通风孔包括沿转轴轴线设置的直孔和与直孔末端连通的斜孔，斜孔与直孔的弯折角度为30~60
°
；磁粉胶膜/碳纤维单元中磁粉的体积占比为60%~80%，磁粉的粒径为50~200μm、粒径配比为3:1~1:1，碳纤维布的厚度为0.06~0.12mm，磁粉胶膜和碳纤维布的厚度比为1:1~5:1；磁粉胶膜直接铺设在碳纤维布上复合成完整层状复合材料；隔磁端环的外端轴端为锥形结构，隔磁端环与转轴为过盈配合。
[0008]本专利技术所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，作为优选方式，磁粉的粒径为100mm和50mm、质量比为3:1；磁粉为钕铁硼硬磁颗粒/或钐钴硬磁颗粒；通风结构还包括设置在转轴中心的中心孔。
[0009]本专利技术提供一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子的制备方法，包括以下步骤：S1、磁粉胶膜制备：将磁粉、环氧树脂和溶剂按比例混合后搅拌均匀倒入拉膜模具中，匀速拉动推杆均匀拉成等厚胶膜，固化后得到磁粉胶膜，溶剂为挥发性溶剂；S2、转轴处理：在转轴表面做滚花处理；S3、Halbach阵列结构安装：将Halbach阵列结构、隔磁端环依次安装在转轴外侧，并进行固化， Halbach阵列结构包括依次设置的永磁体层、磁粉胶膜/碳纤维单元和碳纤维护套，磁粉胶膜/碳纤维单元包括逐层卷制的磁粉胶膜碳纤维复合结构，每层磁粉胶膜碳纤维复合结构均包括磁粉胶膜和碳纤维布；S4、Halbach充磁：使用正弦磁场对Halbach阵列结构进行整体Halbach充磁，形成若干磁极，正弦气隙磁密的高速永磁电机转子制备完成。
[0010]本专利技术所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子的制备方法，作为优选方式，步骤S3包括以下步骤：S31、将永磁体块进行预取向后均匀粘结在永磁体安装槽中，得到永磁体层；S32、将磁粉胶膜铺展在碳纤维布上层，得到磁粉胶膜碳纤维复合结构，再将磁粉胶膜碳纤维复合结构逐层卷制在永磁体层外侧，固化后得到磁粉胶膜/碳纤维单元；S33、在磁粉胶膜/碳纤维单元上缠绕碳纤维护套后进行固化；S34、将隔磁端环过盈配合组装在Halbach阵列结构两侧、转轴外侧。
[0011]本专利技术所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子的制备方法，作为优选方式，步骤S1中，磁粉的粒径为50~200μm、粒径配比为3:1~1:1，溶剂为丙酮或甲苯，溶剂的质量比为10%～15%，碳纤维布的厚度为0.06~0.12mm；搅拌时间为0.5~10分钟，拉膜速度为20m/min~50m/min，等厚胶膜的固化方式为常温固化，磁粉胶膜和碳纤维布通过加热固化。
[0012]本专利技术所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子的制备方法，作为优选方式，磁粉的粒径为100mm和50mm、粒径配比为3:1。
[0013]本专利技术所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子的制备方法，作为优选方式，步骤S2还包括：在转轴上设置L形通风孔，L形通风孔沿转轴轴向均匀分布。
[0014]本专利技术所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子的制备方法，作为优选方式，步骤S31中，永磁体块在垂直于转轴的截面上包括16个沿X轴、Y轴镜像分布的永磁体块，并从最高点沿顺时针方向分别编号为1~16号永磁体；步骤S4中，Halbach充磁后，1号永磁体的磁场与Y轴平行，2号永磁体的磁场与X轴成70
°
夹角，3号永磁体的磁场与X轴成45
°
夹角，4号永磁体的磁场与X轴成20
°
夹角，5号永磁体的磁场与X轴平行。
[0015]一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，包括转轴，设置在转轴外侧的块状永磁体，设置在永磁体外侧磁粉/碳纤维叠层结构，设置在最外侧的碳纤维护套，设置在上述结构两端的隔磁端环和设置在转轴内部的转子内风道、空心轴孔；隔磁端环与转轴过盈配合，起轴向定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，其特征在于：包括转轴（1）、设置在所述转轴（1）外侧的Halbach阵列结构（2）、设置在所述Halbach阵列结构（2）两端的隔磁端环（3）和设置在所述转轴（1）内部的通风结构（4），所述Halbach阵列结构（2）形成若干磁极，所述通风结构（4）为用于降低高速永磁电机转子温度的通风孔；所述Halbach阵列结构（2）包括依次设置在所述转轴（1）外侧的永磁体层（21）、磁粉胶膜/碳纤维单元（22）和碳纤维护套（23），所述永磁体层（21）包括至少两块嵌入粘接在所述转轴（1）的外侧并进行预取向的永磁体块（211），所述磁粉胶膜/碳纤维单元（22）包括缠绕在所述永磁体层（21）外侧的至少两层磁粉胶膜纤维复合结构（221），所述磁粉胶膜碳纤维复合结构（221）包括磁粉胶膜（2211）和复合在所述磁粉胶膜（2211）下侧的碳纤维布（2212），所述磁粉胶膜（2211）包括磁粉和环氧树脂；所述碳纤维护套（23）缠绕在所述磁粉胶膜/碳纤维单元（22）的外侧；所述永磁体层（21）、所述磁粉胶膜/碳纤维单元（22）和所述碳纤维护套（23）进行整体Halbach充磁，所述隔磁端环（3）设置在所述磁粉胶膜/碳纤维单元（22）和所述碳纤维护套（23）的两端、所述转轴（1）的外侧。2.根据权利要求1所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，其特征在于：所述磁粉在所述磁粉胶膜（2211）中离散分布，高速永磁电机转子的气隙磁密接近正弦性。3.根据权利要求1所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，其特征在于：所述转轴（1）包括转轴本体（11）和设置在所述转轴本体（11）外表面的永磁体安装槽（12），所述永磁体块（211）安装到所述永磁体安装槽（12）后上表面与所述转轴本体（11）两端的上表面平齐；所述转轴（1）为不导磁合金材料，所述转轴（1）表面做滚花处理；所述通风结构（4）包括贯通设置在所述转轴（1）内部的L形通风孔（41），所述L形通风孔（41）包括沿所述转轴（1）轴线设置的直孔（411）和与所述直孔（411）末端连通的斜孔（412），所述斜孔（412）与所述直孔（411）的弯折角度为30~60
°
；所述磁粉胶膜/碳纤维单元（22）中所述磁粉的体积占比为60%~80%，所述磁粉的粒径为50~200μm、粒径配比为3:1~1:1，所述碳纤维布（2212）的厚度为0.06~0.12mm，所述磁粉胶膜（2211）和所述碳纤维布（2212）的厚度比为1:1~5:1；所述隔磁端环（3）的外端轴端为锥形结构，所述隔磁端环（3）与所述转轴（1）为过盈配合。4.根据权利要求3所述的一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子，其特征在于：所述磁粉的粒径为100mm和50mm、质量比为3:1；所述磁粉为钕铁硼硬磁颗粒或钐钴硬磁颗粒；所述通风结构（4）还包括设置在所述转轴（1）中心的中心孔（42）。5.一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、磁粉胶膜制备：将磁粉、环氧树脂和溶剂按比例混合后搅拌均匀倒入拉膜模具中，匀速拉动推杆均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天煜，白斌，王惠军，张岳，姚金宇，汪泽润，
申请(专利权)人：上海电子信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：