[发明专利]一种正弦气隙磁密的高速永磁电机转子及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及电机技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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°；