一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构及制作方法

技术领域

本发明涉及电机转子制备技术领域，尤其涉及一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构及制作方法。

背景技术

高速永磁电机在航空航天、飞轮储能等领域具有广阔的应用前景，然而，传统面贴式高速永磁电机的转子温升和局部应力成为高速电机向大功率、高转速发展的关键技术。

中国申请201280029583.X提出一种磁负载的复合材料转子和制备磁负载预浸渍带的方法，此方法虽为高速永磁电机复合转子研究提供依据，但未考虑电机在高转速情况下径向离心力的变化趋势，存在内层碳纤维浪费、单位体积磁粉胶膜过低的问题。中国申请202010969975.0提出一种复合转子周向垂直缠绕制备方法，此方法虽为高速永磁电机用复合磁性材料缠绕提供依据，但并未考虑高速转子离心力对复合磁性材料的影响，以及对磁粉胶膜厚度变化的复合磁性材料的缠绕方法。中国申请202010970896.1提出一种高速永磁电机用分层式转子结构及制作方法，由于烧结永磁体的存在，因此，仍然存在由于烧结永磁体极间间隙导致的应力集中问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构及制作方法，用以解决高速电机转子应力集中的问题。

本发明提供的一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构，包括：转轴、包裹于所述转轴侧表面的环形永磁体、在所述环形永磁体的外表面层级缠绕的多层复合磁性材料层以及与所述多层复合磁性材料层过盈装配的碳纤维保护套；其中，

所述环形永磁体包括在所述转轴侧表面粘贴的多块瓦形的烧结永磁体和在各所述烧结永磁体极间处填充的磁粉胶膜；或者，

所述环形永磁体为与所述转轴过盈装配的环形粘结永磁体。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构中，在所述环形永磁体的外表面层级缠绕有

在所述环形永磁体外表面缠绕的第一层复合磁性材料层中，所述磁粉胶膜的厚度与所述碳纤维层的厚度之比为3.8~4:1；在所述环形永磁体外表面缠绕的第

在所述环形永磁体外表面缠绕的第二层~第

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构中，还包括：

在所述环形永磁体与所述多层复合磁性材料层之间的单层碳纤维层，用于增大缠绕所述复合磁性材料层时的摩擦力以及减小所述环形永磁体的径向拉应力；

在所述多层复合磁性材料层与所述碳纤维保护套之间的单层碳纤维层，用于防止过盈装配导致所述复合磁性材料层脱落。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构中，还包括：位于所述复合磁性材料层轴向的两端的表面的环氧树脂涂层，用于防止所述磁粉胶膜被氧化以及在高转速情况下所述磁粉胶膜在离心力作用下损失。

本发明还提供了一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法，包括如下步骤：

S1：将磁粉与环氧树脂粘结剂、偶联剂、固化剂、增塑剂混合，在第一预设温度下搅拌，得到磁粉胶膜；

S2：清洁转轴的侧表面；

S3：在转轴的侧表面粘贴四块瓦形的烧结永磁体，并在各烧结永磁体极间填充磁粉胶膜后，放入固化炉中，在第二预设温度下进行旋转加热固化第一预设时长；或者，将转轴与环形粘结永磁体过盈装配；

S4：在装配有环形永磁体的转轴的两端分别安装阶梯状的合金挡板；其中，合金挡板包括在内的小阶梯和在外的大阶梯，小阶梯的外径与环形永磁体的外径相同，大阶梯的外径大于或等于转子最终成型后的外径；

S5：利用伺服电机带动转轴转动，利用喷嘴将磁粉胶膜铺覆在碳纤维层上后缠绕在环形永磁体的外表面上，在复合磁性材料层缠绕结束后放入固化炉中，在第三预设温度下进行旋转加热固化第二预设时长；其中，伺服电机转动的圆周线速度恒定；

S6：固化结束后，将碳纤维保护套与复合磁性材料层过盈装配；

S7：装配完成后，在第四预设温度下进行旋转加热固化第三预设时长后，拆卸合金挡板，最后进行机械加工，得到复合转子结构。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中，步骤S1中，第一预设温度为50℃~60℃。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中，在执行步骤S3之后，在执行步骤S4之前，还包括：

在环形永磁体的外表面缠绕单层碳纤维层；

步骤S5中，在复合磁性材料层缠绕结束后，放入固化炉中之前，还包括：

在复合磁性材料层的表面缠绕单层碳纤维层。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中，在执行步骤S5，利用伺服电机带动转轴转动，利用喷嘴将磁粉胶膜铺覆在碳纤维层上后缠绕在环形永磁体的外表面上的过程中，具体包括：

通过安装于转轴底面上的霍尔元件对缠绕圈数进行检测，根据缠绕圈数，利用线性控制系统控制喷嘴喷出的磁粉胶膜的量；其中，在所述环形永磁体外表面缠绕的每层复合磁性材料层中，所述磁粉胶膜在内，所述碳纤维层在外；在所述环形永磁体外表面缠绕的第一层复合磁性材料层中，所述磁粉胶膜的厚度与所述碳纤维层的厚度之比为3.8~4:1；在所述环形永磁体外表面缠绕的第

步骤S5中，在复合磁性材料层缠绕结束后，放入固化炉中之前，还包括：

拆卸霍尔元件。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中，步骤S3中，第二预设温度为120℃~130℃，第一预设时长为1h~2h；

步骤S5中，第三预设温度为120℃~130℃，第二预设时长为1h~2h；

步骤S7中，第四预设温度为120℃~130℃，第三预设时长为1h~2h。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中，在执行步骤S7，装配完成后，在第四预设温度下固化第三预设时长后，拆卸合金挡板，最后进行机械加工，得到复合转子结构后，还包括如下步骤：

S8：在复合磁性材料层轴向的两端的表面涂覆环氧树脂涂层。

本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构及制作方法，利用磁粉胶膜对烧结永磁体的极间进行填充，待完成烧结永磁体的整体成型后，可等效成环形烧结永磁体，这样，可以减小永磁体的形变应力，提高高速电机的气隙磁密，避免由于烧结永磁体极间间隙导致应力集中从而造成对碳纤维保护套的破坏，提高高速电机转子的可靠性，解决高速电机转子应力集中的问题，从而解决高速电机向大功率、高转速发展的关键技术问题。环形永磁体也可以采用环形粘结永磁体，环形粘结永磁体的磁性能稍逊色于烧结永磁体，但由于环形粘结永磁体为一体件的原因，其应力性能要优于烧结永磁体，也能解决高速电机转子应力集中的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的示意图；

图2为图1的局部示意图；

图3为本发明提供的一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法的流程图；

图4为本发明实施例1中阶梯状合金挡板的安装示意图；

图5为本发明实施例1中复合磁性材料缠绕示意图。

附图标记说明：转轴1；环形永磁体2；多层复合磁性材料层3；碳纤维保护套4；单层复合磁性材料层5；碳纤维层6；磁粉胶膜7；合金挡板8；喷嘴9；霍尔元件10。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构，如图1所示，包括：转轴1、包裹于转轴1侧表面的环形永磁体2、在环形永磁体2的外表面层级缠绕的多层复合磁性材料层3以及与多层复合磁性材料层3过盈装配的碳纤维保护套4；其中，

环形永磁体2包括在转轴1侧表面粘贴的多块瓦形的烧结永磁体（例如四块瓦形的烧结永磁体）和在各烧结永磁体极间处填充的磁粉胶膜；或者，

环形永磁体2为与转轴1过盈装配的环形粘结永磁体。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构中，如图2所示，图2为图1的局部示意图，在环形永磁体2的外表面层级缠绕有

本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构，根据电机转子离心力在径向的变化，沿径向向外，离心力增大，改变磁粉胶膜与碳纤维的厚度比，沿径向向外，磁粉胶膜与碳纤维的厚度比降低，这样，单位体积内碳纤维的含量升高，复合磁性材料层的强度提高，抵抗离心力的能力提高，从而可以解决电机转子的强度问题；并且，对于现有的磁粉胶膜与碳纤维厚度比恒定的转子而言，为了达到与本发明相同的强度，需要额外缠绕碳纤维，这样，与现有的磁粉胶膜与碳纤维厚度比恒定的转子相比，本发明可以有效提高单位体积内的磁粉含量，提高复合磁性材料的剩磁，从而可以有效提升电机转子的电磁性能。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构中，还可以包括：在环形永磁体与多层复合磁性材料层之间的单层碳纤维层，这层单层碳纤维层不仅可以增大缠绕复合磁性材料层时的摩擦力，还可以减小环形永磁体的径向拉应力；并且，还可以包括：在多层复合磁性材料层与碳纤维保护套之间的单层碳纤维层，这层单层碳纤维层可以防止过盈装配导致复合磁性材料层脱落。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构中，复合磁性材料层轴向的两端的表面的磁粉胶膜与空气直接接触，不仅容易被氧化，并且在高转速情况下，磁粉胶膜在离心力的作用下容易损失，基于此，本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构还可以包括：位于复合磁性材料层轴向的两端的表面的环氧树脂涂层，环氧树脂涂层不仅可以防止磁粉胶膜被氧化，还可以避免在高转速情况下磁粉胶膜在离心力的作用下损失。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法，如图3所示，包括如下步骤：

S1：将磁粉与环氧树脂粘结剂、偶联剂、固化剂、增塑剂混合，在第一预设温度下搅拌，得到磁粉胶膜；

S2：清洁转轴的侧表面；

S3：在转轴的侧表面粘贴四块瓦形的烧结永磁体，并在各烧结永磁体极间填充磁粉胶膜后，放入固化炉中，在第二预设温度下进行旋转加热固化第一预设时长；或者，将转轴与环形粘结永磁体过盈装配；

S4：在装配有环形永磁体的转轴的两端分别安装阶梯状的合金挡板；其中，合金挡板包括在内的小阶梯和在外的大阶梯，小阶梯的外径与环形永磁体的外径相同，大阶梯的外径大于或等于转子最终成型后的外径；

将合金挡板设计为阶梯状的原因是，复合磁性材料缠绕完成后，需要对复合磁性材料层轴向的两端的表面进行机械加工，因此需要复合磁性材料层轴向的两端留出裕量；这样，在后续复合磁性材料层的缠绕过程中，合金挡板的大阶梯可以有效阻止磁粉胶膜沿轴向的迁移和损失，提高复合磁性材料在圆周方向的均匀度，保证圆周方向磁场的对称性；合金挡板的小阶梯可以为复合磁性材料层轴向的两端留出裕量，方便后期对复合磁性材料进行机械处理，保证转子端面的磁性分布均匀；

S5：利用伺服电机带动转轴转动，利用喷嘴将磁粉胶膜铺覆在碳纤维层上后缠绕在环形永磁体的外表面上，在复合磁性材料层缠绕结束后放入固化炉中，在第三预设温度下进行旋转加热固化第二预设时长；其中，伺服电机转动的圆周线速度恒定；

S6：固化结束后，将碳纤维保护套与复合磁性材料层过盈装配；

S7：装配完成后，在第四预设温度下进行旋转加热固化第三预设时长后，拆卸合金挡板，最后进行机械加工，得到复合转子结构。

本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法，采取分段固化工艺方式，可以保证复合转子成型尺寸的稳定性和周向磁粉的均匀性。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S1时，可以将第一预设温度控制在50℃~60℃的范围。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S3之后，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S4之前，还可以执行如下操作：在环形永磁体的外表面缠绕单层碳纤维层，这层单层碳纤维层不仅可以增大缠绕复合磁性材料层时的摩擦力，还可以减小环形永磁体的径向拉应力；并且，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S5时，在复合磁性材料层缠绕结束后，放入固化炉中之前，还可以执行如下操作：在复合磁性材料层的表面缠绕单层碳纤维层，这层单层碳纤维层可以防止过盈装配导致复合磁性材料层脱落。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中，在执行步骤S5，利用伺服电机带动转轴转动，利用喷嘴将磁粉胶膜铺覆在碳纤维层上后缠绕在环形永磁体的外表面上的过程中，具体可以通过以下方式来实现：

通过安装于转轴底面上的霍尔元件对缠绕圈数进行检测，根据缠绕圈数，利用线性控制系统控制喷嘴喷出的磁粉胶膜的量；其中，在环形永磁体外表面缠绕的每层复合磁性材料层中，磁粉胶膜在内，碳纤维层在外；在环形永磁体外表面缠绕的第一层复合磁性材料层中，磁粉胶膜的厚度与碳纤维层的厚度之比为3.8~4:1；在环形永磁体外表面缠绕的第

在具体实施时，由于随着复合磁性材料层缠绕层数的增加，伺服电机转动的圆周周长变大，为了保证复合磁性材料层的均匀性，需要保证伺服电机转动的圆周线速度不变。较佳地，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S5时，可以将伺服电机转动的圆周线速度控制在0.1m/s~1m/s范围。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S5时，在复合磁性材料层缠绕结束后，放入固化炉中之前，还需要拆卸霍尔元件，避免后续的旋转加热固化损坏霍尔元件。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S3时，可以将第二预设温度控制在120℃~130℃的范围，将第一预设时长控制在1h~2h的范围；在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S5时，可以将第三预设温度控制在120℃~130℃的范围，将第二预设时长控制在1h~2h的范围；在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S7时，可以将第四预设温度控制在120℃~130℃的范围，将第三预设时长控制在1h~2h的范围。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S7后，复合磁性材料层轴向的两端的表面的磁粉胶膜与空气直接接触，不仅容易被氧化，并且在高转速情况下，磁粉胶膜在离心力的作用下容易损失，基于此，在执行本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法中的步骤S7之后，还可以执行如下操作：

S8：在复合磁性材料层轴向的两端的表面涂覆环氧树脂涂层，环氧树脂涂层不仅可以防止磁粉胶膜被氧化，还可以避免在高转速情况下磁粉胶膜在离心力的作用下损失。

下面通过一个具体的实施例对本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构的制作方法的具体实施进行详细说明。

实施例1：

第一步：制备磁粉胶膜。

将磁粉与环氧树脂粘结剂、偶联剂、固化剂、增塑剂一系列添加剂混合，在55℃温度下搅拌，得到磁粉胶膜。

第二步：清洁转轴的侧表面。

第三步：在转轴的侧表面粘贴四块瓦形的烧结永磁体，并在各烧结永磁体极间填充磁粉胶膜后，放入固化炉中，在120℃温度下进行旋转加热固化1h。

本发明实施例1的烧结永磁体与磁粉胶膜进行固化结合后，可以近似为环形装配件，这样，可以减小永磁体的形变应力，提高高速电机的气隙磁密，通过将烧结永磁体一体化，可以避免由于烧结永磁体极间间隙导致应力集中从而造成对碳纤维保护套的破坏，提高高速电机转子的可靠性，解决高速电机转子应力集中的问题。

当然，环形永磁体也可以采用环形粘结永磁体，环形粘结永磁体的磁性能稍逊色于烧结永磁体，但由于环形粘结永磁体为一体件的原因，其应力性能要优于烧结永磁体，也能解决高速电机转子应力集中的问题。

第四步：待固化结束后，在环形永磁体的外表面缠绕单层碳纤维层，这层单层碳纤维层不仅可以增大缠绕复合磁性材料层时的摩擦力，还可以减小环形永磁体的径向拉应力。

第五步：在装配有环形永磁体2的转轴1的两端分别安装阶梯状的合金挡板8，如图4所示；其中，合金挡板8包括在内的小阶梯和在外的大阶梯，小阶梯的外径与环形永磁体2的外径相同，大阶梯的外径大于或等于转子最终成型后的外径，即后续碳纤维保护套4与

在后续复合磁性材料层的缠绕过程中，合金挡板的大阶梯可以有效阻止磁粉胶膜沿轴向的迁移和损失，提高复合磁性材料在圆周方向的均匀度，保证圆周方向磁场的对称性；合金挡板的小阶梯可以为复合磁性材料层轴向的两端留出裕量，方便后期对复合磁性材料进行机械处理，保证转子端面的磁性分布均匀。

第六步：利用伺服电机带动转轴转动，如图5所示，利用喷嘴9将磁粉胶膜7铺覆在碳纤维层6上后缠绕在转轴1的侧表面上，同时，通过安装于转轴1底面上的霍尔元件10对缠绕圈数进行检测，根据缠绕圈数，利用线性控制系统控制喷嘴9喷出的磁粉胶膜7的量；缠绕的第一层中磁粉胶膜的厚度为0.4mm，每缠绕1圈，复合磁性材料中磁粉胶膜的厚度降低0.01mm，缠绕31层，末层中的磁粉胶膜比初层中的磁粉胶膜厚度降低了0.3mm，在转子缠绕过程中由伺服电机矢量控制保证转子缠绕的圆周线速度保持恒定，缠绕速度控制在0.5m/s，在缠绕过程中添加预紧力，预紧力呈现下降的趋势，直至复合磁性材料缠绕结束。在复合磁性材料层缠绕结束后，拆卸霍尔元件，并在复合磁性材料层的表面缠绕单层碳纤维层，这层单层碳纤维层可以防止后续过盈装配导致复合磁性材料层脱落，在复合磁性材料层的表面缠绕单层碳纤维层后放入固化炉中，在120℃温度下进行旋转加热固化1h。

线性控制磁粉胶膜的厚度，可以实现碳纤维与磁粉胶膜厚度变比的复合磁性材料层的制备；伺服电机矢量控制保证缠绕的圆周线速度恒定，可以提高磁粉胶膜铺覆的均匀性。

本实施例采用宽度为280mm、厚度为0.1mm的碳纤维预浸料，是在满足高速永磁电机力学性能的基础上，综合考虑碳纤维的力学性能以及成本，保证单位体积内磁粉胶膜含量最大。

第七步：固化结束后，在复合磁性材料层的表面缠绕单层碳纤维预浸料，之后再进行碳纤维保护套与复合磁性材料层之间的过盈装配。

在复合磁性材料缠绕结束之后缠绕单层碳纤维预浸料，可以防止过盈装配导致复合磁性材料层脱落，单层碳纤维预浸料可以起到一定保护作用。

第八步：碳纤维保护套过盈装配结束后，在130℃温度下固化2h，拆卸合金挡板，并进行机械加工，之后在复合磁性材料层轴向的两端的表面涂覆环氧树脂涂层，不仅可以防止磁粉胶膜被氧化，还可以避免在高转速情况下磁粉胶膜在离心力的作用下损失。

本发明提供的上述新型高速电机多层变磁负载复合转子结构及制作方法，利用磁粉胶膜对烧结永磁体的极间进行填充，待完成烧结永磁体的整体成型后，可等效成环形烧结永磁体，这样，可以减小永磁体的形变应力，提高高速电机的气隙磁密，避免由于烧结永磁体极间间隙导致应力集中从而造成对碳纤维保护套的破坏，提高高速电机转子的可靠性，解决高速电机转子应力集中的问题，从而解决高速电机向大功率、高转速发展的关键技术问题。环形永磁体也可以采用环形粘结永磁体，环形粘结永磁体的磁性能稍逊色于烧结永磁体，但由于环形粘结永磁体为一体件的原因，其应力性能要优于烧结永磁体，也能解决高速电机转子应力集中的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。