关于碳纤维绑扎护套在高速永磁电机的应用研究

  磁悬浮离心式鼓风机采用高速永磁电机驱动。由于永磁体性能的好坏直接决定永磁电机的性能,因此一般选用第三代稀土永磁材料烧结钕铁硼,钕铁硼具有极高的磁能积和矫顽力,是目前实际应用中性能最优异的永磁材料,但是其也有不足之处。

  首先,由于烧结钕铁硼采用粉末冶金工艺制备,其抗拉强度较低(<80MPa);其次,钕铁硼材料对温度比较敏感,热稳定性差,环境温度达到规定温度时会发生退磁,而这个规定值一般在80℃-180℃通过在整体圆柱永磁体外包裹一层非导磁金属套来保护永磁体免受离心力的破坏,这是目前最为常用的一种方法。采用非导磁金属护套的转子,其涡流损耗主要集中在护套上,护套导电率越高,产生的涡电流越大,涡流损耗越严重。

碳纤维护套

  经过对表面式和嵌入式高速永磁电机转子的强度进行分析,分析结果表明:采用碳纤维绑扎的面贴式转子结构能满足更高的强度要求,将永磁体布置在铁芯表面,永磁体外层采用碳纤维绑扎进行保护。在这种转子结构中,碳纤维护套采用环向缠绕,抗弯刚度主要由转轴提供。

  研究人员先后制作了两个转子,第一个转子的半径过盈量为0.12mm,采用轴向压装法将碳纤维护套装到转子上,轴向压入力为25.6kN,试验时,当转速达到35000/min时,该转子护套在永磁体之间发生损坏,事后对原因进行分析表明:当永磁体极弧系数小于1时,永磁体之间需要填充和永磁体材料特性相同的非磁性材料,防止护套在永磁体相邻区域应力集中;第二个转子的半径过盈量为0.065mm,采用冷缩装配,将转子冷却到-190℃,由于转子冷缩,护套在很小的轴向力下就可以套在转子上。

  采用有限元方法和激振试验对一台高速永磁电机的固有频率和振动模态进行分析,该电机额定转速120000 r/min额定功率1.25kW,采用碳纤维绑扎转子,轴承被简化为弹簧单元;研究表明:弹性支承会产生平动和锥动这两个刚体模态,且往往落在转子工作范围内,转子制作的短而粗可提高转子的临界转速。永磁体通过强力胶粘结在硅钢片叠成的铁心表面,碳纤维护套在转子冷缩后装上去,与前后盖轴向无间隙。

碳纤维护套

  研究对三台额定转速为31500r/min,额定功率为130kW,用来驱动高速压缩机的高速永磁电机进行了温升的分析,它们分别采用碳纤维护套、Ti-6%A1-6%V-2%Sn护套和Ti-2.5%Cu护套保护永磁体,结果表明由于碳纤维护套基本不产生涡流损耗,具有最低的温升。

  当电机额定功率为110kw,额定转速为7000r/min,转子采用钕铁硼永磁体布置在导磁轴表面,外层套以碳纤维护套。研究表明:在永磁体与护套之间加铜屏蔽层,虽然减小了气隙导致风摩损耗增加,但是相对于由此减少的涡流损耗可以忽略不计,如果选用热传导率高的铜条作为极间填充物,可以有效改善转子的散热。