碳纤维电机转子保护套的性能研究分析

  高速电机具有体积小、功率密度大、可与高速负载直接相连、省去传统的机械增速装置、减小系统噪音和提高系统传动效率等特点,在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、燃料电池、天然气输送高速离心压缩机以及作为飞机或舰载供电设备的分布式发电系统等领域具有广阔的应用前景。

  永磁电机中的永磁体通常使用粉末冶金材料制造,这种永磁体不能承受很大的冲击作用力,如果不对其进行充足的保护,永磁体很容易在电机的高速旋转中发生破损,进而影响电机的可靠性。因此,在设计永磁电机时,不仅要考虑永磁体之间的作用力,还要考虑永磁体对导磁的铁制材料的作用力、电机运转时永磁体所受的离心力等,以实现对永磁体的妥善保护。目前高速永磁电机转子最常用的保护措施是碳纤维捆扎永磁体、永磁体外加非导磁或半导磁合金保护套,保护套的增加会给电机的散热带来严重的困难。

碳纤维保护套

  针对以上问题,研究人员选择对一台75 kW,60000r/min的高速永磁电机,设计了3种方案,同时基于应力场、电磁场和温度场对3种方案的转子强度、转子涡流损耗和温度分布进行了综合的比较与分析,通过一台采用非导磁合金保护套的样机进行了温升实验。实验结果表明,采用半导磁合金保护套时,会大大减小永磁体的厚度,但会产生更大的转子涡流损耗采用非导磁合金保护套时,所需的永磁体和保护套的厚度最大,采用纤维保护套时,所需的保护套厚度最小,转子涡流损耗和温升分布也远远小于其他两种保护措施。

  目前,碳纤维保护套的装配方法有两种:一是直接做成保护套,通过机械的方法,强行进行压装;另外一种是利用永磁体作为轴心,在其外面直接缠绕成型保护套。江苏博实采用的是直接在电机转子上缠绕碳纤维预浸料,可耐温160℃-200℃,能够承受电机转速每分钟几千到十几万转,能够满足电机转子的使用需求。