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普通转速磁钢与高速电机转子磁钢的固定方法

人气:发表时间:2018-05-07

    永磁同步电机,特别是高速永磁同步电机, 如何固定磁钢,防止磁钢飞出去,一直是工程师们关注的重点。细分起来,磁钢固定其实是两个子问题。第一个如何设计一个安全结构来克服离心力?第二个就是如何防止磁钢微观的轻微晃动?第一个问题好理解,第二个问题则是内行人才晓得的门道。其实很多磁极结构,虽然能克服离心力,但在磁钢槽内是磁钢是微观半自由态,磁钢可以轻微晃动,当在突然加速、电流突变的状态下,磁钢的力平衡会被破坏,产生冲击、振动。 这种振动会对磁钢产生寿命上的影响的,因此要求高可靠性的结构中,需要防止这种振动发生。
    磁钢固定
    显然第一个问题是较宏观的认知,第二个问题涉及更细的工程面,属于细颗粒度的常识。都说细节决定成本,做一个好产品,不仅仅需要开认知地图,还要掌握细颗粒度的常识。为了增强对细颗粒度常识的了解,www68399.com皇家赌场请到了蜗牛研习社骨干成员,拥有十几年产品开发经验的向前老师,听听他的经验和看法。 
    永磁同步电机转子的磁极结构有很多,其转子线速度也大小不同,普通通转速(6000rpm以内)、高速(20000rpm以内)、超高速 三种。每类转子的固定方法也不尽相同。先从普通转速的永磁同步电机说起:
    普通转速的磁钢固定方法
    一字内插式磁极结构是常见的永磁电机结构,广泛的应用于功率输出型场合,比如低速的电动汽车、空气压缩机、水泵等等。一字型磁钢槽不旦保护磁钢免受碰撞,还提供了克服离心力的反力,一字槽就是其主要的固定结构。
    随着这种结构的发展成熟,相应的辅助固定方法也陆续出现,比如下图的环氧灌封技术,它不但能够隔绝磁钢和空气,避免磁钢氧化,还能够增加缓冲阻尼,降低磁钢振动失效的风险。在此基础上会配合一些轴向辅助固定,比如说端压板。
    磁钢固定

     也有人应用了中间凸台的辅助固定技术:在一个磁极槽中间设置凸台,它不旦把磁钢分成了左右两块,降低了退磁的风险。而且通过小过盈,在沿一字方向形成了一定的预紧力,紧固了磁钢。
    电机磁钢固定

    向高速结构发展
    V字结构是后来发展出的一种新的结构,较一字型有更高的磁阻转矩,备受工程师们的青睐。随着电机向高速化发展,V字结构本身也出现了演变。关键是主固定结构得以加强。普瑞斯混动EV驱动电机的发展很好的诠释了这个过程。他们在2004年产品用V字替代了早先的一字结构,电机的转矩密度得以上升,但最高转速仅有6000rpm。在2010年发展出的V字结构,最高转速达到了13500rpm转速翻了一番还多,其关键是增设了中间磁桥,而且边缘磁桥也变的更厚,因此磁极的主固定结构可承受更高的离心力。
    电机磁钢固定图片
    高速V结构的辅助固定措施
    丰田普瑞斯的实践证明了V字结构能可靠的实现高速化,随着这种结构在EV领域的应用也越来越广泛。辅助固定结构设计也逐渐发展成熟:其中有两种比较常见,一个是轴向压板技术,利用轴向预紧力把磁钢压紧,防止其串动。但这种方法不是很可靠,特别是在磁钢轴向分多段时,很难控制预紧量。因此另外一种弹性凸台技术发展起来,和一字结构的中间凸台类似,弹性的凸台也能起到沿磁钢宽度方向的预紧力,从而起到辅助固定的作用。
     转子磁铁固定
    机械固定对加工精度要求较高,有一定的工艺能力限制。日本人发展起来一种注塑技术,通过向磁极注射一定压力的塑胶材料(比如下图这家企业的材料叫EME)。EME材料填充满了磁钢槽的所有缝隙,不但如此,连硅钢片的片间缝隙也能渗入,因此磁钢和转子铁芯能够充分接触了,而这种EME材料又是良好的导热材料。这样除了固定之外还带来了一个额外的优点:这就大大提高磁钢热量外传速度,降低了磁钢的温升。
    更高转速的磁钢固定技术
    如果想获得更高转子线速度, V字结构还是有一定局限的。因此前辈们又发展出了新的结构。下图是一个SPOKE结构,50kw的功率最大能够做14000rpm,虽然不算很高,但有两个亮点值得一说。
    电机转子固定
    第一个就是磁钢具备自锁功能,菱型磁钢的由上下两个梯型构成,其中上面那个梯型,越向外移动和绿色的磁极接触的就越紧,从而能起到自锁功能。再加上胶水以及辅助固定槽锲,共同构成了一套固定系统。
    第二个亮点就是,分块的磁极采用锯齿形状,其目的是降低应力集中,提升转速上限。这种结构是细节设计的典范,值得大家学习。
SPOKE结构的转速还是有一定限制,前文说到丰田普瑞斯的最新版本的设计,转速有了进一步提升,到了17000rpm,其磁极结构如下图所示:这是一种高速V一结构,为了克服更高的离心力,在主固定方面增设了更多的分流磁桥以分流应力流,该结构的辅助固定由凸台来实现。
    磁铁固定方法
    普瑞斯的实践证明磁钢由单层发展到双层能够提高转速上限。类似的,通用企业发展出来一系列的新型磁极结构,也是往多层化方向发展。为了获得更高的转速结构强度,他们采用的三层或两层磁钢,每层的磁钢又分成多块,在每块磁钢之间设置磁桥,以此来分流应力。其辅助固定措施也选择了凸台。
    超高速电机的固定技术
    如果转速进一步的升高,进入超高速的领域,内嵌式结构始终会遇到瓶颈,这就必须采用表贴式磁极结构,其固定的方法有如下几种:非导磁护套、玻璃纤维护套、碳纤维护套。其中最有发展潜力的为碳纤维护套。
    碳纤维是通过缠绕的方式包裹在转子表面的,这样将离心力转换成了线的拉应力。对比玻璃纤维、芳纶纤维,碳纤维的抗拉强大很高的可以达到7GPa,许用设计强度也可以达到3GPa,因此能大大提升对永磁体的固定能力。碳纤维拥有这种优异性能,因此具备很大应用空间,现在各专业厂家正在攻关缠绕效率低、碳纤维隔热等问题。
    实践者心得体会
    作为一个久经沙场实践者,向前老师最后总结了他的实践体会,这里分享给大家:
    尽量采用以机械结构固定为主,粘结剂固定为辅的方法;
    第一:可以降低成本,省去胶水及涂胶设备的成本;
    第二:可以减少失效风险,胶水的 粘结强度受诸多因素影响且不具探测性。
    第三:胶水存在老化风险,影响电机使用寿命。
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