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高速电机一般是指转速超过rpm,或者转速与功率平方根的乘积大于1×10^5的电机,与中低速电机相比,具有转速高、体积小、功率密度大等优势,能有效减少材料成本;同时省去了增速装置而与负载直接相连,既节省空间又减小噪音,更为重要的是提高了传动系统的效率,是国际电工领域的主要研究方向之一。高速电机被广泛应用于高速磨床、储能飞轮、离心式压缩机、循环制冷、燃料电池和混合动力汽车等领域,同时是分布式发电系统中的重要组成部分,为飞机或舰载设备供电,减小飞机和船舰的体积重量,提高运动灵活性和载弹量。
表贴式高速永磁电机转子的保护措施主要有两种,一种是采用合金保护套,一种是采用轻质高强的碳纤维复合材料保护套,而保护套的预应力主要是由过盈配合形成,此时需要对转子静态和高速旋转时的应力分布进行分析,保证永磁体不被破坏。
由于高速永磁电机转子为圆形结构,碳纤维复合材料护套主要是将浸胶的碳纤维丝束按按规律缠绕到芯模表面,固化脱模后通过过盈装配到永磁体外表面,因此碳纤维护套的实际性能与缠绕成型工艺紧密相关,对纤维缠绕技术的研究就显得十分重要。
目前碳纤维护套主要是通过常规张力缠绕制备,然后采用与永磁体过盈的方式产生预应力。然而与合金材料不同的是,碳纤维复合材料是一种脆性材料,对于体积较小的转子而言,护套厚度和过盈量都较小,过盈装配实现起来较为复杂,且实际装配情况与设计计算会产生较大偏差,纤维层也容易产生损伤和裂纹。
在缠绕成型过程中,对纤维丝束施加一定的张力,缠绕到芯模上时能够保持伸直的状态,不会发生卷曲的现象,纤维的拉伸性能得以充分体现;同时施加张力会使纤维层产生一定的预应力,目前主要的应用领域是压力容器,通过纤维层产生的预应力抵消一部分内压,有效降低复合材料受压时的径向变形,提高容器的爆破压力,由于外层纤维会对内层结构产生径向的压紧作用,导致已缠绕的内层纤维发生应力松弛现象,因此通过设计合理的张力制度,如恒定张力制度、锥度张力制度、等力矩张力制度等等,使缠绕完成后复合材料层的剩余应力满足不同的需求。
根据国内外对表贴式高速永磁电机转子的研究可以发现,碳纤维复合材料护套的比强度比模量都比合金护套要高,在相同的转子上使用碳纤维复合材料护套所需的厚度最小,且复合材料的电导率比合金护套要低,转子的涡流损耗较小。碳纤维复合材料护套的不足之处在于散热性较差,但由于其较小的厚度和较低的涡流损耗,温升与合金护套转子相比更小,随着冷却技术和复合材料的发展,碳纤维护套的应用前景十分广泛。