CN101741198B - 高功率密度强制风冷高频永磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，涉及到电机技术领域。它解决了现有高频永磁同步电机存在的可靠性低、冷却性能差、电机定转子的高频损耗大、损耗分布不合理的问题。本发明的电机由具有定子冷却轴向通风道的机壳、具有轴向通风孔的端盖、电枢部件、转子和转子支撑轴承构成；电枢部件主要由定子铁心、电枢绕组、绝缘以及槽楔组成，槽楔外表面及槽口两侧面沿轴向光滑、无障碍，形成转子冷却轴向通风道。转子由永磁体、转轴以及永磁体护套组成。本发明的同步电机既可以作为高速电动机使用，也可以作为高速发电机使用，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及到一种高频永磁同步电机的结构。
背景技术
由于高频电机的转速高和功率密度大，因此高频电机的几何尺寸远小于同功率的中低频电机，成为电机领域的研究热点。目前，高频电机的应用领域越来越广泛，如高速磨床及其他加工机床、高速飞轮储能系统、天然气输送及污水处理中采用的高速离心压缩机和鼓风机等。近来，用于分布式供电系统的微型燃气轮机驱动高频发电机越来越受到人们的关注。永磁同步电机由于其结构简单、效率与功率密度高和无励磁损耗等优点，最适合用于高频电机。
图8为现有传统的高频永磁同步电机的结构。高频电机一般选用的稀土永磁体为烧结钕铁硼，不能承受大的拉应力，如果没有保护措施，永磁体无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力。保护永磁体的方法之一，是在永磁体外面加一高强度非导磁金属保护套，永磁体与护套间采用过盈配合。另外一种保护方法是采用碳纤维绑扎永磁体。采用非导磁金属护套的优点是能够对高频磁场起到一定的屏蔽作用，并能减小永磁体和转子轭中的高频附加损耗，同时导热性能较好，有利于永磁体的散热；其缺点是护套为导电体，会产生涡流损耗。碳纤维非金属护套的优点是不会在其中产生涡流，缺点是其对高频磁场没有屏蔽作用，高频磁场会在永磁体及转子轭中产生高频附加损耗。
由于定子铁心的齿槽结构造成的气隙不均匀和定子电流电枢反应磁场的谐波分量，将在永磁转子、转子护套和转子轭中产生较大的附加损耗。特别是定、转子表面由于高频旋转产生的风摩损耗在总损耗中所占有较大的比重。同时，由于电机的漏抗小，绕组电流谐波分量大，电机定转子的高频损耗增加，使得整个高频电机的效率与功率密度低、定转子温升高、可靠性差，电机的冷却困难。
发明内容
为了解决现有高频永磁同步电机存在的可靠性低、冷却性能差、电机定转子的高频损耗大、损耗分布不合理的问题，本发明提出一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机。
本发明的高功率密度强制风冷高频永磁同步电机是内转子结构，它包括机壳、端盖、电枢部件、转子和转子支撑轴承，所述机壳上有冷却轴向通风道，所述；冷却轴向通风道沿机壳圆周方向均布，所述端盖上有轴向通风孔，并且所述机壳上的冷却轴向通风道的两 端与端盖上的轴向通风孔相对应；转子由永磁体、转轴以及永磁体护套组成；定子铁心内表面与永磁体护套外表面之间为气隙，所述冷却轴向通风道内固定有一个或多个轴向长条形散热筋，散热筋的径向高度与冷却轴向通风道径向高度之比为0.4～1.0。
本发明的高功率密度强制风冷高频永磁同步电机采用强制风冷，结构上具有冷却定子与转子的双通风道，冷却效果好，电机的温升低、可靠性高、功率密度大；通过合理地设计定转子尺寸及绕组参数，可以有效地减小损耗、提高效率；通过在绕组中串入电抗器，可以减小绕组电流谐波分量，降低电机定转子的高频损耗。
本发明的高功率密度强制风冷高频永磁同步电机既可以作为电动机应用，也可以作为发电机应用。
附图说明
图1是具体实施方式二、三所述机壳的一种结构示意图，图2是与图1所示的机壳结构对应的端盖10的结构示意图。图3是具体实施方式四所示的电枢部件的结构示意图。图4是具体实施方式七所述的线圈缠绕示意图。图5是具体实施方式七所述的线圈在槽内的位置关系示意图。图6是有一个中性点的电枢绕组连接示意图。图7是有三个中性点的电枢绕组连接示意图。图8是绕组与电抗器的联结关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，它包括机壳、端盖10、电枢部件、转子和转子支撑轴承，其特征在于，所述机壳上有冷却轴向通风道23，所述；冷却轴向通风道23沿机壳圆周方向均布，所述端盖10上有轴向通风孔11，并且所述机壳上的冷却轴向通风道23的两端与端盖10上的轴向通风孔11相对应；转子由永磁体、转轴以及永磁体护套组成；定子铁心内表面与永磁体护套外表面之间为气隙。
本实施方式中端盖上的轴向通风孔11的形状与机壳内的冷却轴向通风道23的横截面的形状相同，可以为扇形或圆形等。
本实施方式中的同步电机的机壳内设置有通风道，增加了电机机壳的散热能力。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，所述机壳由圆筒形外套21、圆筒形内套25和多个中间支撑筋22构成，所述多个支撑筋22为长条形，所述多个支撑筋22均与电机的轴线相平行，并且沿圆周方向均匀布置固定在圆筒形外套21与圆筒形内套25之间，所述多个支撑筋22与圆筒形外套21和圆筒形内套25之间形成多个冷却轴向通风道23。
本实施方式中的圆筒形外套21、圆筒形内套25与中间支撑筋22采用导热性好的金属材料。
与本实施方式所述的机壳结构对应的端盖10的结构参见图2所示，端盖10上的轴向通风孔11与图1所示的机壳上的冷却轴向通风道23的截面形状相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，所述冷却轴向通风道23内固定有一个或多个轴向长条形散热筋24，散热筋24的径向高度与冷却轴向通风道23径向高度之比为0.4～1.0。
当有多个轴向长条形散热筋24时，所述多个轴向长条形散热筋24沿周向均匀分布。
参见图2，是本实施方式所述的机壳的一种具体结构，其中散热筋24固定在圆筒形内套25的在侧壁上。
本实施方式在冷却轴向通风道23内增设了散热筋24，能够增加然热功率。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，电枢部件包括定子铁心1、电枢绕组2、绝缘以及槽楔3；定子铁心槽口宽度为1.2mm～3mm；槽口高度为0.5mm～3mm；槽楔外表面及槽口两侧面沿轴向光滑、无障碍，形成转子冷却轴向通风道。
参见图3，本实施方式在电枢部件中增加了固定形状的槽楔3，使所述槽楔3形成一个道，用于实现转子的冷却通风。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，所述定子铁心内径与外径之比为0.3～0.5；转子极距与定子铁心齿距之比为2m～6m，其中，m为电机的相数；转子中的永磁体7固定在转轴6上，永磁体护套8固定在永磁体7外。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，转子和定子之间的气隙长度L和非磁性转子护套厚度D之和为转子中的永磁体厚度的1～3倍。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一、二、三、四五或六所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，电枢绕组2为星型联结的多相对称绕组，每相绕组由多个线圈组成，每个线圈由多股导线并联绕制而成，每个线圈的两个有效边导体中的所有股导线在槽内沿径向排列顺序相反。。
使每个线圈的两个有效边导体中的所有股导线在槽内沿径向排列顺序相反的手段为：在线圈端部将线圈旋拧180°，对所有导线进行换位。
参见图4所示，为同心式绕组结构的一个线圈的缠绕方式示意图，在将多股导线9缠绕成线圈的过程中，当缠绕到线圈端部A时，将所述多股导线9延其中心线旋转旋拧180°，然后再继续缠绕。经上述方法缠绕获得的线圈的两个有效边导体中的所有股导线在槽内沿径向排列顺序相反，参见图5所示，设位于左侧的导线从下至上依次为：第1股、第2股、第3股和第4股，则在右侧的导线从下至上依次为：第4股、第3股、第2股和第1股。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，所述线圈中每股导线的直径为0.2mm～0.8mm。
由于每相绕组中的线圈是由多股导线组成并联构成，因此每相绕组都有多个支路，因此可以形成1个或多个中性点。
参见图6、图7所示，其中图6是有一个中性点的电枢绕组连接示意图，图7为有三个中性点的电枢绕组连接示意图。
具体实施方式九：本实施方式与一至八任意一个具体实施方式所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，电枢绕组的各输出端均串联有电抗器5。
具体实施方式十：本实施方式与一至九任意一个具体实施方式所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，永磁体护套采用硅钢片叠成或由非磁性金属材料制作。
具体实施方式十一：本实施方式与一至十任意一个具体实施方式所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机的区别在于，转子支撑轴承为机械滚动轴承、磁悬浮轴承或气浮轴承。
Claims (9)
1.一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，它包括机壳、端盖(10)、电枢部件、转子和转子支撑轴承，所述机壳上有冷却轴向通风道(23)，所述冷却轴向通风道(23)沿机壳圆周方向均布，所述端盖(10)上有轴向通风孔(11)，并且所述机壳上的冷却轴向通风道(23)的两端与端盖上的轴向通风孔(11)相对应；转子由永磁体、转轴以及永磁体护套组成；定子铁心内表面与永磁体护套外表面之间为气隙，其特征在于，所述冷却轴向通风道(23)内固定有一个或多个轴向长条形散热筋(24)，散热筋(24)的径向高度与冷却轴向通风道(23)径向高度之比为0.4～1.0。
2.根据权利要求1所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，其特征在于，所述机壳由圆筒形外套(21)、圆筒形内套(25)和多个中间支撑筋(22)构成，所述多个支撑筋(22)为长条形，所述多个支撑筋(22)均与电机的轴线相平行，并且沿圆周方向均匀布置固定在圆筒形外套(21)与圆筒形内套(25)之间，所述多个支撑筋(22)与圆筒形外套(21)和圆筒形内套(25)之间形成多个冷却轴向通风道(23)。
3.根据权利要求1所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，其特征在于，电枢部件包括定子铁心(1)、电枢绕组(2)、绝缘以及槽楔(3)；定子铁心槽口宽度为1.2mm～3mm；槽口高度为0.5mm～3mm；槽楔外表面及槽口两侧面沿轴向光滑、无障碍，形成转子冷却轴向通风道。
4.根据权利要求1所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，其特征在于，所述定子铁心内径与外径之比为0.3～0.5；转子极距与定子铁心齿距之比为2m～6m，其中，m为电机的相数；转子中的永磁体(7)固定在转轴(6)上，永磁体护套(8)固定在永磁体(7)外。
5.根据权利要求1所述的一种高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，其特征在于，转子和定子之间的气隙长度L和非磁性转子护套厚度D之和为转子中的永磁体厚度的1～3倍。
6.根据权利要求3所述的高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，其特征在于电枢绕组为星型联结的多相对称绕组，每相绕组由多个线圈组成，每个线圈由多股导线并联绕制而成，每个线圈的两个有效边导体中的所有股导线在槽内沿径向排列顺序相反。
7.根据权利要求6所述的高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，其特征在于所述线圈中每股导线的直径为0.2mm～0.8mm。
8.根据权利要求1所述的高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，其特征在于电枢绕组的各输出端均串联有电抗器。
9.根据权利要求1所述的高功率密度强制风冷高频永磁同步电机，其特征在于转子 支撑轴承为机械滚动轴承、磁悬浮轴承或气浮轴承。
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