CN101777810A - 高速永磁同步电机的自内冷转子 - Google Patents

Abstract

高速永磁同步电机的自内冷转子，涉及到电机技术领域。它解决了现有高速永磁同步电机存在的转子冷却性能差、可靠性低等问题。本发明的极数是2P，转轴沿轴向分成轴端、轴肩和轴身三部分，永磁体固定在轴身上，永磁体形成的主磁极的极弧系数小于82%，相邻两极永磁体的侧面以及位于所述两个侧面之间的轴身的外表面和永磁体护套3的内表面之间形成轴向通风道，在每个轴肩上设置有2P个与通风道相连通的轴向通风孔。两侧轴肩上的轴向通风孔的倾斜方向可不同，一侧为逆着转子旋转方向，在轴肩通风孔外侧加工形成挡风面；另一侧为顺着转子旋转方向，在其轴肩通风孔的外侧加工形成顺风面。本发明的转子结构简单、冷却效果好，可应用于现有高速永磁电机。

Description

高速永磁同步电机的自内冷转子

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及到一种高速永磁同步电机的转子结构。

背景技术

由于高速电机的转速高和功率密度大，因此高速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，高速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速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，最适合用于高速电机。

图17为现有传统的高速永磁同步电机的结构。高速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速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、转子表面由于高速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，电机转子的高频损耗增加。

由于转子被温度较高的定子所包围，定转子之间的气隙小，气隙中空气的轴向流速低，使得转子的冷却困难，转子温升高、可靠性差，严重时，会引起永磁体的不可逆去磁。因此，在高速、高功率密度电机中，转子的冷却极为重要。

发明内容

为了解决现有高速永磁同步电机存在的转子冷却性能差、可靠性低等问题，本发明提出一种高速永磁同步电机的自内冷转子。

本发明的高速永磁同步电机的自内冷转子由永磁体、转轴和永磁体护套组成，所述转轴沿轴向分成轴端、轴肩和轴身三部分，轴身位于轴的中间位置，轴身的两端分别设置有两个轴肩，所述两个轴肩的两侧是两个轴端；轴肩的直径大于轴端的直径，轴肩的直径大于轴身的直径；其特征在于，所述自内冷转子的极数是2P，永磁体固定在轴身的外表面上，所述永磁体形成的主磁极的极弧系数小于82%，永磁体护套套在永磁体外，相邻两极永磁体的侧面以及位于所述两个侧面之间的轴身的外表面和永磁体护套的内表面之间形成轴向通风道，一共形成2P个轴向通风道，在每个轴肩上设置有2P个轴肩通风孔，每个轴肩通风孔与一个轴向通风道相连通。

本发明在保持转子励磁性能以及自身刚度的前提下，充分利用转子内空间形成轴向通风道，利用转子自身高速旋转形成轴向风压，使空气在转子轴向通风道内流动，直接冷却转子，通过流动空气带走永磁体与护套中的热量，降低转子温度，提高转子冷却性能和可靠性，延长电机寿命。

本发明的转子具有结构简单、实施容易、冷却效果好等优点，在高速永磁电机中具有良好的应用前景。

附图说明

图1是至图5是具体实施方式二所述的转子结构示意图，其中图1是永磁体护套3位于永磁体2外侧时的转子结构示意图。图2是图1的右视图。图3是永磁体护套3位于永磁体2和轴肩1-2外侧时的结构示意图。图4是图3右视图。图5是图3的A-A剖视图。图6是具体实施方式五所述的转子结构图，图7是图6的B-B剖视图。图8至图10和图12是具体实施方式三所述的转子结构。其中，图8是转子的极数是2、永磁体护套3只套在永磁体2外侧的结构示意图，图9是图8的D-D剖视图，图10是图8的E-E剖视图，图12是永磁体护套3同时套在永磁体和轴肩外部的情况时的转子结构示意图。图11是转子结构是具体实施方式五中所述的结构时，突8的E-E剖视图。图13是具体实施方式七所述的转子结构示意图，图14是图13的C-C剖视图。图15是具体实施方式十所述的转子结构示意图，图16是图15的F-F剖视图。图17是现有转子结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：    本实施方式所述的高速永磁同步电机的自内冷转子由永磁体2、转轴1以及永磁体护套3组成，所述转轴1沿轴向分成轴端1-1、轴肩1-2和轴身1-3三部分，轴身1-3位于轴的中间位置，轴身1-3的两端分别设置有两个轴肩1-2，所述两个轴肩1-2的两侧是两个轴端1-1；轴肩1-2的直径大于轴端1-1的直径，轴肩1-2的直径大于轴身1-3的直径；所述自内冷转子的极数是2P，永磁体2固定在轴身1-3的外表面上，所述永磁体2形成的主磁极的极弧系数小于82%，永磁体护套3套在永磁体2外，相邻两极永磁体的侧面以及位于所述两个侧面之间的轴身1-3的外表面和永磁体护套3的内表面之间形成轴向通风道4，一共形成2P个轴向通风道4，在每个轴肩1-2上开有2P个轴肩通风孔5，每个轴肩通风孔5与一个轴向通风道4相连通。

本实施方式中的转子内部有多个轴向通风道4，并且每个轴向通风道4的两端分别通过轴肩通风孔5与转子外部连通，使得转子在旋转时，利用转子自身高速旋转形成轴向风压促使空气在转子的轴向通风道内流动，直接冷却转子。

具体实施方式二：    本实施方式与具体实施方式一所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述轴肩通风孔5为轴向通风孔。

参见图1-图5是当所述转子的极数是2时，本实施方式所述转子结构示意图。其中，图1是永磁体护套3位于永磁体2外侧时的结构示意图，图2是图1的右视图。图3是永磁体护套3位于永磁体2和轴肩1-2外侧时的结构示意图，图4是图3右视图。图5是图3的A-A剖视图。

具体实施方式三：    本实施方式与具体实施方式一所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述轴肩通风孔5的一端位于轴肩的圆周面上，且与转子外部连通；所述轴肩通风孔5的一端位于轴肩的内侧面，且与轴向通风道4连通。

参见图8-图10和图12是当所述转子的极数是2时，本实施方式所述的转子结构示意图。图8是永磁体护套3只套在永磁体2外侧时的情况，该图中的轴肩通风孔5为L形，图9是图8的D-D剖视图，从图9是可以看出，轴肩通风孔5与轴向通风道4连通的端口，图10是图8的E-E剖视图，从图8-10可知，所述轴肩通风孔5是由一个轴向孔和一个径向孔连通组成。图12是永磁体护套3同时套在永磁体和轴肩外部时的结构示意图，此时，在永磁保护套3上与轴肩通风孔5相对应的位置设置有孔，使得轴肩通风孔5能够与转子外部连通。

本实施方式中所述的转子结构，更适用于轴肩比较宽的情况。

具体实施方式四：    本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，位于轴身1-3一侧的轴肩1-2上的轴肩通风孔5为进风孔，位于轴身1-3另一侧的轴肩1-2上的通风孔为出风孔。

具体实施方式五：     本实施方式与具体实施方式四所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述进风孔的中心线向转子旋转的反方向倾斜，所述出风孔的中心线向转子的旋转方向倾斜。

当所述轴肩通风孔5向转子旋转方向倾斜时，使得转子在旋转时，轴肩通风孔5朝向迎风侧，使转子外部气流能够顺着轴肩通风孔5流入到转子内侧。相反。当所述轴肩通风孔5向转子旋转的反方向倾斜时，使得转子在旋转时，轴肩通风孔5朝向背风侧，使转子内部的气流在转子外部气流的带动下更容易从转子内流出到转子外侧。

本实施方式中，通过改变轴肩通风孔5的方向，使所述轴肩通风孔5更适用于进风或者出风，使得气流能够从转子外部顺利流入或流出转子内部，增强转子冷却效果。

本实施方式中所述的“倾斜”，是指；以相应的通风孔与轴向通风道4相邻的一端为基准不动，然后移动所述通风孔的另一端，进而使所述通风孔倾斜。

当本实施方式中的轴肩通风孔5是具体实施方式二所述的结构时，参见图6和图7所示，从图6中可知，该转子的旋转方向为顺时针，图7中左侧的轴肩通风孔5为进风孔，所述进风孔是以其位于轴肩内表面的一端（基与轴向通风道4相邻的一端）为基准，移动所述轴肩通风孔5位于轴肩外表面的一端向转子旋转方向（图7中为向下）倾斜而成。图7中右侧的轴肩通风孔5为出风孔，所述出风孔是以其位于轴肩内表面的一端（基与轴向通风道4相邻的一端）为基准，移动所述轴肩通风孔5位于轴肩外表面的一端向转子旋转的反方向（图7中为向上）倾斜而成。

当本实施方式中所述的轴肩通风孔5是具体实施方式三所述的结构时，参见图11所示，该图所示的是图8中右侧的轴肩上的轴肩通风孔5的结构，该轴肩通风孔5是出风孔，该出风孔是以其位于轴肩内表面的一端（即：与轴向通风道4相邻的一端）为基准，移动所述轴肩通风孔5位于轴肩圆周表面的一端向转子旋转的反方向（图11中为向逆时针）倾斜而成。

具体实施方式六：     本实施方式与具体实施方式四所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述进风孔的外侧加工有挡风面；所述出风孔的外侧加工有顺风面。

本实施方式中的进风孔的外侧加工有挡风面，使得在转子旋转时，转子外的气流能够顺着挡风面进入转子，增强通风效果。所述出风孔的外侧加工有顺风面，使得在转子旋转时，转子内的气流能够顺着顺风面流出转子，增强通风效果。

具体实施方式七：    参见图13说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，在相邻两极永磁体之间的永磁体护套3的侧壁上设置有若干个径向通风孔6。

本实施方式在永磁体护套3上增加了径向通风孔6，在圆周方向增加了轴向通风道4与转子外部连通的途径，使转子内外部的空气流动更顺畅，冷却效果更好。

图13是本实施方式所述的转子的正视图。

具体实施方式八：    参见图13、14说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式七所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述永磁体护套3上的每个径向通风孔6的中心线与永磁体护套3的表面相垂直。

参见图14所示，图14表示当所述转子的极数是2时，图13的C-C剖视图，该图中的径向通风孔6的中心线均与永磁体护套3的表面相垂直。

本实施方式中的径向通风孔6的中心线与永磁体护套3的表面相垂直，不受转子转向的影响，即：在转子正转或者反转的情况下，通风效果都是一样的。

具体实施方式九：    本实施方式与具体实施方七所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，位于轴肩1-2上的轴肩通风孔5为进风孔，位于永磁体护套3上的径向通风孔6为出风孔。

本实施方式中的进风孔的结构可以采用具体实施方式五所述的进风孔的结构。

本实施方式仅适用于转子向一个方向旋转的情况。

具体实施方式十：    本实施方式与具体实施方式九所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述永磁体护套3上的每个径向通风孔6的中心向转子旋转的反方向倾斜。

本实施方式中的径向通风孔6作为出风口，结构与具体实施方式五所述的出风口的结构相同。参见图15和图16所示，图16是图15的F-F剖视图，从图16可知，该转子的运动方向为顺时针旋转，本实时方式中将径向通风孔6作为出风孔，其是向转子旋转的反方向倾斜的，具体结构为：该径向通风孔6以其位于永磁体护套3内表面的一端（即：与轴向通风道4相邻的一端）为基准，移动所述径向通风孔6位于永磁体护套3外表面的一端向转子旋转的反方向（图16中为逆时针）倾斜而成。

本实施方式中的径向通风孔6位于转子圆周面上，并且数量比较多。本实施方式中采用轴肩上的轴肩通风孔作为进风孔，然后采用圆周上的多个径向通风孔作为出风孔，增加的气流的流通面积，进而增强了冷却效果。

本实施方式适用于在工作过程中只沿同一个方向旋转的转子。

具体实施方式十一：         本实施方式与具体实施方七所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，位于永磁体护套3上的径向通风孔6为进风孔，轴肩1-2上的轴肩通风孔5为出风孔。

本实施方式中的出风孔的结构可以采用具体实施方式五所述的出风孔的结构。

具体实施方式十二：         本实施方式与具体实施方式十一所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述永磁体护套3上的每个径向通风孔6的中心向转子旋转方向倾斜。

本实施方式中的径向通风孔6作为进风口，结构与具体实施方式五所述的进风口的结构相同。

本实施方式中的径向通风孔6位于转子圆周面上，并且数量比较多。本实施方式中采用轴肩上的轴肩通风孔作为出风孔，然后采用圆周上的多个径向通风孔作为进风孔，增加的气流的流通面积，进而增强了冷却效果。

本实施方式适用于在工作过程中只沿同一个方向旋转的转子。

具体实施方式十三：         本实施方式与具体实施方式一至十二任意一个实施方式所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述永磁体2是由多个瓦片形永磁体拼成而成的。

具体实施方式十四：         本实施方式与具体实施方式一至十三任意一个实施方式所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，永磁体护套3采用硅钢片叠成或非磁性金属材料制成。

具体实施方式十五：         本实施方式与具体实施方式一至十四任意一个实施方式所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，转轴1采用导磁性能好的金属材料制作。

具体实施方式十六：         本实施方式与具体实施方式一至十五任意一个实施方式所述的高速永磁同步电机的自内冷转子的不同点在于，所述永磁体2为瓦片形的永磁体。

本发明的技术方案，不局限于上述实施例，还包括上述各实施例中所描述的技术特征的合理组合。

Claims (10)

1.一种高速永磁同步电机的自内冷转子，它由永磁体（2）、转轴（1）和永磁体护套（3）组成，所述转轴（1）沿轴向分成轴端（1-1）、轴肩（1-2）和轴身（1-3）三部分，轴身（1-3）位于轴的中间位置，轴身（1-3）的两端分别设置有两个轴肩（1-2），所述两个轴肩（1-2）的两侧是两个轴端（1-1）；轴肩（1-2）的直径大于轴端（1-1）的直径，轴肩（1-2）的直径大于轴身（1-3）的直径；其特征在于，所述自内冷转子的极数是2P，永磁体（2）固定在轴身（1-3）的外表面上，所述永磁体（2）形成的主磁极的极弧系数小于82%，永磁体护套（3）套在永磁体（2）外，相邻两极永磁体的侧面以及位于所述两个侧面之间的轴身（1-3）的外表面和永磁体护套（3）的内表面之间形成轴向通风道（4），一共形成2P个轴向通风道（4），在每个轴肩（1-2）上设置有2P个轴肩通风孔（5），每个轴肩通风孔（5）与一个轴向通风道（4）相连通。

2.根据权利要求1所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，所述轴肩通风孔（5）为轴向通风孔。

3.根据权利要求1所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，所述轴肩通风孔（5）的一端位于轴肩的圆周面上，且与转子外部连通；所述轴肩通风孔（5）的一端位于轴肩的内侧面，且与轴向通风道（4）连通。

4.根据权利要求1、2或3所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，位于轴身（1-3）一侧的轴肩（1-2）上的轴肩通风孔（5）为进风孔，位于轴身（1-3）另一侧的轴肩（1-2）上的通风孔为出风孔。

5.根据权利要求4所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，所述进风孔向转子的旋转方向倾斜，所述出风孔向转子旋转的反方向倾斜。

6.根据权利要求4所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，所述进风孔的外侧加工有挡风面；所述出风孔的外侧加工有顺风面。

7.根据权利要求1所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，在相邻两极永磁体之间的永磁体护套（3）的侧壁上设置有若干个径向通风孔（6）。

8.根据权利要求7所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，所述永磁体护套（3）上的每个径向通风孔（6）的中心线与永磁体护套（3）的表面相垂直。

9.根据权利要求7所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，位于轴肩（1-2）上的轴肩通风孔（5）为进风孔，位于永磁体护套（3）上的径向通风孔（6）为出风孔。

10.根据权利要求9所述的高速永磁同步电机的自内冷转子，其特征在于，所述永磁体护套（3）上的每个径向通风孔（6）的中心向转子旋转的反方向倾斜。

Images