CN102983680A - 一种风水混合冷却高速永磁电机 - Google Patents

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王天煜
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本发明一种风水混合冷却高速永磁电机，属于电机技术领域。该大功率高速永磁电机包括机壳、冷却水套、定子铁心、定子径向风道、定子内风道、电机转子、外转子轴流风扇、外转子风扇固定架及两个滑动轴承，其中定子铁心分两段，中间预留一个径向风道，定子槽内靠近气隙处留有内风道；冷却水套安装在定子机壳外，水套内设螺旋形的水道，水道从中间进水，由左、右螺旋形水道两端出水口出水。本发明不仅可以从机械上解决永磁体在高速旋转情况下受较大的拉应力而发生破碎的问题，还解决了大功率高速电机损耗密度大、热量难以散出、温升过高的问题，也避免了永磁体在高温情况下易发生不可逆退磁的问题。

Description

一种风水混合冷却高速永磁电机
技术领域
 本发明属于电机技术领域，涉及一种风水混合冷却高速永磁电机，该电机具有较高的可靠性，较好的散热系统，结构简单，转子强度高等特点，特别适合用作大功率的高速发电机和电动机。
背景技术
 高速电机由于转速高，功率密度大，体积小，可以有效地节约材料；由于转动惯量较小，所以动态响应较快；高速电机可与工作机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音和提高传动系统的效率。高速电机的研究与应用符合节能减排的经济发展需要，目前已成为国际电工领域的研究热点之一，在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、高速离心压缩机、鼓风机、航空航天等具有广泛的应用前景。
永磁电机以其结构简单、力能密度高、无励磁损耗、效率高等优点，最适合于高速电机。高速高频电机与普通电机相比设计难度较大，高速电机转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上，电机在高速旋转的情况下，空气和转子表面的摩擦会给电机带来很大的损耗，转子永磁体的涡流损耗也会很大，同时对高速永磁电机来说，定子铁心损耗和绕组损耗都高达数千瓦甚至上万瓦，造成电机温升过高，而永磁体在温度过高的情况下会发生不可逆退磁，给电机造成严重危害，因此电机的散热成为电机设计的核心问题之一。对于永磁电机来说，转子强度问题更为突出，因为永磁体不能承受高速旋转产生的拉应力而必须对其采取保护措施，转子设计及加工工艺也成为高速电机设计的难点之一。另外，为了减少离心力及产生需要的输出功率，转子一般为细长型，转子要求其额定转速跨越1阶弯曲临界转速，并小于2阶弯曲临界转速，因此转子动力学设计也是关键问题。
发明内容
 发明目的：本发明提供一种风水混合冷却高速永磁电机，其目的是解决以往的电机转子在高速旋转的情况下永磁体强度不够而易发生破损的问题以及大功率高密度电机损耗密度大、热量难以散出、温升过高而严重影响电机可靠性和运行寿命的问题，同时防止了高次谐波进入永磁体产生附加损耗，避免永磁体在高温情况下发生严重失磁甚至不可逆退磁，致使电机无法可靠运行的现象。
本发明是一种四极的永磁同步电机，定子槽型采用矩形槽，每极每相槽数为分数槽，绕组采用双层短距绕组，散热系统采用风冷和水冷相结合的方式，风冷采用径向和轴向混合通风的冷却方式，水冷采用周向的两路并联的螺旋管道，电机转子采用面贴式永磁体，永磁体保护套采用质量轻强度高的非导磁导电的碳纤维保护套，并在碳纤维保护套的内侧缠有一层薄薄的玻璃丝纤维，同时在碳纤维护套中加入一定量的导电粉末，碳纤维保护套与永磁体在液氮冷却下采用过盈配合，通过电磁和机械结构设计，使高速永磁电机达到性能要求，并解决上述存在的问题。
技术方案：
一种风水混合冷却高速永磁电机，包括机壳和设置在机壳内的定子与转子，机壳的两端分别设置有左端盖和右端盖，其特征在于：在机壳的外部设置有冷却水套，冷却水套的内部为周向螺旋水道；所述定子包括定子铁心、定子绕组及绕组压板，定子绕组设置在定子铁心上，绕组压板设置在定子的两端，定子铁心的径向的中间设置有径向风道，径向风道同设置在转子外围的轴向内风道连通；在机壳上设置有出风口，在转轴的两端设置有外转子风扇，外转子风扇的外转子轴流风扇叶片与出风口对应并能将内风道出来的风引至出风口。
转子由转子铁心、永磁体及碳纤维护套组成，转子铁心两端焊接在转轴上，永磁体贴在转子铁心的外圆表面，碳纤维护套包在永磁体外围；永磁体在转子铁心的轴向分成多段，永磁体外缠有一层玻璃丝纤维，玻璃丝纤维与高强度的碳纤维共同组成保护套，并与永磁体过盈配合。
在液氮冷却下永磁体与碳纤维护套实现过盈装配，永磁体在机加工后与碳纤维护套装配前进行径向充磁。
外转子风扇包括外转子轴流风扇叶片、外转子电机转子、外转子电机轴套、外转子电机滚动轴承、外转子电机定子及外转子电机螺杆；外转子轴流风扇叶片设置在外转子电机转子上，外转子电机转子设置在外转子电机定子的外围，外转子电机转子与连接在转轴上的外转子电机轴套相连并同步旋转，外转子电机轴套与转轴间隙要求大于转子气隙的2倍，便于转子装配，外转子电机定子固定在外转子轴流风扇固定架上，外转子轴流风扇固定架固定在机壳上。
在碳纤维保护套4中设置有导电粉末。
定子上用于设置绕组的定子槽为矩形槽，绕组分上、下两层，采用分数槽短距绕组，定子槽的槽口上部留有内风道，绕组嵌入定子槽中，定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。
电机由高压变频驱动。
周向螺旋水道两路并联，定子中间为进水口，水道两端为出水口。
本发明的有益效果是：
1.本发明的转子结构中永磁体保护套采用碳纤维复合材料，由于碳纤维复合材料具有密度小、拉伸强度大、受温度影响较小的特点，可以对永磁体在高温高速旋转的情况下更安全有效地保护；碳纤维保护套中加入一定量的导电粉末，可以对永磁体起到电磁屏蔽的作用，防止高次谐波磁场进入永磁体产生附加损耗，有利于减小转子永磁的涡流损耗和转子产生热量，防止永磁体温升过高发生严重失磁甚至不可逆退磁，致使电机无法安全可靠运行的现象，同时还可以增加电机效率；永磁体与护套在液氮冷却下采用过盈配合，使保护套对永磁体施加一定的预压力，用以抵消高速旋转离心力产生的拉应力，对永磁体与护套的过盈量进行优化设计，使永磁体在高温及高速旋转下始终承受压应力，防止永磁体在离心力作用下被拉碎，同时保证护套在离心力作用下仍能满足强度要求；碳纤维保护套的内层加入一层薄薄的密度较大玻璃丝纤维，可以减小永磁体极间间隙和永磁体轴向分段而在永磁体之间产生间隙，从而产生的弯曲应力，可以更加有效的对永磁体起到保护作用。
2．本发明的电机定子槽型采用矩形槽，绕组采用扁铜线双层短距绕组，不仅可以获得较大槽口尺寸，还可以大大提高电机槽的利用率，获得更大的内风道通风面积，从而使冷风与电机转子更多的接触和热量更好的传递，有助于减小电机转子温升，提高电机可靠性运行。定子每极每相槽数采用分数槽，可以避免因槽口尺寸较大而产生较大的齿槽转矩，减小电动机运行时的转矩波动、振动和噪声，使电机更稳定的运行。
3 本发明的电机冷却系统采用风冷与水冷相结合的方式，其中转子采用径向与轴向混合通风的冷却方式，冷却气体从定子铁心中间处径向风道流入，经过定子槽内的内风道及气隙带走转子热量，由电机转轴两侧的外转子轴流式风扇把热风抽出，从电机机壳上的出风口流到电机外侧，此设计的混合通风系统不仅解决了大功率高速电机转子损耗密度大、散热困难、易发生局部温升过高的问题，且能使转子温度更加均匀，避免转子出现较大的温度梯度，防止永磁体因温度过高造成不可逆退磁，致使电机无法正常运行的现象。定子采用两路并联的机壳水冷方式，在机壳上直接加工出螺旋水道，水道从机壳中间进水，两端出水，此种设计结构简单，散热效果好，解决了大功率高速电机定子损耗过大温升过高的问题，同时还避免水路过长造成较大的温度梯度，防止绕组温升过高而减少绕组绝缘寿命的问题。对于大功率高速电机风冷与水冷相结合的冷却方式，可以有效地解决高速电机体积小、损耗密度大、热量难以散出的问题，大大的提高的大功率高速电机的安全运行寿命。
 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的截面图。
图中：1.机壳，2.转子铁心，3.分段式永磁体，4.碳纤维保护套，5.径向风道，6.定子铁心，7.内风道，8.螺旋水道，9.水道外壳，10.定子压板，11.绕组端部，12.转轴，13.电机右端盖，14.滑动轴承，15.滑动轴承端盖，16.外转子轴流风扇叶片，17.外转子电机转子，18.外转子电机轴套，19.外转子电机滚动轴承，20.外转子电机定子，21.电机左端盖，22.外转子电机螺杆，23.外转子轴流风扇固定架，24.孔用弹性挡圈，25.定子绕组。
具体实施方式
下面结合附图对发明做进一步描述。
本发明提供一种风水混合冷却高速永磁电机，包括机壳1和设置在机壳1内的定子与转子，机壳1的两端分别设置有左端盖21和右端盖13，在机壳1的外部设置有冷却水套，冷却水套的内部为周向螺旋水道8；所述定子包括定子铁心6、定子绕组及绕组压板10，定子绕组设置在定子铁心6上，绕组压板10设置在定子的两端，定子铁心6的径向的中间设置有径向风道5，径向风道5同设置在转子外围的轴向内风道7连通；转子冷却气体经定子径向风道5进入气隙及内风道7，在机壳1上设置有出风口，在转轴12的两端设置有外转子风扇，外转子风扇的外转子轴流风扇叶片16与出风口对应并能将内风道7出来的风引至出风口。冷却风由两端轴流外转子风扇抽出，冷却电机转子。
定子冷却采用周向冷却水，冷却水安装在电机机壳外侧，周向螺旋水道8两路并联，定子中间为进水口，水道从中间进水，经左、右螺旋形水道8在两端出水口出水。在机壳1上直接加工出螺旋水道8，螺旋水道8采用周向水道，从机座中间进水，二端出水，此种设计方法解决了大功率高速电机定子损耗过大温升过高的问题，同时还避免水路过长造成较大的温度梯度，防止绕组内温升过高而减少绕组绝缘寿命问题，大大提高的电机的可靠性运行。
转子由转子铁心2、永磁体3及碳纤维护套4组成，转子铁心2两端焊接在转轴12上，永磁体3贴在转子铁心2的外圆表面，碳纤维护套4包在永磁体3外围；永磁体在转子铁心2的轴向分成多段，碳纤维保护套内侧缠有一层玻璃丝纤维，玻璃丝纤维与高强度的碳纤维共同组成保护套，并与永磁体过盈配合。
在液氮冷却下永磁体与碳纤维护套实现过盈装配，永磁体在机加工后与碳纤维护套装配前进行径向充磁。
外转子风扇包括外转子轴流风扇叶片16、外转子电机转子17、外转子电机轴套18、外转子电机滚动轴承19、外转子电机定子20及外转子电机螺杆22；外转子轴流风扇叶片16设置在外转子电机转子17上，外转子电机转子17设置在外转子电机定子20的外围，外转子电机转子17与连接在转轴上的外转子电机轴套18相连并同步旋转，外转子电机轴套18与转轴间隙要求大于转子气隙的2倍，便于转子装配，外转子电机定子20固定在外转子轴流风扇固定架23上，外转子轴流风扇固定架23固定在机壳1上。
定子上用于设置绕组的定子槽为矩形槽，绕组分上、下两层，采用分数槽短距绕组，定子槽的槽口上部留有内风道，绕组嵌入定子槽中，定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。
电机由高压变频驱动。
刚性转轴两端用滑动轴承支承。
如图1所示，机壳1上开有周向螺旋水道8，螺旋水道8外侧由水道外壳9包围，冷却水从机壳1中间处进水，经两路并联支路的螺旋管道8，从机壳两端流出，此种水路设计解决了大功率高速电机定子损耗过大温升过高的问题，防止了绕组内温升过高而减少绕组绝缘寿命的现象，同时还避免了水路过长造成较大的温度梯度；定子铁心6两端装有定子压板10，由定位轴肩及孔用弹性挡圈24安装在机壳1上，定子绕组25嵌入定子铁心6的定子槽中。定子槽型采用矩形槽，绕组采用扁铜线双层短距绕组，定子每极每相槽数采用分数槽，不仅可以获得较大槽口尺寸，提高槽的利用率，增加风路散热面积，从而使冷风与电机转子更多的接触和热量更好的传递，还可以避免因槽口尺寸较大而产生较大的齿槽转矩，减小电动机运行时的转矩波动，使电机更稳定的运行。
转子由转子铁心2、分段式永磁体3、碳纤维护套4及转轴12组成，其中转子铁心采用低碳钢材料，永磁体周向分为四段贴于转子铁心表面，永磁体间留有一定间隙，并用高强度隔磁胶固接，轴向分为若干段，碳纤维保护套4内侧缠有一层玻璃丝纤维，同时在碳纤维保护套4中加入一定量的导电粉末，在液氮冷却下与碳纤维护套筒过盈装配，使碳纤维护套4对永磁体3施加一定的预压力，用以抵消高速旋转离心力产生的拉应力，并使永磁体额定转速下在离心力作用下始终承受压应力，不仅从机械上有效的保护永磁转子，同时对永磁体有电磁屏蔽的作用，可以有效的防止高次谐波进入永磁体3产生附加损耗，减小转子产生热量；转子铁心2与转轴12焊接成一体，转轴12由两端滑动轴承14支承并安装在电机左端盖21、电机右端盖13中。
该电机设计的风冷系统，包括外转子风扇、径向风道5和内风道7，外转子风扇包括有外转子电机定子20、外转子电机转子17、外转子电机轴承19、外转子电机轴套18、风扇叶片16、螺杆22，冷却气体由定子铁心中间径向风道5经到达定子内风道7吸收电机转子热量后，由电机转轴两侧的外转子轴流式风扇把热风抽出，从电机机壳1上的出风口流到电机外侧，此设计方式，解决了大功率高速电机转子损耗密度大、散热困难、易发生局部温升过高的问题，且能使转子温度更加均匀，避免转子出现较大温度梯度，防止永磁体因温度过高发生严重失磁甚至不可逆退磁，致使电机无法正常运行的现象。

Claims (8)

1. 一种风水混合冷却高速永磁电机，包括机壳（1）和设置在机壳（1）内的定子与转子，机壳（1）的两端分别设置有左端盖（21）和右端盖（13），其特征在于：在机壳（1）的外部设置有冷却水套，冷却水套的内部为周向螺旋水道（8）；所述定子包括定子铁心（6）、定子绕组及绕组压板（10），定子绕组设置在定子铁心（6）上，绕组压板（10）设置在定子的两端，定子铁心（6）的径向的中间设置有径向风道（5），径向风道（5）同设置在转子外围的轴向内风道（7）连通；在机壳（1）上设置有出风口，在转轴（12）的两端设置有外转子风扇，外转子风扇的外转子轴流风扇叶片（16）与出风口对应并能将内风道（7）出来的风引至出风口。
2.根据权利要求1所述的一种风水混合冷却高速永磁电机，其特征在于：转子由转子铁心（2）、永磁体（3）及碳纤维护套（4）组成，转子铁心（2）两端焊接在转轴（12）上，永磁体（3）贴在转子铁心（2）的外圆表面，碳纤维护套（4）包在永磁体（3）外围；永磁体在转子铁心（2）的轴向分成多段，永磁体外缠有一层玻璃丝纤维，玻璃丝纤维与高强度的碳纤维共同组成保护套，并与永磁体过盈配合。
3.根据权利要求2所述的一种风水混合冷却高速永磁电机，其特征在于：在液氮冷却下永磁体与碳纤维护套实现过盈装配，永磁体在机加工后与碳纤维护套装配前进行径向充磁。
4.根据权利要求2所述的一种风水混合冷却高速永磁电机，其特征在于：外转子风扇包括外转子轴流风扇叶片（16）、外转子电机转子（17）、外转子电机轴套（18）、外转子电机滚动轴承（19）、外转子电机定子（20）及外转子电机螺杆（22）；外转子轴流风扇叶片（16）设置在外转子电机转子（17）上，外转子电机转子（17）设置在外转子电机定子（20）的外围，外转子电机转子（17）与连接在转轴上的外转子电机轴套（18）相连并同步旋转，外转子电机轴套（18）与转轴间隙要求大于转子气隙的2倍，便于转子装配，外转子电机定子（20）固定在外转子轴流风扇固定架（23）上，外转子轴流风扇固定架（23）固定在机壳（1）上。
5.根据权利要求2所述的一种风水混合冷却高速永磁电机，其特征在于：在碳纤维保护套4中设置有导电粉末。
6.根据权利要求1所述的一种风水混合冷却高速永磁电机，其特征在于：定子上用于设置绕组的定子槽为矩形槽，绕组分上、下两层，采用分数槽短距绕组，定子槽的槽口上部留有内风道，绕组嵌入定子槽中，定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。
7.根据权利要求1所述的一种风水混合冷却高速永磁电机，其特征在于：电机由高压变频驱动。
8.根据权利要求1所述的一种风水混合冷却高速永磁电机，其特征在于：周向螺旋水道（8）两路并联，定子中间为进水口，水道两端为出水口。
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