CN103023217B - 大功率高速永磁同步电机的整机风路结构 - Google Patents

Abstract

本发明大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构，包含相互配合的电机和冷却器，所述电机包含定子和转子，所述定子环绕所述转子、中间具有气隙，所述转子包含转子轴和转子极，转子极包含永磁磁钢和磁极，其特征在于，定子上设置有径向通风道；转子采用焊筋轴结构，焊筋之间的空间形成腰形通风孔；转子的转子极间开设有数排径向通风孔，转子的转子轴的两侧还安装有轴流式风扇。无论转子是实心结构还是叠片结构，本发明都能防止磁钢局部过热，防止磁钢不可逆失磁，提高电机的工作可靠性；同时不增加气隙长度，减少磁钢的用量，减小整机风路的风阻并且能满足充分冷却定子的需要。

Description

大功率高速永磁同步电机的整机风路结构

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体涉及大功率高速永磁同步电机的整机风路结构。

背景技术

目前，大功率高速同步电动机的转子多为叠片磁极结构，加工、制造的时间、成本均较高。为了降低转子加工、制造的时间和成本，一些厂家采用实心磁极的结构来代替叠片磁极结构，但是这种替代会造成转子磁极表面涡流损耗的增加。并且如果转子永磁体之间若存在间隙，相互之间存在较大的排斥力，影响磁钢的装配，所以转子侧一般没有径向的冷却风路，无径向通风槽结构。参见图1和图2。图1显示现有的一种大、中型异步电机径向通风冷却结构，图2进一步显示电机的典型的径向通风冷却结构。如图1和图2所示，为了冷却实心磁极结构的永磁电机转子，转子只能采用在转子轭部打孔的轴向通风结构。

另一方面，如图3所示，在大功率高速同步电动机领域，定子侧为了通风散热效果考虑，一般采用径向通风方式冷却，由于转子无径向的冷却风路，为了保证定子侧的冷却效果，保证足够的冷却风量，只能增加气隙通风面积；同时气隙通风面积不足，则转子侧表面的涡流损耗发热也不能及时散出，会造成磁钢发热，严重时磁钢将产生不可逆的退磁。增加气隙通风面积，即增加气隙长度，但这会增加磁钢的用量，反过来又增加了制造成本。

再一方面，在大功率高速同步电动机领域，如图4所示，虽然有时同时采用径向通风和轴向通风，但由于转子铁心较长，因此如果转子轴向通风面积较大，则会影响气隙通风冷却效果，影响定子、磁钢的冷却；如果转子轴向通风面积较小，则会增加风路的风阻，增加冷却器等外置部件的成本，这给大功率高速同步电动机的设计带来了诸多限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构，其无论转子是实心结构还是叠片结构，都能防止磁钢局部过热，防止磁钢不可逆失磁，提高电机的工作可靠性；同时不增加气隙长度，减少磁钢的用量，减小整机风路的风阻，并且能满足充分冷却定子的需要。

本发明采用如下技术方案：

一种大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构，包含相互配合的电机和冷却器，所述电机包含定子和转子，所述定子环绕所述转子、中间具有气隙，所述转子包含转子轴和转子极，转子极包含永磁磁钢和磁极，其特征在于：

所述定子上设置有径向通风道；

所述转子采用焊筋轴结构，焊筋之间的空间形成腰形通风孔；

所述转子的转子极间开设有数排径向通风孔，所述转子的转子轴的两侧还安装有轴流式风扇；

冷却风由两侧对吹的轴流式风扇流出，两边对称的从冷却器流向转子，进入转子焊筋之间的腰形通风孔；之后冷却风在转子高速旋转的离心力作用下沿转子极间的径向通风孔流向气隙；气隙中的冷却风在风压的驱动下沿气隙表面流向相邻的定子径向通风道，最终从电机轴向的中间处回到冷却器。

进一步，所述径向通风孔的排布可以呈现为中间密集、两侧稀疏。

进一步，所述转子极间开设的径向通风孔与定子上的径向通风道可以在轴向上不对齐。

进一步，所述转子极的磁极可以为实心磁极。

本发明大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构的优点是：

（1）通过使转子采用焊筋轴结构，利用焊筋之间的空间作为腰形通风孔，由于焊筋轴结构焊筋之间的空间较大，因此既能通风，也能减小转子一侧的风阻。

（2）考虑到永磁电机转子无法采用径向通风槽板的结构，本发明结合实心磁极的转子结构，在转子极之间打多排径向通风孔，作为转子径向通风的通路，等效的代替转子径向通风槽，使冷却风在转子高速旋转的离心力作用下从径向通风孔甩出，流向气隙，这样即使选用小气隙的电磁方案，仍能保证足够的径向冷却风量。

（3）电机整体风路为两侧对称的冷却通风结构，发热最严重的是电机铁心的中间部分。本发明通过使转子极间径向通风孔的排布呈现中间密集、两侧稀疏，加强了电机铁心中间部分的冷却效果。

（4）由于高次谐波磁场、负序磁场会在转子表面产生涡流损耗，所以转子表面的散热及其重要，如热量不能及时散出，会导致磁钢温度升高，容易导致磁钢产生不可逆退磁，所以转子表面的通风冷却是整机风路冷却的关键点。本发明通过使转子极间径向通风孔的位置与定子径向通风道的位置在轴向上不对齐，增加了气隙通风冷却的面积，增强了冷却效果。冷却风从转子径向通风孔甩出后，在风压的驱动下，强迫流向相邻的定子径向通风道，同时冷却流经的转子表面，有效的控制了磁钢的工作温度。

附图说明

图1是现有的一种大、中型异步电机径向通风冷却结构。

图2是电机的典型的轴向通风冷却结构。

图3是电机的典型的径向通风冷却结构。

图4是电机的典型的径-轴向通风冷却结构。

图5是本发明大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构的冷却结构示意图。

图6是本发明大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构中电机内的风速分布示意图。

图7是本发明大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构中转子的径向通风孔位置的压头分布示意图。

图8是本发明大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构中转子的温度分布示意图。

附图标号说明：

1、冷却器；       2、挡风圈；      3、轴流式风扇；     4、永磁磁钢 ；  5、磁极；

6、径向通风孔；    7、转子轴；     8、定子径向通风槽板；  9、转子极；

10、径向通风道；   20、电机；     21、定子；  22、转子；   23、气隙；

F1，F2，F3，F4、风区；

C1，C2，C3，C4、径向通风孔的位置；

T1，T2，T3、转子的位置。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构的具体实施方式，但是，本发明的实施不限于以下的实施方式。

参见图5。大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构，包含相互配合的电机20和冷却器1，所述电机20包含定子21和转子22，所述定子21环绕所述转子22、中间具有气隙23。所述转子22包含转子轴7和转子极9。转子极9包含永磁磁钢4和磁极5。定子21上设置有由定子径向通风槽板8构成的径向通风道10；转子22采用焊筋轴结构，焊筋之间的空间形成腰形通风孔。转子22的转子极9间开设有数排径向通风孔6。转子22的转子轴7的两侧还安装有轴流式风扇3。

进一步，可以使转子极9之间的径向通风孔6的排布呈现为中间密集、两侧稀疏。另外，还可以使转子极9之间的径向通风孔6的位置与定子径向通风道10的位置在轴向上不对齐。轴流式风扇3的外侧，即靠近定子机座的位置，还可以设置挡风圈2。磁极5可以是实心磁极。冷却器1可以安装在电机20背部。

工作时，冷却风由两侧对吹的轴流式风扇3流出，两边对称的从冷却器1流向转子22，进入转子22的焊筋之间的腰形通风孔；之后冷却风在转子22高速旋转的离心力作用下沿转子极9间的径向通风孔6流向气隙23；气隙23中的冷却风在风压的驱动下沿气隙23表面流向相邻的定子21的径向通风道10，最终从电机20轴向的中间处回到冷却器1。

本发明的设计构思是：现有的高速永磁同步电动机的转子一般采用叠片式，如果转子永磁体之间存在间隙，则相互之间存在较大的排斥力，影响磁钢的装配，所以转子侧一般没有径向的冷却风路，无径向通风槽结构。为了降低加工、制造的时间、成本，可以采用实心磁极转子结构，但此时如何设计电机的整机风路，才能既可以防止磁钢局部过热、防止磁钢不可逆失磁、提高电机的工作可靠性，又可以同时不增加气隙长度、减少磁钢的用量、减小整机风路的风阻，并且能满足充分冷却定子的需要等要求都是应该考虑的因素，也是该整机风路的设计关键。本发明考虑到由于永磁电机转子无法采用径向通风槽板的结构，因此结合实心磁极的转子结构，创造性地在极间开数排径向的通风孔，作为转子径向通风的通路。由于本发明所设计的高转速永磁同步电动机的整机风路结构使得转子也近似为径向通风结构，尤其在定、转子径向风路不对齐时，所以能在气隙尺寸不变的情况下，减少电机整机风路的风阻、增加通风冷却面积，特别是气隙中的冷却风量。在降低加工、制造的时间、成本，满足电磁性能的同时也能充分冷却电机的定、转子等各个部件，特别是防止磁钢局部过热，防止磁钢不可逆失磁，提高电机的工作可靠性。

图6至图8是本发明的有限元分析结果和试验结果。图6显示工作时电机20内的风速分布示意图，其中，风区F1处风速最大，风区F2处比F1处略微减小，风区F3和F4处风速基本相同、略小于F2处。 F1处最靠近转轴，F2、F3、F4依次远离转轴。这说明本发明减小了整机风路的风阻。整机风路风阻的减小不仅能增强冷却效果，也能减小冷却器马达、风扇等的设计难度。  图7显示工作时转子22径向通风孔6各位置处的压头分布，其中，径向通风孔的位置C1处压头最大，径向通风孔的位置C2处比C1处略小，C3处比C2处略小，C4处比C3处略小。C1处靠近气隙23，C4处靠近转轴，C2、C3处于C1和C4中间，并分别靠近C1和C4。C1处的压头比现有整机风路中该处的压头增强很大。这说明本发明大大增强了大功率高速永磁同步电动机的通风冷却效果，特别是增强了转子气隙表面的散热能力。气隙表面散热能力的提高能使将磁钢的工作温度控制在较低水平有保证，防止磁钢温度过高时不可逆失磁。图8显示工作时转子22上各位置处的温度分布，自转子的位置T1到位置T2再到位置T3，温度依次递减。

因此，本发明能大大增强大功率高速永磁同步电动机的通风冷却效果，特别是增强转子气隙表面的散热能力，保证磁钢的工作温度控制在较低水平；同时也能减小整机风路的风阻，减小冷却器马达、风扇等的设计难度。

另一方面，本发明也使得大功率高速永磁同步电动机的转子采用实心磁极的结构来代替叠片磁极结构成为可能。即使为了降低加工、制造的时间、成本，采用实心磁极转子结构，本发明高速永磁同步电动机的整机风路，例如可以是2.1兆瓦，仍能避免磁钢局部过热，从而防止磁钢不可逆失磁，提高电机的工作可靠性；同时不增加气隙长度，减少磁钢的用量，减小整机风路的风阻，并且能满足充分冷却定子的需要。

应当指出，以上叙述中的实施方式仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明结构原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种大功率高转速永磁同步电机的整机风路结构，包含相互配合的电机和冷却器，所述电机包含定子和转子，所述定子环绕所述转子、中间具有气隙，所述定子上设置有径向通风道；所述转子包含转子轴和转子极，转子极包含永磁磁钢和磁极，所述转子的转子极间开设有数排径向通风孔，所述径向通风孔的排布呈现为中间密集、两侧稀疏，所述转子极间开设的径向通风孔与定子上的径向通风道在轴向上不对齐；所述转子的转子轴的两侧还安装有轴流式风扇；其特征在于：

所述转子采用焊筋轴结构，焊筋之间的空间形成腰形通风孔；所述转子极的磁极为实心磁极；

冷却风由两侧对吹的轴流式风扇流出，两边对称的从冷却器流向转子，进入转子焊筋之间的腰形通风孔；之后冷却风在转子高速旋转的离心力作用下沿转子极间的径向通风孔流向气隙；气隙中的冷却风在风压的驱动下沿气隙表面流向相邻的定子径向通风道，最终从电机轴向的中间处回到冷却器。