CN108448852B - 一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机 - Google Patents

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Abstract

一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，其特征在于:该高速电动机包括外转子和设置在外转子内的定子，定子设置在定子外转子的轴向通孔内，外转子与定子间留有间隙；该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。同时该种结构保证了电机转子的均匀性、整体性和一致性，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。

Description

一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机
技术领域
本发明涉及一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机。属于电机领域问题。
背景技术
高速永磁同步发电机由于功率密度大，转速高，电机体积远小于相同输出功率的中低转速电机，因此可以有效地节省材料；高速电机的尺寸小使得它有较小的转动惯量，具有较快的动态响应能力；又因高速电机可与原动机直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可以提高传统系统的效率，降低噪音。尤其是永磁发电机拥有力能密度高、结构简单、无励磁损耗和效率高等优点，特别适合用作中、小型高速电机。随着工业电气化的进程，用高速电机取代原来的柴油发动机作为动力源具有很多显著的优点，如提高了能源的使用效率，降低了环境的噪声等，高速永磁发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，在航空、船舶、混合动力汽车、高速磨床、储能飞轮以及分布式发电系统中具有广阔的发展前景。
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，定子铁心损耗很大，空气和转子表面的摩擦会给电机带来很大的损耗，同时对于高速永磁电机来说，转子永磁体的涡流损耗非常大，然而电机的转子散热困难，会造成电机转子的温升过高，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，因此减小电机转子的损耗成为高速永磁电机设计的核心问题之一。对于高速永磁电机来说，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永磁体采取保护措施。
与内转子高速电机相比，外转子电机的直径大，高速旋转要承受的离心力更大，同时转子直接与其它结构配合，需要承受一定的压力载荷，因此对转子强度提出更高的要求。
发明内容
发明目的：本发明提出了一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，其目的是解决以往的外转子高速永磁发电机转子涡流损耗大、散热困难造成永磁体不可逆退磁的问题以及在高速旋转情况下转子强度不够而发生破损，严重影响电机的可靠性和运行寿命问题。
技术方案：本发明采用以下技术方案：
一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，其特征在于:该高速电动机包括外转子和设置在外转子内的定子，外转子与定子间留有间隙；所述定子包括定子铁心和定子绕组；定子绕组设置在定子铁心的外侧壁上开有的定子槽内，定子槽的开口朝向外转子；
外转子包括转子铁心和混合永磁结构；混合永磁结构由多个混合永磁单元构成，每个混合永磁单元由外部层的碳纤维或玻璃丝层与内部的新型混合永磁材料层构成，碳纤维或玻璃丝层设置在新型混合永磁材料层外围，最外层的混合永磁单元的碳纤维或玻璃丝层设置在转子铁心的内壁，在最外层的混合永磁单元内壁向定子方向继续依次设置一个或多个混合永磁单元，形成一个碳纤维或玻璃丝层与新型混合永磁材料层相互交替的混合永磁材料的均匀分层绑扎结构。该种新型混合永磁结构即为新型混合永磁材料与碳纤维交替绑扎，无论多少层后都是新型混合永磁材料面对定子绕组，然后在朝向定子绕组的层外添加一层碳纤维。
定子的两端还设置有绕组压板。（绕组压板采用绝缘导热材料，主要的作用是固定绕组两端的端部，同时该压板可以有效的进行绕组端部与定子进行之间的换热，有利于降低绕组端部的温升。）
在最内层的混合永磁单元内壁绑扎一层碳纤维，进而形成了混合永磁结构的外转子高速永磁电动机转子。
碳纤维或玻璃丝层与新型混合永磁材料层沿外转子径向由内至外，单元层均匀增加，并进行整体充磁形成若干极数。（该种结构中，均匀增加即为所包含的单元层数等厚度的增加个数。）
定子上用于设置绕组的定子槽为梨形槽，绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕。（绕组一般分为单层绕组和双层绕组，该处采用的是双层绕组，因此分为上下两层，短节距绕组包括短节距叠绕组和短节距波绕组；多根并绕是采用多根细导线代替原来的粗导线，进而达到减小集肤效应。）
新型混合永磁材料层是由永磁材料磁粉与树脂均匀混合。（材料的混合方法是通过精确的有限元计算，根据电机运行所需的励磁，然后按照永磁材料磁粉与树脂1：1的比例进行混合，因为若比例过大，将大大影响混合后新型永磁材料的整体性，强度问题将难以保证，若比例过小，励磁将难以达到，这样将增加整体厚度，进而强度问题也被显现而出。）
该种混合永磁结构外转子的主要特征是采用混合永磁材料的均匀分层绑扎结构，混合永磁材料是由永磁材料磁粉与树脂均匀混合，该种混合永磁结构外转子沿径向由内至外，单元层均匀增加，并进行整体充磁形成若干极数。
该高速发电机，内定子中具有静止轴，每个单元层由外层的碳纤维（或玻璃丝）与内层的混合永磁材料构成，外层的碳纤维（或玻璃丝）是为了进行固定保证混合永磁材料的强度，内层的混合永磁材料是为了提供励磁。混合永磁材料与碳纤维（或玻璃丝）绑扎交替放置，在绑扎若干个单元层后，在其最外层绑扎一层碳纤维以保证电机转子的整体强度，进而形成了一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机转子。
该种周向整体复合永磁结构的外转子中碳纤维（或玻璃丝）和树脂都是电绝缘材料，而具有较大电导率的永磁材料磁粉与树脂均匀混合，并与碳纤维均匀分层绑扎构成该种混合永磁圆环状结构转子，能够大大减小转子内的永磁材料产生的涡流损耗，从而有效的降低转子发热；同时，由于碳纤维材料具有密度小、抗拉强度大、受温度影响较小的特点，可以对混合永磁材料在转子高速旋转的情况下提供更安全有效的保护，树脂能够大大提高永磁材料磁粉混合后的均匀性、整体性和一致性，避免电机转子在高速运行下的造成的局部应力过大的问题，该种转子采用的混合永磁材料均匀分层绑扎圆环状结构能够有效的保证电机转子在高速旋转时强度的可靠性。
定子上用于设置绕组的定子槽为梨形槽，绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕，能够有效减小由趋肤效应造成的附加损耗；定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成，可以有效降低高频下的铁心损耗。
优点及效果：
本发明提出了一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，外转子采用的混合永磁材料是由永磁材料磁粉与树脂混合并充磁形成若干极数，外部层的碳纤维（或玻璃丝）与内部层的混合永磁材料构成一个单元层，外部层的碳纤维（或玻璃丝）是为了对其转子内部结构进行固定提高强度，内部层的混合永磁材料是为了提供励磁。混合材料与碳纤维（或玻璃丝）绑扎交替放置，在绑扎若干个单元层后，在其最外层绑扎一层碳纤维以保证电机转子的整体强度，进而形成了混合永磁圆环状结构的外转子高速永磁发电机转子。该种混合永磁圆环状结构电机转子由内至外，进行若干单元层均匀绑扎。该种混合永磁圆环状结构转子中，永磁材料磁粉与树脂均匀混合，能够有效减小转子内的涡流损耗，进而减小电机的热源，降低电机的温升。永磁材料磁粉与树脂均匀分布在转子圆周表面能够保证转子的均匀性、整体性和一致性，可以避免采用永磁体分块结构造成的边缘应力分布不均匀的现象。同时由于碳纤维的缠绕，碳纤维具有密度小、拉伸强度大、受温度影响较小的特点，可以保证永磁转子高温高速下的可靠运行。
本发明的有益效果是：
1、该种周向整体复合永磁结构的外转子采用永磁材料磁粉和树脂形成的圆环状结构，代替了常规电机中磁钢块加填充块的分块结构，转子永磁体部分无集中应力，保证了高速永磁发电机转子的整体性、均匀性和一致性，消除了常规结构磁钢分块之间以及磁钢和填充块之间边缘效应造成的局部应力过大所引起的永磁块损坏的问题，进而提高了高速永磁发电机外转子抗拉强度，提高转子转速限制，在体积不变的前提下增大了电机的输出功率，这是常规电机采用磁钢加填充块结构所不能实现的。
2、该种周向整体复合永磁结构的外转子，从内至外由1,2,3,······,n个单元层均匀绑扎构成，每个单元层都包含提供励磁的混合永磁材料和增加转子强度的碳纤维（或玻璃丝），并在最外层绑扎一层碳纤维保证转子整体强度。碳纤维材料具有密度小、抗拉强度大、受温度影响较小的特点，该种转子均匀分层绑扎的结构可以大大保证混合永磁圆环状结构转子在高速高温情况下运行的可靠性。
3、该种混合永磁材料由永磁材料磁粉和树脂按比例混合而成，树脂是电的不良导体，混合后能够有效减小混合永磁材料内部的涡流，降低该部分的损耗，解决其局部发热严重的问题。
4、该种均匀分层外转子结构，内单元层添加的导电永磁材料磁粉可对高频电磁波产生屏蔽，降低外单元层永磁材料磁粉中的高频涡流损耗。该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。
5、该种周向整体复合永磁结构的外转子，弹性模量高，比强度高，密度低，可提高转子固有频率，提升电机转子稳定运行范围。
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为本发明电机外转子一个单元层结构示意图；
图3为本发明电机转子结构示意图；
图4为本发明电机的轴向截面图。
图中：1.静止轴，2.绕组压板，3.定子绕组，4.转子铁心，5.定子铁心，6.气隙，7.混合永磁圆环状结构，8.绕组端部，9.滑动轴承，10.碳纤维（或玻璃丝），11.混合永磁材料。
具体实施方式：下面结合附图对本发明加以具体描述：
一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，其特征在于:该高速电动机包括外转子和设置在外转子内的定子，外转子与定子间留有间隙；所述定子包括定子铁心5和定子绕组3；定子绕组3设置在定子铁心5的外侧壁上开有的定子槽内，定子槽的开口朝向外转子；
外转子包括转子铁心4和混合永磁结构7；混合永磁结构7由多个混合永磁单元构成，每个混合永磁单元由外部层的碳纤维或玻璃丝层10与内部的新型混合永磁材料层11构成，碳纤维或玻璃丝层10设置在新型混合永磁材料层11外围，最外层的混合永磁单元的碳纤维或玻璃丝层10设置在转子铁心4的内壁，在最外层的混合永磁单元内壁向定子方向继续依次设置一个或多个混合永磁单元，形成一个碳纤维或玻璃丝层10与新型混合永磁材料层11相互交替的混合永磁材料的均匀分层绑扎结构。
定子的两端还设置有绕组压板2。
在最内层的混合永磁单元内壁绑扎一层碳纤维，进而形成了混合永磁结构的外转子高速永磁电动机转子。
碳纤维或玻璃丝层10与新型混合永磁材料层11沿外转子径向由内至外，单元层均匀增加，并进行整体充磁形成若干极数。
定子上用于设置绕组的定子槽为梨形槽，绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕。
新型混合永磁材料层11是由永磁材料磁粉与树脂均匀混合。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，原动机拖动电机。电机绕组与整流器相连，经过整流逆变，将电能回馈电网。
如图2所示，一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，包括外转子、内定子以及静止轴；所述定子包括定子铁心5和定子绕组3及绕组压板2，定子绕组3设置在定子铁心5内，绕组压板2设置在定子的两端，外转子永磁与转子轭进行固定。所述周向整体复合永磁结构的外转子采用混合永磁材料与碳纤维均匀分层绑扎结构。
如图3所示，每个单元层在内部层绑扎一层很薄的碳纤维（或玻璃丝）进行固定，然后在外部层添加混合永磁材料为电机提供励磁，混合永磁材料由永磁材料磁粉和树脂均匀混合，若干个单元层叠加后构成该种转子结构，其中树脂是电的不良导体，混合后能够有效减小混合永磁材料内部的涡流，降低该部分的损耗，解决其局部发热严重的问题。同时该种均匀分层结构将转子高速运行时的集中应力分散到每个单元层中，进而大大增大转子强度，提高转子转速限制。
如图4所示，电机转子沿径向由内至外分为若干个单元层，每个单元层中外部层的碳纤维（或玻璃丝）是为了进行固定，外部层中的混合永磁材料是为了提供励磁，在均匀绑扎若干个单元层后，构成该种混合永磁圆环状转子结构。电机运行时，转子磁场与定子磁场铰链，转子提供励磁。同时内单元层添加的导电永磁材料磁粉可对高频电磁波产生屏蔽，降低外单元层永磁材料磁粉中的高频涡流损耗，该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。该种结构保证了转子圆周方向的均匀性、整体性和一致性，同时该种转子结构的弹性模量高，比强度高，密度低，可提高转子固有频率，提升电机转子稳定运行范围。碳纤维材料具有密度小、抗拉强度大、受温度影响较小的特点，可以对永磁体在高温高速运行时进行更安全有效的保护，避免电机高速运行过程中局部应力过大的问题。
该电机具有较高的可靠性，结构简单，转子强度高等特点。
该种混合永磁圆环状结构外转子内单元层添加的导电永磁材料磁粉可对高频电磁波产生屏蔽，降低外单元层混合永磁材料磁粉高频涡流损耗。该种结构能够有效减小电机转子内的热源，从根源上解决高速电机转子过热问题。同时该种结构保证了电机转子的均匀性、整体性和一致性，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。

Claims (4)

1.一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，其特征在于:该高速发电机包括外转子和设置在外转子内的定子，定子设置在定子外转子的轴向通孔内，外转子与定子间留有间隙；所述定子包括定子铁心（5）和定子绕组（3）；定子绕组（3）设置在定子铁心（5）的外侧壁上开有的定子槽内，定子槽的开口朝向外转子；
外转子包括转子铁心（4）和混合永磁结构（7）；混合永磁结构（7）由多个混合永磁单元构成，每个混合永磁单元由外部层的碳纤维或玻璃丝层（10）与内部的新型混合永磁材料层（11）构成，碳纤维或玻璃丝层（10）设置在新型混合永磁材料层（11）外围，最外层的混合永磁单元的碳纤维或玻璃丝层（10）设置在转子铁心（4）的轴向通孔的内壁，在最外层的混合永磁单元内壁向定子方向继续依次设置一个或多个混合永磁单元，形成一个碳纤维或玻璃丝层（10）与新型混合永磁材料层（11）相互交替的混合永磁材料的均匀分层绑扎结构；
在最内层的混合永磁单元内壁绑扎一层碳纤维，进而形成了混合永磁结构的外转子高速永磁电动机转子；
新型混合永磁材料层（11）是由永磁材料磁粉与树脂均匀混合；
周向整体复合永磁结构的外转子采用永磁材料磁粉和树脂形成的圆环状结构。
2.根据权利要求1所述的一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，其特征在于：定子的两端还设置有绕组压板（2）。
3.根据权利要求1所述的一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，其特征在于：碳纤维或玻璃丝层（10）与新型混合永磁材料层（11）沿外转子径向由内至外，单元层均匀增加，并进行整体充磁形成若干极数。
4.根据权利要求1所述的一种采用周向整体复合永磁结构的外转子高速发电机，其特征在于：定子上用于设置绕组的定子槽为梨形槽，绕组分上、下两层，采取短距叠绕组连接，绕组采用细导线多根并绕。
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