CN108494125B - 一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机 - Google Patents

Abstract

一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，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；定子设置在外转子的轴向通孔内，定子与外转子间留有间隙；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

一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机

技术领域

本发明涉及一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机。属于电机领域问题。

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，省去了传统的机械负载变速装置，因而可减小噪音和提高传动系统效率。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，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：本发明出了一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，其目的是解决以往的外转子高速永磁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永磁体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，同时根据实际需要进行外转子的分层（不同层碳纤维、树脂、磁粉的含量不同），大大提高电机高速高温下运行的可靠性。

技术方案：本发明采用以下技术方案：

一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，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；定子设置在外转子的轴向通孔内，定子与外转子间留有间隙；

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；

所述转子包括转子轭和三个混合永磁结构单元层；三个混合永磁结构单元层分为外永磁结构单元层、中永磁结构单元层和内永磁结构单元层；内永磁结构单元层、中永磁结构单元层和外永磁结构单元层由内向外依次连接设置，外永磁结构单元层设置在转子轭的通孔内壁上；

每个混合永磁结构单元层均由外部层的碳纤维或玻璃丝层与内部的混合永磁材料层构成；三个混合永磁结构单元层结合以后形成混合永磁材料层与碳纤维或玻璃丝层绑扎交替的结构，外永磁结构单元层的碳纤维或玻璃丝层连接转子轭的通孔内壁。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材料分层绑扎结构的外转子高速永磁电动机转子。

三个混合永磁结构单元层，由内至外，随着单元层数的增加，混合永磁材料层内的永磁材料磁粉的含量依次减少，碳纤维或玻璃丝层厚度依次增厚，最外层绑扎的碳纤维或玻璃丝层厚度最大，混合永磁材料层整体充磁形成若干极数。（根据电机的功率等级，确定电机的转子最大外径，确定电机所需励磁的大小，初步估算转子分层的个数及磁粉的含量，通过电机的磁路计算，多次迭代，最终确定分层个数及各层磁粉含量，碳纤维或玻璃丝厚度的增加则需要根据精确的有限元计算，计算出外单元层碳纤维或玻璃丝厚度足够保证内单元层混合永磁材料的可靠性）一般情况，厚度同捆扎之后的转子的半径平方成正比。

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。）

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。）

定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。

该种复合永磁材料分层绑扎的外转子的主要是采用混合永磁材料的分层绑扎结构，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，形成了混合永磁材料分层绑扎结构的外转子高速永磁电动机转子。该种混合永磁材料分层绑扎结构外转子沿径向由内至外，随着单元层数的增加，永磁材料磁粉的含量依次减少，碳纤维（或玻璃丝）的厚度依次增厚，并进行整体充磁形成若干极数。

该高速永磁电动机，内定子中具有静止轴，定子采用梨形槽，绕组采用双层短距绕组，绕组压板设置在定子铁心的两端。其永磁外转子的主要特征是采用混合永磁材料的分层绑扎结构，混合永磁材料是由永磁材料磁粉与树脂混合，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，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，进而形成了混合永磁材料分层绑扎结构的外转子高速永磁电动机转子。

该种采用复合永磁材料分层绑扎的外转子中碳纤维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混合，并与碳纤维分层绑扎构成混合永磁材料的分层绑扎结构转子，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，该种转子采用复合永磁材料分层绑扎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：

本发明提出了一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，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，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）是为了对其转子内部结构进行固定提高强度，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，进而形成了混合永磁材料分层绑扎结构的外转子高速永磁电动机转子。该种混合永磁材料分层绑扎结构电机转子由内至外，随着单元层数的增加，永磁材料磁粉的含量依次减少，碳纤维（或玻璃丝）厚度依次增厚，转子最外层对强度要求最大，所以最外层绑扎的碳纤维厚度较大。该种转子分层结构中，永磁材料磁粉与树脂混合，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、该种混合永磁材料分层绑扎结构采用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电机转子抗拉强度，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、该种采用复合永磁材料分层绑扎的外转子，从内至外由1,2,3,······,n个单元层组成，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，该种转子分层绑扎的结构可以大大保证混合永磁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、该种分层绑扎转子结构，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，降低外单元层混合永磁材料中永磁材料磁粉的高频涡流损耗。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、该种分层绑扎外转子结构弹性模量高，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为本发明的电机的连接使用状态图；

图2为本发明电机的整体结构图；

图3为本发明电机转子单元层结构示意图；

图4为本发明的轴向截面图；

图中：1.静止轴，2.绕组压板，3.定子绕组，4.转子轭，5.定子铁心，6.气隙，7.混合永磁结构转子外单元层，8.混合永磁结构转子中单元层，9.混合永磁结构转子内单元层层，10.绕组端部，11.滑动轴承，12。混合永磁材料，13.碳纤维（或玻璃丝）。

具体实施方式：下面结合附图对本发明加以具体描述：

一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，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；定子设置在外转子的轴向通孔内，定子与外转子间留有间隙；

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；

所述转子包括转子轭4和三个混合永磁结构单元层；三个混合永磁结构单元层分为外永磁结构单元层7、中永磁结构单元层8和内永磁结构单元层9；内永磁结构单元层9、中永磁结构单元层8和外永磁结构单元层7由内向外依次连接设置，外永磁结构单元层7设置在转子轭4的通孔内壁上；

每个混合永磁结构单元层均由外部层的碳纤维或玻璃丝层13与内部的混合永磁材料层12构成；三个混合永磁结构单元层结合以后形成混合永磁材料层与碳纤维或玻璃丝层绑扎交替的结构，外永磁结构单元层7的碳纤维或玻璃丝层13连接转子轭4的通孔内壁。

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材料分层绑扎结构的外转子高速永磁电动机转子。

三个混合永磁结构单元层，由内至外，随着单元层数的增加，混合永磁材料层内的永磁材料磁粉的含量依次减少，碳纤维或玻璃丝层厚度依次增厚，最外层绑扎的碳纤维或玻璃丝层厚度最大，混合永磁材料层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。

混合永磁材料层是由永磁材料磁粉与树脂均匀混合。

定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。

下面结合附图进行由针对性的说明：

如图1所示，电机由变频驱动。电机绕组与变频器相连，变频器进口端与电网相连，出口端与电机相连，变频器将电网的频率变大，通过变频器实现电机的高速旋转。电机转子与负载直连，实现高速设备的运行。

如图2所示，一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，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。所述混合永磁材料结构外转子采用混合永磁材料与碳纤维均匀分层绑扎结构，混合永磁材料是由永磁材料磁粉与树脂混合并充磁形成若干极数。

如图3所示，每个单元层在外部层绑扎一层很薄的碳纤维（或玻璃丝）进行固定，然后在内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分层转子结构，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，电机转子按照磁粉的含量高低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，内部层中的混合永磁材料是为了提供励磁。电机运行时，转子磁场与定子磁场铰链，转子提供励磁，因此为了更好的提高材料的利用率，同时保证外单元层中强度的可靠性，在分层转子加工过程中，由内至外，每个单元层中磁粉含量依次减少，碳纤维（或玻璃丝）厚度依次增厚。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，从根源上解决外转子高速永磁电机转子过热问题。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。

该种分层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 (5)

1.一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，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；定子设置在外转子的轴向通孔内，定子与外转子间留有间隙；

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；

所述转子包括转子轭（4）和三个混合永磁结构单元层；三个混合永磁结构单元层分为外永磁结构单元层（7）、中永磁结构单元层（8）和内永磁结构单元层（9）；内永磁结构单元层（9）、中永磁结构单元层（8）和外永磁结构单元层（7）由内向外依次连接设置，外永磁结构单元层（7）设置在转子轭（4）的通孔内壁上；

每个混合永磁结构单元层均由外部层的碳纤维或玻璃丝层（13）与内部的混合永磁材料层（12）构成；三个混合永磁结构单元层结合以后形成混合永磁材料层与碳纤维或玻璃丝层绑扎交替的结构，外永磁结构单元层（7）的碳纤维或玻璃丝层（13）连接转子轭（4）的通孔内壁；

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材料分层绑扎结构的外转子高速永磁电动机转子。

2.根据权利要求1所述的一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，其特征在于：三个混合永磁结构单元层，由内至外，随着单元层数的增加，混合永磁材料层内的永磁材料磁粉的含量依次减少，碳纤维或玻璃丝层厚度依次增厚，最外层绑扎的碳纤维或玻璃丝层厚度最大，混合永磁材料层整体充磁形成若干极数。

3.根据权利要求1所述的一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，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。

4.根据权利要求1所述的一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，其特征在于：混合永磁材料层是由永磁材料磁粉与树脂均匀混合。

5.根据权利要求1所述的一种转子采用复合永磁材料分层绑扎的外转子高速电动机，其特征在于：定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。

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