CN109904951A - 超高速永磁盘式电机及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高速永磁盘式电机，包括：第一定子铁芯、第二定子铁芯、定子绕组、机壳、散热管路、前端盖、后端盖、高速转子、陶瓷轴承；所述高速转子包括高速转子铁芯、永磁体、转子护套、转轴；所述高速转子铁芯套装在转子轴上，并在径向加工有永磁体楔形安装槽以安装永磁体，所述永磁体分别装在高速转子盘轴向两侧，转子护套装在高速转子铁芯上；本发明所述电机不仅具有很高的机械强度，适合电机超高速运行，而且设计了良好的散热系统，防止盘式电机在超高速运行时永磁体退磁。本发明不仅提出了一种超高速永磁电机方案，还公开了电机的装配方法。
Description
技术领域：
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种超高速永磁盘式电机及装配方法。
背景技术：
近年，随着材料和工艺的进步，超高速电机得到广泛的应用。而某些特殊应用场合对超高速电机体积有严格限制，超高速盘式电机具有功率密度大、体积小、轴向长度短、散热好等优点，是特种动力装置(或者发电装置)的发展方向。相比常规电机，对超高速电机转子的机械强度提出了更高的要求，对超高速电机的永磁体降温提出了更高的要求。
因此，超高速电机的机械强度问题和散热问题对提高电机性能、推广应用具有重要的意义。
发明内容：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种超高速永磁盘式电机，以提高超高速电机的机械强度以及良好的散热问题，同时解决了径向超高速电机由于安装永磁体护套，导致的有效气隙长、转子可靠性低等问题。该电机不仅具有很高的机械强度，适合电机超高速运行，而且设计了良好的散热系统，防止盘式电机在超高速运行时永磁体退磁。本电机转子轴向长度短，功率密度大，动力学特性好，结构简单，安装方便。该高速永磁盘式电机既可以用作发电机运行，也可以用作电动机运行。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
本发明提供了一种超高速永磁盘式电机，包括：第一定子铁芯、第二定子铁芯、定子绕组、机壳、散热管路、前端盖、后端盖、高速转子、陶瓷轴承、定子槽楔；其特征在于，所述高速转子包括高速转子铁芯、永磁体、转子护套、转轴、键、转子固定套；所述高速转子盘套装在转子轴上，并在径向加工有永磁体楔形安装槽以安装永磁体，所述永磁体分别装在高速转子盘轴向两侧，转子护套装在高速转子上。
本发明还提供了另一方面的技术方案，其中，所述第一定子铁芯和所述第二定子铁芯分别装在高速转子的轴向两侧，形成双定子结构。
本发明还提供了另一方面的技术方案，其中，所述轴承为陶瓷轴承，分别安装在电机前端盖和后端盖的内部中间位置。
本发明还提供了另一方面的技术方案，其中，所述永磁体安装槽为楔形安装槽，永磁体从径向安装。
本发明还提供了另一方面的技术方案，其中，所述永磁体的充磁方向为N-N背靠背形式。
本发明还提供了另一方面的技术方案，其中，所述机壳的两端设有前端盖和后端盖，所述转子轴的两端分别通过陶瓷轴承支承在所述前端盖和所述后端盖上。
本发明还提供了另一方面的技术方案，其中，所述前端盖和所述后端盖分别由两层构成，所述散热管路均匀分布在所述前端盖和所述后端盖的夹层内部。
本发明还提供了另一方面的技术方案，其中，所述第一定子铁芯与所述前端盖固定连接，所述第二定子铁芯与所述后端盖固定连接，所述定子绕组安装在所述第一定子铁芯和所述第二定子铁芯上。
本发明还提供了另一方面的技术方案，其中，所述转子护套的材料为高强度合金护套，安装方式为过盈配合，对永磁体起径向固定作用。
本发明还提供了一种安装根据上述技术方案之一的超高速永磁盘式电机的方法，其中，所述轴承与所述前端盖、所述轴承与所述后端盖的安装为过盈配合；将充磁后的永磁体从径向装入转子铁芯中后，使用转子护套将永磁体固定；使用定子槽楔将定子绕组固定在定子铁芯上，并将散热管路安装在所述前端盖和所述后端盖的中间。
有益效果：
本发明提供的是一种超高速永磁盘式电机，高速转子铁芯径向加工有永磁体楔形安装槽，永磁体从径向安装，安装方便，并且减小了轴向有效气隙，提高了气隙磁密，较少了永磁体材料用量。
现有的超高速电机主要采用径向磁场方案，该超高速电机由于安装永磁体护套，导致的有效气隙长、转子可靠性低、散热性能差等问题。本发明所述电机为轴向磁场电机，电机的高速转子铁芯上增加了转子护套，材质为高强度合金，安装工艺采用了过盈配合，增强可转子强度，克服电机转子在高转速下永磁块的离心力，成功解决了径向超高速电机有效气隙长、转子可靠性低等问题，有利于电机超高速运行。
电机的前端盖和后端盖分别由两层构成，散热管路均匀分布在前端盖和后端盖夹层内部，散热管路安装方便，经济合理。制冷介质采用低沸点、高绝缘、环保的CH2Cl2、C2F2CL3等，标准大气压下沸点为35℃～45℃，常温下为液态，性质稳定，不易燃，绝缘性能良好，且没有强腐蚀性，符合国家环保要求。电机内部基本保持恒温状态，同时具有冷却温度低、温度分布均匀、无局部过热点的特点，冷却效率高，防止盘式电机在超高速运行时永磁体退磁。
电机前后端盖和转子轴连接处安装有高速陶瓷轴承，耐腐蚀，耐温性能好，弹性模量高，有利于电机的高速运行。
电机转子采用永磁体励磁，不需要安装集电环、电刷等易损器件，简化了结构，提高了系统可靠性。
电机转子永磁体充磁方向为N-N背靠背形式，使转子左右受力对称，减小了轴承轴向受力，提高了转子使用寿命。
电机采用双定子结构。用作电动机时，两个定子上的有功电流所产生的电磁转矩共同作用于转子做机械功，输出转矩大，输出功率高。用作发电机时，转子旋转时，两个定子同时输出感应电压。该电机具有精度高、响应快、加速度大、转矩波动小、过载能力高、机械集成度高、电机结构材料利用率高等优点，在实际生产中有很高的使用价值。
附图说明：
图1是本发明的实施例的电机的剖视图；
图2是本发明的实施例的电机的外观示意图；
图3是本发明的实施例的高速转子结构示意图；
图4是本发明的实施例的永磁体结构示意图；
图5是本发明的实施例的散热管路结构示意图；
图6是本发明的实施例的转子保护套结构示意图；
图7是本发明的实施例的楔形安装槽结构示意图；
图8是本发明的实施例的高速转子铁芯结构示意图；
图9是本发明的实施例的电机磁力线示意图；
图10是本发明的实施例的电机总装爆炸示意图；
图11是本发明的实施例的电机高速转子爆炸示意图；
图12是本发明的实施例的电机水冷端盖和定子模块爆炸示意图。
附图标记说明：1.前端盖、2.散热管路、3.第一定子铁芯、4.高速转子铁芯、5.转子护套、6.机壳、7.后端盖、8.永磁体、9.第二定子铁芯、10.转子轴、11.陶瓷轴承、12.定子绕组、13.安装槽、14.螺钉、15.后电机水冷端盖和定子模块、16.高速转子、17.前电机水冷端盖和定子模块、18.键、19.转子固定套、20.定子槽楔。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见附图1-11，一种超高速永磁盘式电机，其包括：前端盖1、散热管路2、第一定子铁芯3、机壳6、后端盖7、第二定子铁芯9、陶瓷轴承11、定子绕组12、螺钉14、键18、转子固定套19、定子槽楔20、高速转子16。高速转子包括高速转子铁芯4(参见图8)、永磁体8(参见图4)、转子护套5(参见图6)、转子轴10。
电机采用双定子结构。用作电动机时，两个定子上的有功电流所产生的电磁转矩共同作用于转子做机械功，输出转矩大，输出功率高。用作发电机时，转子旋转时，两个定子同时输出感应电压。该电机具有精度高、响应快、加速度大、转矩波动小、过载能力高、机械集成度高、电机结构材料利用率高等优点，在实际生产中有很高的使用价值。
高速转子盘径向加工有永磁体楔形安装槽13(参阅图7)，再参阅图3，永磁体8从径向插入，相比传统的粘接和螺栓固定，安装方便，并且节约了气隙空间，减小了轴向气隙，提高了永磁体利用效率。电机的高速转子上增加了转子护套5，材质为高强度合金，安装工艺采用了过盈配合，增强转子强度，克服电机转子在高转速下永磁块的离心力，有利于电机超高速运行。
高速转子铁芯4套装在转子轴上，永磁体8分别安装在高速转子铁芯4轴向两侧，且永磁体8充磁方向为N-N背靠背形式。参见附图9，示出了电机磁力线示意图。电机磁力线为双闭环结构。转子轴向左右受力对称，减小了轴承轴向受力，提高了转子使用寿命。
电机转子采用永磁体励磁，永磁体使用高性能的钕铁硼材料，不需要安装集电环、电刷等易损器件，简化了结构，提高了系统可靠性。
转子轴的两端分别通过陶瓷轴承11支承在前端盖1和后端盖7上。电机端盖和转轴连接处安装有陶瓷轴承，耐腐蚀，耐温性能好，弹性模量高，有利于电机的高速运行。第一定子铁芯3与前端盖1固定连接，第二定子铁芯9与后端盖7固定连接。定子绕组12安装在第一定子铁芯3和第二定子铁芯9上。
机壳的两端设有前端盖1和后端盖7，前端盖1和后端盖7分别由两层构成，散热管路2均匀分布在前端盖1和后端盖7夹层内部。并且电机的前端盖1和后端盖7分别由两层构成，散热管路2均匀分布在前端盖1和后端盖7夹层内部，散热管路2安装方便，经济合理。
参见附图2，示出了散热管路2内的制冷介质的出入口。制冷介质采用低沸点、高绝缘、环保的CH2Cl2、C2F2CL3等，标准大气压下沸点为35℃～45℃，常温下为液态，性质稳定，不易燃，绝缘性能良好，且没有强腐蚀性，符合国家环保要求。电机内部基本保持恒温状态，同时具有冷却温度低、温度分布均匀、无局部过热点的特点，冷却效率高。
该超高速永磁盘式电机的具体安装方法如下，图10-12分别示出了电机总装图、电机转子模块装配图、电机水冷端盖和定子模块装配图。
参见附图10，示出了超高速永磁盘式电机的总装图，包括：机壳6、螺钉14、后电机水冷端盖和定子模块15、高速转子16、前电机水冷端盖和定子模块17。首先，使用六个螺钉将后电机水冷端盖和定子模块15固定在机壳左侧，所使用的螺钉为内六角沉孔螺钉，端部轴承安装为过盈配合。其次，在转子安装工装的辅助下，将高速转子16从右侧装入。最后，使用六个螺钉将前电机水冷端盖和定子模块17固定在机壳右侧。安装完成后，总体外形尺寸如图2所示。
参见附图11，示出了超高速永磁盘式电机的转子模块装配图，包括：高速转子铁芯4、转子护套5、永磁体8、转子轴10、陶瓷轴承11、键18、转子固定套19。首先，使用工装将充磁后的永磁体8从径向装入转子铁芯4中，永磁体安装方向为N-N背靠背形式，永磁体的楔形结构B和转子铁芯的楔形槽A配合安装。其次，使用转子护套5将永磁体8固定，安装方式使用过盈配合。接着，使用转子固定套19和键18将组装好的转子盘，固定在转子轴上。安装好的转子模块如图3所示。
参见附图12，示出了超高速永磁盘式电机的前水冷端盖和定子模块装配图，包括：前端盖1、散热管路2、第一定子铁芯3、陶瓷轴承11、定子绕组12、螺钉14、定子槽楔20。首先，将定子绕组12嵌入第一定子铁芯3，并使用定子槽楔20将定子绕组12固定，所示定子绕组为整距绕组，仅展示了部分绕组。其次，将散热管路2安装在前端盖的双层端盖中间。接着，在端盖中间空处安装陶瓷轴承11。最后，使用六个螺钉将组装好的定子模块和端盖模块安装在一起。安装好的前水冷端盖和定子模块17如图5所示，后水冷端盖和定子模块15安装方法与之相同。
本超高速永磁盘式电机可以用作高速发电机，其额定功率为8kW，转速最高为50000r/min，使用在航空发电机、微型涡轮机发电等特殊场合。本超高速永磁盘式电机也可以用作高速电动机，使用在压缩机、无人机等特殊场合。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，包括：第一定子铁芯(3)、第二定子铁芯(9)、定子绕组(12)、机壳(6)、散热管路(2)、前端盖(1)、后端盖(7)、高速转子(16)、轴承(11)；所述高速转子包括高速转子铁芯(4)、永磁体(8)、转子护套(5)、转子轴(10)；所述高速转子铁芯(4)套装在转子轴(10)上，并在径向加工有永磁体安装槽(13)以安装所述永磁体(8)，所述永磁体(8)分别装在高速转子铁芯(4)轴向两侧，所述转子护套(5)装在高速转子铁芯(4)上与转子一起旋转。
2.根据权利要求1所述的一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，所述第一定子铁芯(3)和所述第二定子铁芯(9)分别装在高速转子(16)的轴向两侧，形成双定子结构。
3.根据权利要求1所述的一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，所述轴承为陶瓷轴承(11)，分别安装在电机前端盖(1)和后端盖(7)的内部中间位置。
4.根据权利要求1所述的一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，所述永磁体安装槽(13)为楔形安装槽，永磁体从径向安装。
5.根据权利要求4所述的一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，所述永磁体的充磁方向为N-N背靠背形式。
6.根据权利要求1所述的一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，所述机壳(6)的两端设有前端盖(1)和后端盖(7)，所述转子轴(10)的两端分别通过陶瓷轴承(11)支承在所述前端盖(1)和所述后端盖(7)上。
7.根据权利要求6所述的一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，所述前端盖(1)和所述后端盖(7)分别由两层构成，所述散热管路(2)均匀分布在所述前端盖(1)和所述后端盖(7)的夹层内部。
8.根据权利要求6所述的一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，所述第一定子铁芯(3)与所述前端盖(1)固定连接，所述第二定子铁芯(9)与所述后端盖(7)固定连接，所述定子绕组(12)安装在所述第一定子铁芯(3)和所述第二定子铁芯(9)上。
9.根据权利要求1所述的一种超高速永磁盘式电机，其特征在于，所述转子护套(5)的材料为高强度合金护套，安装方式为过盈配合，对永磁体起径向固定作用。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的一种超高速永磁盘式电机的安装方法，其特征在于，所述轴承(11)与所述前端盖(1)的安装以及所述轴承(11)与所述后端盖(7)的安装为过盈配合；将充磁后的永磁体(8)从径向装入高速转子铁芯(4)中后，使用转子护套(5)将永磁体(8)固定；使用定子槽楔(20)将定子绕组(12)固定在定子铁芯上，并将散热管路(2)安装在所述前端盖和所述后端盖的夹层中间。
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