CN113054786A - 高速永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速永磁电机。该高速永磁电机包括：电机壳、安装于电机壳内的转轴、套设于转轴上的转子、设于转子的径向外侧的定子、安装于电机壳顶壁的冷却器及风机，本发明通过在电机壳的顶部安装冷却器，在电机壳的顶部开设进风孔和出风孔以使冷却器的内腔与电机壳的内腔连通，并在电机壳内的转子和定子处设置通风风道，在风机的作用下，可以将电机高速运转产生的热量经由进风孔、第一轴向风道、转子径向风道、气隙、定子径向风道、出风孔带入冷却腔中，在冷却腔内通过换热管外部气流进行热交换，实现电机的快速冷却，降低电机温升，同时，相互连通的冷却腔和电机壳内腔增大了散热空间，提高电机的散热效果，并保证电机的平稳可靠运行。

Description

高速永磁电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种高速永磁电机。

背景技术

高速永磁电机具有转速高、体积小、功率密度大、运行效率高等优点，广泛应用在高速磨床、储能飞轮、高速离心压缩机、鼓风机等工业领域。高速永磁电机通过变频装置进行驱动，与负载直接相连，省去了传统的齿轮增速结构，因而提高整个传动系统的效率。但变频驱动的过程，加载在电机定子绕组中的激励频率较高，使得定子铁心磁密交变频率远远高于常规电机，因而会导致电机定子铁耗大，温升高。过高的温升会降低转子中永磁体的磁性能，严重情况下，会导致永磁体不可逆退磁。此外，高速旋转的转子会产生较大的离心力，但永磁体却不能承受较大的拉应力。另外，高转速也对轴承提出了更加严格的要求，但是现有轴承受到转速限制，无法满足高转速要求。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种高速永磁电机，以解决现有技术中存在的电机定子铁耗大、温升高、振动大、转子及永磁体强度差等问题。

本发明实施例提供了一种高速永磁电机，包括：

电机壳，其顶壁设有进风孔和出风孔；

转轴，其安装于所述电机壳内，且其两端穿过所述电机壳的侧壁；

转子，其包括多个依次套设于所述转轴上的转子段，相邻的所述转子段之间形成转子径向风道，多个所述转子段沿其轴向方向开设有相对应的第一轴向风道；

定子，其设于所述转子的径向外侧，所述定子包括沿其轴向方向分段设置的多个定子段，相邻的所述定子段之间形成定子径向风道，所述定子的内周面与所述转子的外周面之间具有气隙；

冷却器，其可拆卸地安装于所述电机壳的顶壁，所述冷却器具有进口和出口，所述冷却器内形成有冷却腔，所述冷却腔内设有连通所述进口和所述出口的换热管，所述冷却腔的底部与所述进风孔和所述出风孔连通以使所述进风孔、所述第一轴向风道、所述转子径向风道、所述气隙、所述定子径向风道、所述出风孔以及所述冷却腔依次连通形成循环冷却风道；

风机，其设于所述冷却器上，用于驱动所述换热管内的冷却介质循环流动。

在一些实施例中，所述转子段包括多个转子冲片和永磁体，所述转子冲片上设有多个通槽，多个所述转子冲片叠压形成转子铁心，多个所述转子冲片的多个所述通槽一一相对形成多个磁体槽，所述永磁体嵌设于所述磁体槽中。

在一些实施例中，相邻的所述转子段之间通过转子通风槽板连接，所述转子通风槽板的板面垂直于所述转子的轴向，所述转子通风槽板具有垂直于所述转子轴向方向且贯穿所述转子通风槽板两端的第一通孔以形成所述转子径向风道。

在一些实施例中，沿所述转子的轴向方向，多个所述转子段的多个所述永磁体之间通过支撑柱固定连接。

在一些实施例中，所述定子段包括多个定子冲片，多个所述定子冲片叠压形成所述定子，相邻的所述定子段之间通过定子通风槽板连接，所述定子通风槽板的板面垂直于所述定子的轴向，所述定子通风槽板具有垂直于所述定子轴向方向且贯穿所述定子通风槽板两端的第二通孔以形成所述定子径向风道。

在一些实施例中，所述转轴通过轴承结构固定于所述电机壳内，所述轴承结构包括深沟球轴承和用于保持所述深沟球轴承的轴承支架，所述轴承支架为黄铜支架。

在一些实施例中，所述电机壳为箱式结构，所述电机壳内安装有用于支撑所述定子的支撑板，所述支撑板上开设有与所述定子的外径相匹配的定子安装孔。

在一些实施例中，所述出风孔设置在所述电机壳的顶壁的中部位置，所述进风孔设置在所述出风孔的左、右两侧；所述转子和所述定子安装于所述电机壳内与所述出风孔相对的位置，所述出风孔能够覆盖所述转子径向风道和所述定子径向风道。

与现有技术相比较，本发明实施例提供的高速永磁电机通过在电机壳的顶部安装冷却器，在电机壳的顶部开设进风孔和出风孔以使冷却器的内腔与电机壳的内腔连通，并在电机壳内的转子和定子处设置通风风道，在风机的作用下，可以将电机高速运转产生的热量经由进风孔、第一轴向风道、转子径向风道、气隙、定子径向风道、出风孔带入冷却腔中，在冷却腔内通过换热管外部气流进行热交换，实现电机的快速冷却，降低电机温升，同时，相互连通的冷却腔和电机壳内腔增大了散热空间，提高电机的散热效果，并保证电机的平稳可靠运行。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。

图1为本发明实施例的高速永磁电机的冷却系统的结构示意图；

图2为图1中A部分的放大示意图；

图3为本发明实施例的高速永磁电机的转子的结构示意图；

图4为本发明实施例的高速永磁电机的电机壳的局部剖视图。

附图标记：

1-电机壳、11-安装孔、101-进风孔、102-出风孔；2-转轴；

3-转子、31-转子径向风道、32-第一轴向风道、33-转子冲片、331-通槽、332-轴向通孔、333-拉紧螺杆孔、34-永磁体、35-平键、36-转子通风槽板、37-支撑柱；

4-定子、41-定子径向风道、42-气隙、43-定子冲片；

5-冷却器、501-进口、502-出口、51-冷却腔、52-出风腔；

6-换热管；7-风机；8-轴承结构、81-深沟轴承、82-轴承支架；9-支撑板、91-定子安装孔。

具体实施方式

为了使得本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。

图1至图4为本发明实施例的高速永磁电机的结构示意图(图中箭头方向为气流方向)。如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种高速永磁电机，包括：

电机壳1，其顶壁设有进风孔101和出风孔102；

转轴2，其安装于电机壳1内，且其两端穿过电机壳1的侧壁；

转子3，其包括多个依次套设于转轴3上的转子段，相邻的转子段之间形成转子径向风道31，多个转子段沿其轴向方向开设有相对应的第一轴向风道32；

定子4，其设于转子3的径向外侧，定子4包括沿其轴向方向分段设置的多个定子段，相邻的定子段之间形成定子径向风道41，定子4的内周面与转子3的外周面之间具有气隙42；

冷却器5，其可拆卸地安装于电机壳1的顶壁，冷却器5具有进口501和出口502，冷却器5内形成有冷却腔51，冷却腔51内设有连通进口501和出口502的换热管6，冷却腔51的底部与进风孔101和出风孔102连通以使进风孔101、第一轴向风道32、转子径向风道31、气隙42、定子径向风道41、出风孔102以及冷却腔51依次连通形成循环冷却风道；

风机7，其设于冷却器5上，用于驱动换热管6内的冷却介质循环流动。

本发明实施例提供的高速永磁电机通过在电机壳1的顶部安装冷却器5，在电机壳1的顶部开设进风孔101和出风孔102以使冷却器5的内腔与电机壳1的内腔连通，并在电机壳1内的转子3和定子4处设置通风风道，在风机7的作用下，可以将电机高速运转产生的热量经由进风孔101、第一轴向风道32、转子径向风道31、气隙42、定子径向风道41、出风孔102带入冷却腔51中，在冷却腔51内通过换热管6外部气流进行热交换，实现电机的快速冷却，降低电机温升，同时，相互连通的冷却腔51和电机壳内腔增大了散热空间，提高电机的散热效果，并保证电机的平稳可靠运行。

电机高速运转产生的热量包括高频下较大的定子铁耗引起的热量、转子涡流损耗引起的热量等，冷却器5为空空冷却器，通过冷却器5实现强迫风冷，当电机高速运转定子绕组中的激励频率较高时，通过冷却器5可以快速带走定子铁耗大引起的热量和转子涡流损耗引起的热量，从而有效降低电机温升。本实施例中，换热管6内的冷却介质为冷却空气，其他实施例中，冷却介质也可以为其他气体冷却介质。

如图1和图2所示，转子段包括多个转子冲片33和永磁体34，转子冲片33上设有多个通槽331，多个转子冲片33叠压形成转子铁心，多个转子冲片33的多个通槽331一一相对形成多个磁体槽，永磁体34嵌设于磁体槽中。

转子铁心采用多个转子冲片叠压的结构，可以根据高转速电机工作频率的要求，采用直径较小的转子冲片33进行电磁设计，进而选择合适的极数，减小高转速下离心力的作用，提高永磁体34的强度和转子3的适用性。另外，永磁体34采用内置式结构，嵌设于转子铁心内，转子铁心可以对永磁体34形成防护，从而削弱离心力对永磁体34强度的影响。

在一些实施例中，如图4所示，磁体槽呈长条状，且靠近转子铁心的边缘设置，磁体槽包括沿转子铁心的周向方向均布的多组磁体槽。每一组磁体槽包括呈三角形状排列的三个磁体槽，三角形优选为等腰三角形，且朝向转子中心凸出形成倒V形结构的两个磁体槽之间的夹角角度优选为120°，以使磁效力达到最佳程度。

在另一些实施例中，磁体槽也可以呈其他形状排列，本发明不具体限定。例如，每一组磁体槽可以仅包括朝向转子中心凸出呈倒V形排列的两个磁体槽。磁体槽呈倒V形设置，可以有效减少漏磁现象。

如图4所示，转子冲片33上沿圆周方向开设有多个轴向通孔332，多个转子冲片33叠压后，不同转子冲片33的轴向通孔332一一相对形成第一轴向风道32。

转子冲片33上沿圆周方向还开设有多个拉紧螺杆孔333，拉紧螺杆穿设于拉紧螺杆孔333中，以将多个转子冲片33拉紧固定。通过拉紧螺杆拉紧后的转子铁心与转轴2的外周过盈配合，并通过平键35连接增强转子铁心和转轴2连接的可靠性。

开设于转子冲片33上的通槽331、轴向通孔332以及拉紧螺杆孔333的数量和大小根据转子冲片33的大小和强度确定，以保证转子冲片33的使用寿命。

在一优选实施例中，轴向通孔332的开孔大小可以设置的较大，且靠近转子冲片33的中心设置，如此，可以增大第一轴向风道32的横截面积，增大空气流动的路径，提高散热效果。由于电机高速转动时，转子冲片33和转轴2连接处产生摩擦温升较快，因此，轴向通孔332靠近转子冲片33的中心设置，可以快速降低转子3等电机温升较高部位的温度，保证散热效果。

在一些实施例中，相邻的转子段之间通过转子通风槽板36连接，转子通风槽板36的板面垂直于转子3的轴向，转子通风槽板36可以为环形板体结构，套设于转轴2相邻的转子段之间，且其形状与对应位置的转子冲片33的形状相匹配。转子通风槽板36的板面上开设有贯穿其两端板面的第一轴向通孔，第一轴向通孔与第一轴向风道32配合形成转子轴向风道，转子通风槽板36具有垂直于转子轴向方向且贯穿转子通风槽板36两端的第一通孔以形成转子径向风道31。优选地，第一通孔可以为直接开设于通风槽板36并贯穿其两端的通孔；在另一具体实施例中，也可以将转子通风槽板36设置为中空结构，并在转子通风槽板36垂直于转子轴向方向的两端分别开设通孔形成第一通孔。通过转子通风槽板36可以引导电机转子轴向方向的转子径向风道31以及轴向方向的转子轴向风道，并能够将上述两个通风道道分开，互不影响，保证电机转子3的散热。

在另一些实施例中，转子通风槽板36也可以为分别贴附于不同转子段的轴向端面的转子通风槽板冲片，例如，第一转子段的右侧与第二转子段的左侧相邻且间隔设置，在第一转子段的右侧轴向端面贴附第一通风槽板冲片，在第二转子段的左侧轴向端面贴附定子通风槽板冲片，第一通风槽板冲片和定子通风槽板冲片相对形成转子通风槽板36，第一通风槽板冲片和定子通风槽板冲片上分别开设有轴向通孔与第一轴向风道32配合形成转子轴向风道，第一通风槽板冲片和定子通风槽板冲片之间形成的径向空间即为转子径向风道31。

类似地，定子4的多个定子段沿其轴向方向开设有相对应的第二轴向风道，定子段包括多个定子冲片43，多个定子冲片43叠压形成定子4，相邻的定子段之间通过定子通风槽板连接，定子通风槽板的板面垂直于定子4的轴向。

第二轴向风道与第一轴向风道32并联，进风孔101、第二轴向风道、定子径向风道41、出风孔102以及冷却腔51依次连通形成定子4的循环冷却风道，对定子4进行冷却降温；同时，配合上述的进风孔101、第一轴向风道32、转子径向风道31、气隙42、定子径向风道41、出风孔102以及冷却腔51依次连通形成的循环冷却风道可以快速带走高频下较大的定子铁耗引起的热量，有效提高电机的散热效果。

在一些实施例中，定子4的内周面与转子3的外周面之间的气隙42可以形成第三轴向风道，进一步增大散热流通面积，提高散热效果。

定子通风槽板与转子通风槽板36的结构类似，定子通风槽板可以为环形板体结构，套设于转子3的径向外侧并位于相邻的定子段之间，其形状与对应位置的定子冲片43的形状相匹配。定子通风槽板的板面上开设有贯穿其两端板面的第二轴向通孔，第二轴向通孔与第二轴向风道配合形成定子轴向风道，定子通风槽板具有垂直于定子轴向方向且贯穿定子通风槽板两端的第二通孔以形成定子径向风道。定子通风槽板也可以为分别贴附于不同定子段的轴向端面的定子通风槽板冲片，其结构与转子通风槽板冲片的结够类似，在此不再赘述。

本实施例中，将转子通风槽板36和定子通风槽设置为中空的环形板体结构，拆装方便，可以保证通风槽板的强度，防止其变形，保证电机长期安全可靠的运行；另外，中空的板体结构能够保证上下设置的转子径向风道31和定子径向风道41相对，保证风道的通畅；同时，能够对空气流动进行导向，防止其任意流动，保证散热效果。

在一些实施例中，沿转子3的轴向方向，多个转子段的多个永磁体34之间通过支撑柱37固定连接。具体来说，永磁体34分段插入相应的转子冲片33形成的转子铁心内，通过支撑柱37可以支撑不同转子段的永磁体34，防止不同转子段的永磁体34轴向窜动，保证电机转动的平稳可靠。

在一些实施例中，如图1所示，转轴2通过轴承结构8固定于电机壳1内，轴承结构8包括深沟球轴承81和用于保持深沟球轴承81的轴承支架82，以提高转轴2的强度，满足电机高速运转的极限转速要求。轴承支架82优选为黄铜支架。

在一些实施例中，如图1和图4所示，电机壳1为箱式结构，电机壳1内安装有用于支撑定子4的支撑板9，支撑板9上开设有与定子4的外径相匹配的定子安装孔91。

电机壳1由钢板焊接而成，包括前侧壁、后侧壁、左侧壁、右侧壁、底壁以及用于安装冷却器5的顶壁。前侧壁、后侧壁均开设有用于安装电机转子3和定子4的安装孔11，安装孔11的直径φ₁根据设于转子3的径向外侧的定子4的外径确定，安装孔11的直径φ₁略大于定子4的外径，以使转子3和定子4能够顺利装入。

支撑板9焊接于顶壁和底壁，用于支撑及固定定子4。开设于支撑板上的定子安装孔91的直径φ₂根据定子4的外径尺寸确定,如此，可以将较小直径的定子4装入电机壳1内，进而使得转子3的直径随之减小，同样高转速条件下，可减小离心力的作用对转子3及永磁体强度的影响，同时降低电机振动值。将电机壳1设置为箱式结构，可以采用较小直径的转子冲片33和定子冲片43，减小高转速下离心力的作用。同时电机壳1的侧壁可以对转子3和定子4进行防护，侧壁上设有电机电缆出线口。

如图1和图2所示，出风孔102设置在电机壳1的顶壁的中部位置，进风孔101设置在出风孔102的左、右两侧；转子3和定子4安装于电机壳1内与出风孔102相对的位置，出风孔102能够覆盖转子径向风道31和定子径向风道41。出风孔102包括开设于顶壁中部位置区域内的多个通孔，沿气流流向，转子径向风道31、定子径向风道41和出风孔102可以形成敞口结构以使电机壳1内产生的热量快速散出。

本实施例中，出风孔102开设于电机壳1的中部位置，即采用两侧进风中部出风的散热方式；其他实施例中，也可以采用中部进风两侧出风的散热方式，即进风孔设置在电机壳1的中部位置，出风孔设置在进风孔的左右两侧，此时，进风孔、定子径向风道41、气隙42、转子径向风道31、第一轴向风道32、出风孔以及冷却腔51依次连通形成循环冷却风道。

如图1所示，换热管6在冷却腔51内横向布置可以有效增大换热空间，提高换热效果；同时，还可以在冷却腔51内上下间隔布置多组换热管6以进一步提高换热效果。冷却器5还包括与出口502连通的出风腔52，出风腔52的截面大于出口502的直径，使得热风能够快速流出，实现电机的快速冷却。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高速永磁电机，其特征在于，包括：

电机壳，其顶壁设有进风孔和出风孔；

转轴，其安装于所述电机壳内，且其两端穿过所述电机壳的侧壁；

转子，其包括多个依次套设于所述转轴上的转子段，相邻的所述转子段之间形成转子径向风道，多个所述转子段沿其轴向方向开设有相对应的第一轴向风道；

定子，其设于所述转子的径向外侧，所述定子包括沿其轴向方向分段设置的多个定子段，相邻的所述定子段之间形成定子径向风道，所述定子的内周面与所述转子的外周面之间具有气隙；

冷却器，其可拆卸地安装于所述电机壳的顶壁，所述冷却器具有进口和出口，所述冷却器内形成有冷却腔，所述冷却腔内设有连通所述进口和所述出口的换热管，所述冷却腔的底部与所述进风孔和所述出风孔连通以使所述进风孔、所述第一轴向风道、所述转子径向风道、所述气隙、所述定子径向风道、所述出风孔以及所述冷却腔依次连通形成循环冷却风道；

风机，其设于所述冷却器上，用于驱动所述换热管内的冷却介质循环流动。

2.根据权利要求1所述的高速永磁电机，其特征在于，所述转子段包括多个转子冲片和永磁体，所述转子冲片上设有多个通槽，多个所述转子冲片叠压形成转子铁心，多个所述转子冲片的多个所述通槽一一相对形成多个磁体槽，所述永磁体嵌设于所述磁体槽中。

3.根据权利要求2所述的高速永磁电机，其特征在于，相邻的所述转子段之间通过转子通风槽板连接，所述转子通风槽板的板面垂直于所述转子的轴向，所述转子通风槽板具有垂直于所述转子轴向方向且贯穿所述转子通风槽板两端的第一通孔以形成所述转子径向风道。

4.根据权利要求2所述的高速永磁电机，其特征在于，沿所述转子的轴向方向，多个所述转子段的多个所述永磁体之间通过支撑柱固定连接。

5.根据权利要求1所述的高速永磁电机，其特征在于，所述定子段包括多个定子冲片，多个所述定子冲片叠压形成所述定子，相邻的所述定子段之间通过定子通风槽板连接，所述定子通风槽板的板面垂直于所述定子的轴向，所述定子通风槽板具有垂直于所述定子轴向方向且贯穿所述定子通风槽板两端的第二通孔以形成所述定子径向风道。

6.根据权利要求1所述的高速永磁电机，其特征在于，所述转轴通过轴承结构固定于所述电机壳内，所述轴承结构包括深沟球轴承和用于保持所述深沟球轴承的轴承支架，所述轴承支架为黄铜支架。

7.根据权利要求1所述的高速永磁电机，其特征在于，所述电机壳为箱式结构，所述电机壳内安装有用于支撑所述定子的支撑板，所述支撑板上开设有与所述定子的外径相匹配的定子安装孔。

8.根据权利要求1所述的高速永磁电机，其特征在于，所述出风孔设置在所述电机壳的顶壁的中部位置，所述进风孔设置在所述出风孔的左、右两侧；所述转子和所述定子安装于所述电机壳内与所述出风孔相对的位置，所述出风孔能够覆盖所述转子径向风道和所述定子径向风道。

Images