CN116780800A - 一种具有低损耗特征的低温高速电机结构 - Google Patents

一种具有低损耗特征的低温高速电机结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，属于电机技术领域。解决现有的电机结构损耗较大，散热效果不明显的问题。包括定子、保护环、转子铁心和永磁体组，定子、保护环、转子铁心从外到内顺次同轴设置，转子铁心上安装有永磁体组，永磁体组包括V型永磁体、切向永磁体和径向永磁体，V型永磁体、径向永磁体和切向永磁体均匀嵌入安装到转子铁心内。本发明的降低了定子的涡流损耗，同时该结构安装较为方便，由空心的层间绝缘可以对槽内绕组实现良好冷却，降低槽内温升，通孔和高槽口结构增加了定子齿部冷却面积，进一步提升了定子的散热能力。

Description

一种具有低损耗特征的低温高速电机结构
技术领域
本发明涉及一种低温高速电机结构，属于电机技术领域。
背景技术
低温电机主要作为低温、高粘度流体传输的动力装置，在确保电机电磁性能的条件下，其温升及强度要求交常规电机更为苛刻。随着永磁技术的发展，永磁电机在低温电机中的应用获得广泛关注。再高速条件下，永磁电机多选用表贴式结构，内置式的结构应用较少，对于出于临界温度的低温介质来说，较高的温升会出现介质气化现象，降低了介质的传输质量，这也说明，低温电机与常规电机相比，其具有更为严苛的温升限制要求。例如：公开号为CN109347222A，发明创造名称为一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法及电机结构低温高速电机，转子结构采用径向充磁的表贴式结构的无刷直流电机，转子外侧采用碳纤维材质的保护结构，定子轭部圆周设有导流孔作为冷却结构，该发明具有结构简单，制造方便的优点，也具有一定的冷却能力。但是，也存在以下问题：
1.径向充磁的表贴式结构，每个磁极下的永磁体数量较少，提供磁密有限，未产生足够的气隙磁场，需要使用高矫顽力的永磁材料及增加永磁体体积，增加了电机制造成本；
2.气隙磁场为方形波，谐波含量较大，会产生较大的涡流损耗；定子齿部磁密较大，相对于轭部来说，定子齿部损耗高于轭部损耗，轭部导流孔对定子整体的散热效果不明显，同时，整体式的定子冲片延长了定子涡流回路，增加了定子损耗。
因此，亟需提出一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明解决现有的电机结构损耗较大，散热效果不明显的问题，提供一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，包括定子、保护环、转子铁心和永磁体组，定子、保护环、转子铁心从外到内顺次同轴设置，转子铁心上安装有永磁体组，永磁体组包括V型永磁体、切向永磁体和径向永磁体，V型永磁体、径向永磁体和切向永磁体均匀嵌入安装到转子铁心内。
优选的：所述径向永磁体包括两个第一永磁体，两个第一永磁体成直线布置，V型永磁体包括两个第二永磁体，两个第二永磁体成V型布置。
优选的：还包括磁桥，径向永磁体的两端设置磁桥，四个径向永磁体成正方形布置，正方形的四个角均设置有径向永磁体，沿径向布置的径向永磁体位于正方形外侧；V型永磁体的第二永磁体的两端设置有磁桥，四个V型永磁体周向均匀布置在正方形的外侧。
优选的：还包括非磁性填充，转子铁心的外壁与径向永磁体对应位置加工有弧形凹槽，非磁性填充设置于转子铁心与保护环之间的弧形凹槽内。
优选的：所述径向永磁体组成的正方形的内角位置加工有通道。
优选的：两个第二永磁体成V型布置形成的夹角θ1为90°，第二永磁体的长度L1为10mm，第二永磁体的厚度W1为2mm，切向永磁体与径向永磁体之间夹角θ2为135°，径向永磁体厚度W2＝2*W1，长度L2小于L1，切向永磁体厚度W3＝W1，切向永磁体长度L3<L1，转子铁心的外壁具有交错设置的弧形凹槽和弧形凸起，弧形凸起的弧长为166mm，弧形凹槽的弧长为58mm，通道直径为16mm。
优选的：定子包括定子冲片和层间绝缘，定子冲片的中部加工有定子槽，定子冲片的两侧分别加工有T型凹槽、T型凸台，定子冲片的侧面还加工有对称的凹槽，若干定子冲片周向布置，相邻的T型凸台设置在T型凹槽内，相邻的凹槽形成椭圆形通孔，定子槽内有层间绝缘，层间绝缘中部加工有通孔。
优选的：T型凸台上加工有定位孔。
优选的：定子冲片的数量为十八个，定子冲片采用0.2mm后无取向硅钢片拼接叠压制成，保护环采用钛合金材质制成的环状结构。
优选的：还包括平衡齿，平衡齿在转子铁心两端周向均匀分布，且转子铁心两端的平衡齿数量均为十二个，转子铁心进风端的平衡齿选择“L”型结构，转子铁心出风端平衡齿选用“一”字型结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明的降低了定子的涡流损耗，同时该结构安装较为方便，由空心的层间绝缘可以对槽内绕组实现良好冷却，降低槽内温升，通孔和高槽口结构增加了定子齿部冷却面积，进一步提升了定子的散热能力；
本发明转子采用四极结构，永磁体的多层配饰，提升了每极下的聚磁效果，具有更好气隙磁场波形，更低的损耗，保证电机使用地矫顽力的前提下，仍能提供足够的磁场强度，降低了电机的制造成本，转子多段弧线结构提高了电机的过载能力，平衡齿的存在也增加了电机气隙内的轴向冷却能力。
附图说明
图1是一种具有低损耗特征的低温高速电机结构的主视图；
图2是定子冲片结构示意图；
图3是定子结构示意图。
图4是永磁体组充磁方向示意图；
图5是一种具有低损耗特征的低温高速电机结构的局部示意图；
图6是平衡齿结构示意图；
图7是一种具有低损耗特征的低温高速电机结构的爆炸视图；
图8是本发明与传统U型结构气隙磁密波形示意图；
图9是本发明与传统U型结构空载反电势波形示意图。
图中：1-定子，2-T型凹槽，3-定位孔，4-T型凸台，5-层间绝缘，6-椭圆形通孔，7-定子槽，8-保护环，9-V型永磁体，10-切向永磁体，11-径向永磁体，12-转子铁心，13-非磁性填充，14-通道，15-磁桥，16-平衡齿，17-定子冲片。
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了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，包括定子1、保护环8、转子铁心12和永磁体组，定子1、保护环8、转子铁心12从外到内顺次同轴设置，转子铁心12上安装有永磁体组，永磁体组包括V型永磁体9、切向永磁体10和径向永磁体11，由外向内依次分布的V型永磁体9、径向永磁体11和切向永磁体10均匀嵌入安装到转子铁心12内；本发明设计合理，可以满足内置式结构在高速状态下稳定运行，同时可以充分利用内置式结构高转矩密度的优势，解决了漏磁导致永磁体的利用率降低的问题。
具体实施方式二：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，所述径向永磁体10包括两个第一永磁体，两个第一永磁体成直线布置，且两个第一永磁体之间不接触，V型永磁体9包括两个第二永磁体，两个第二永磁体成V型布置，且两个第二永磁体不接触，即V型永磁体9由两个相同尺寸结构的切向充磁的永磁体构成，磁桥15以三角形形式分别存在与V型永磁体11和径向永磁体10的两端。
具体实施方式三：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，还包括磁桥15，径向永磁体10的两端设置一组磁桥15，四个径向永磁体10成正方形布置，且相邻的径向永磁体10端部的磁桥15不接触，正方形的四个角均设置有径向永磁体11，沿径向布置的径向永磁体11位于正方形外侧，且径向永磁体11与正方形不接触；V型永磁体9的第二永磁体的两端设置有另一组磁桥15，相邻的第二永磁体端部的磁桥15不接触，四个V型永磁体9周向均匀布置在正方形的外侧，且V型永磁体9与正方形不接触，V型永磁体9的两侧到径向永磁体11的距离相等，磁桥15嵌入到转子铁心12内；转子采用多永磁体的多层次配置，可实现气隙磁场波的正弦化，降低了转子涡流损耗，本发明从损耗降低和改善散热条件，可实现低温电机对冷却介质的高质量传输。
具体实施方式四：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，还包括非磁性填充13，转子铁心12的外壁与径向永磁体11对应位置加工有弧形凹槽，非磁性填充13设置于转子铁心12与保护环8之间的弧形凹槽内；转子铁心12为多段弧形转子，电机为四极结构，每个磁极下包含了一个凸起弧线段(弧形凸起)和两个一半的凹陷弧线段(弧形凹槽)，凹陷弧线段与保护环之间存在非磁性填充13，加强保护作用，此外还增加了交轴磁阻，提高了磁阻转矩，通道14提供冷却路径，通道14位置位于径向充磁的两个磁极之间的中心位置。
具体实施方式五：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，所述径向永磁体10组成的正方形的内角位置加工有轴向圆形通道14。
具体实施方式六：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，两个第二永磁体成V型布置形成的夹角θ1为90°，第二永磁体的长度L1为10mm，第二永磁体的厚度W1为2mm，切向永磁体11与径向永磁体10之间夹角θ2为135°，径向永磁体10厚度W2＝2×W1，长度L2小于L1，切向永磁体11厚度W3＝W1，切向永磁体11长度L3<L1，转子铁心12的外壁具有交错设置的弧形凹槽和弧形凸起，弧形凸起的弧长为166mm，弧形凹槽的弧长为58mm，通道14直径为16mm，此参数为最优选择；本发明转子采用四极结构，永磁体的多层配饰，提升了每极下的聚磁效果，与现有的单V型结构和单U型结构相比，其具有更好气隙磁场波形，更低的损耗，同时每极下具有多永磁体，可以保证电机使用地矫顽力的前提下，仍能提供足够的磁场强度，降低了电机的制造成本，转子多段弧线结构提高了电机的过载能力，平衡齿的存在也增加了电机气隙内的轴向冷却能力。
具体实施方式七：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，定子1包括定子冲片17和层间绝缘5，定子冲片17的中部加工有定子槽7，定子冲片17的两侧分别加工有T型凹槽2、T型凸台4，定子冲片17的侧面还加工有对称的凹槽，若干定子冲片17周向布置，相邻的T型凸台4设置在T型凹槽2内，便于周向拼接且连接稳定，装配精度高，相邻的凹槽形成椭圆形通孔6，定子槽7内插接有切向布置的层间绝缘5，层间绝缘5中部加工有轴向方形的通孔；每个冲片齿部开有一定厚度的凹槽，两块定子冲片拼接后两侧凹槽组建成轴向通孔6，形成第一条冷却通路，在定子槽7中部内壁设有卡槽，便于固定安装空心式层间绝缘5，空心层间绝缘形成第二条冷却通路，定子槽7用来存放铜导体，保护环与定子1之间具有间隙，定子槽7采用高槽口结构，本设计中槽口高度为5mm，槽口位置与气隙组成第三条冷却通路。
具体实施方式八：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，T型凸台4上加工有轴向圆形定位孔3，定位孔3与椭圆形通孔6由外到内设置。
具体实施方式九：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，定子冲片17的数量为十八个，定子冲片17采用0.2mm后无取向硅钢片拼接叠压制成，保护环8采用钛合金材质制成的环状结构，保护环8与转子铁心12过盈配合，并在保护环外侧涂有减摩材料；本发明通过定子冲片拼接叠压设计，可有效降低定子损耗，同时构建的定子冷却通路，能有效实现定子主要损耗产生位置的温升降低。
具体实施方式十：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，还包括平衡齿16，平衡齿16在转子铁心12两端周向均匀分布，且转子铁心12两端的平衡齿16数量均为十二个，转子铁心12进风端的平衡齿16选择“L”型结构，在L的上部分做切削处理，使电机从进风端角度顺时针旋转时，进风端平衡齿可以起到轴流风扇的作用，加速气隙内的流体流速，转子铁心12出风端平衡齿16选用“一”字型结构，电机顺时针旋转时，出风端平衡齿起到径向风扇的作用，两端的平衡齿16保证质量一直，安装时确保两端平衡齿质心在同一轴线上。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，其特征在于：包括定子(1)、保护环(8)、转子铁心(12)和永磁体组，定子(1)、保护环(8)、转子铁心(12)从外到内顺次同轴设置，转子铁心(12)上安装有永磁体组，永磁体组包括V型永磁体(9)、切向永磁体(10)和径向永磁体(11)，V型永磁体(9)、径向永磁体(11)和切向永磁体(10)均匀嵌入安装到转子铁心(12)内。
2.根据权利要求1所述的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，其特征在于：所述径向永磁体(10)包括两个第一永磁体，两个第一永磁体成直线布置，V型永磁体(9)包括两个第二永磁体，两个第二永磁体成V型布置。
3.根据权利要求2所述的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，其特征在于：还包括磁桥(15)，径向永磁体(10)的两端设置磁桥(15)，四个径向永磁体(10)成正方形布置，正方形的四个角均设置有径向永磁体(11)，沿径向布置的径向永磁体(11)位于正方形外侧；V型永磁体(9)的第二永磁体的两端设置有磁桥(15)，四个V型永磁体(9)周向均匀布置在正方形的外侧。
4.根据权利要求3所述的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，其特征在于：还包括非磁性填充(13)，转子铁心(12)的外壁与径向永磁体(11)对应位置加工有弧形凹槽，非磁性填充(13)设置于转子铁心(12)与保护环(8)之间的弧形凹槽内。
5.根据权利要求3或4所述的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，其特征在于：所述径向永磁体(10)组成的正方形的内角位置加工有通道(14)。
6.根据权利要求4所述的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，其特征在于：两个第二永磁体成V型布置形成的夹角θ1为90°，第二永磁体的长度L1为10mm，第二永磁体的厚度W1为2mm，切向永磁体(11)与径向永磁体(10)之间夹角θ2为135°，径向永磁体(10)厚度W2＝2*W1，长度L2小于L1，切向永磁体(11)厚度W3＝W1，切向永磁体(11)长度L3<L1，转子铁心(12)的外壁具有交错设置的弧形凹槽和弧形凸起，弧形凸起的弧长为166mm，弧形凹槽的弧长为58mm，通道(14)直径为16mm。
7.根据权利要求1或6所述的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，其特征在于：定子(1)包括定子冲片(17)和层间绝缘(5)，定子冲片(17)的中部加工有定子槽(7)，定子冲片(17)的两侧分别加工有T型凹槽(2)、T型凸台(4)，定子冲片(17)的侧面还加工有对称的凹槽，若干定子冲片(17)周向布置，相邻的T型凸台(4)设置在T型凹槽(2)内，相邻的凹槽形成通孔(6)，定子槽(7)内有层间绝缘(5)，层间绝缘(5)中部加工有通孔。
8.根据权利要求7所述的一种具有低损耗特征的低温高速电机结构，其特征在于：T型凸台(4)上加工有定位孔(3)。
9.根据权利要求7所述的一种校验压力的低温阀门校验系统，其特征在于：定子冲片(17)的数量为十八个，定子冲片(17)采用0.2mm后无取向硅钢片拼接叠压制成，保护环(8)采用钛合金材质制成的环状结构。
10.根据权利要求9所述的一种校验压力的低温阀门校验系统，其特征在于：还包括平衡齿(16)，平衡齿(16)在转子铁心(12)两端周向均匀分布，且转子铁心(12)两端的平衡齿(16)数量均为十二个，转子铁心(12)进风端的平衡齿(16)选择“L”型结构，转子铁心(12)出风端平衡齿(16)选用“一”字型结构。
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