CN116865473A - 一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，属于电机技术领域。解决电机冷却通道设计不合理而导致的电机过载运行过程中定转子温升过高、定子轭部打孔容易影响原有的电磁平衡的问题。包括永磁体结构、转子铁芯、定子铁芯和套管，转子铁芯外设置永磁体结构，转子铁芯、套管、定子铁芯顺次设置，转子铁芯上加工转子轴向通风孔，转子铁芯侧壁加工与转子轴向通风孔连通的转子径向孔，永磁体结构上加工有通孔，套管上加工有套管径向通孔，定子铁芯的第一齿部上加工有正面孔和侧面通孔，正面通孔的两端设置侧面、第一齿部的顶面。本发明的冷却结构设计合理，冷却效果好，减小了涡流损耗，便于加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种内冷永磁电机，属于电机技术领域。
背景技术
随着清洁能源应用举措的推开，以及产品升级和技术的发展，低温高速永磁电机的研究在近几年取得了飞速的进展。虽然低温高速永磁电机拥有广泛的发展前景，但目前有关低温高速永磁电机的研究不够完善，特别是我国目前还未全面掌握低温高速永磁电机的相关技术，如低温高速永磁电机设计时对机壳内部冷却结构依旧不完善，因此对内部冷却结构研究的意义重大。
首先，相比于低温高速永磁电机外部流体域，气隙空间十分狭长，如果采用内通路结构，气隙流体流量小，又吸收来自定子和永磁体产生的热能，自身也会产生摩擦损耗，低温流体极易汽化；目前因冷却通道设计不合理而导致的电机过载运行过程中定转子温升过高而导致的低温流体汽化严重的问题依旧存在。
其次，目前对低温高速永磁电机的研究尚且不完善，低温环境下表贴式永磁体易脱落易破碎的问题依然存在。
再次，现在大多数的定子风冷结构是从定子轭部打孔深入槽内形成单一的冷却方式，很难在自然冷却的前提下提供足够的风量，而穿过槽底部的孔很容易影响原有的电磁平衡且要解决通风问题在机壳开孔加工精度要求较高，很难实行。
最后，通常为达到降低反电势谐波含量，降低转矩波动以及噪声振动的目的，大多会通过改变永磁体或转子表面的圆弧形状来提高气隙磁密的正弦度，但是这种方法对永磁体加工设备的精度要求高，工艺复杂且加工难度大，导致其成本高。
因此，亟需提出一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决电机冷却通道设计不合理而导致的电机过载运行过程中定转子温升过高、定子轭部打孔容易影响原有的电磁平衡的问题，提供一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，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：
一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，包括永磁体结构、转子铁芯、定子铁芯和套管，转子铁芯的外壁设置有永磁体结构，转子铁芯、套管、定子铁芯从内到外顺次设置，转子铁芯上加工有转子轴向通风孔，转子铁芯的侧壁加工有两列与转子轴向通风孔连通的转子径向孔，与转子径向通孔对应的永磁体结构上加工有通孔，与转子径向通孔对应的套管上加工有套管径向通孔，定子铁芯的第一齿部上加工有正面孔和侧面通孔，侧面通孔的两端为齿槽，正面通孔的一端与侧面通孔连通，正面通孔的另一端穿过第一齿部的顶面。
优选的：永磁体组包括非磁性管道组、离轴永磁体和近轴永磁体，近轴永磁体、离轴永磁体沿定子铁芯的周向交错布置，非磁性管道组由轴向等距布置的非磁性管道组成，非磁性管道组位于近轴永磁体的外侧，非磁性管道组穿过离轴永磁体，离轴永磁体与转子铁芯之间形成空间散热区域，轴向等距设置的永磁体组形成永磁体结构，永磁体结构中轴向相邻的一组永磁体组的离轴永磁体与另一组永磁体组的近轴永磁体对应设置。
优选的：所述转子铁芯上加工有周向等距布置的凸起，转子铁芯的凸起上加工有填充钢低温流体流道，相邻的转子铁芯的凸起之间形成安装槽，离轴永磁体、近轴永磁体的周向两端分别与安装槽的两侧侧壁连接，轴向相邻的离轴永磁体、近轴永磁体连接，离轴永磁体、近轴永磁体分别加工有离轴永磁体通孔、近轴永磁体通孔，离轴永磁体通孔、近轴永磁体通孔与套管径向通孔对应设置。
优选的：转子铁芯上加工有对称布置的V型永磁体流体通道，永磁体流体通道内设置有对称布置的内置永磁体，转子铁芯上还加工有周向等距布置的转子轴向通风孔，转子轴向通风孔与两列转子径向通孔连通，转子径向通孔与对应设置。
优选的：内置永磁体与离轴永磁体形成磁极，内置永磁体采用钐钴永磁体材料，离轴永磁体采用铁氧体永磁体材料。
优选的：第一齿部偏斜与偏斜磁化方向一致。
优选的：第一齿部上还加工有齿部径向通孔，齿部径向通孔位于侧面通孔的外侧，正面孔为弧形孔结构。
优选的：还包括第二齿部，四个或五个所述第一齿部等距布置形成第一齿部组，第一齿部组与第二齿部周向交错设置，第一齿部组、第二齿部的数量均为四个，第二齿部上加工有出孔和进孔。
本发明具有以下有益效果：
本发明的定子斜齿顶部的风孔偏斜度大于定子斜齿的斜度，定子铁芯的斜齿能够使磁力线的走向尽可能的避开槽内空气，减小了磁阻，降低了损耗。
本发明的非磁性管道组在有限的空间内即实现了冷却，在保证离轴永磁体、进轴磁体有效厚度的前提下提高其强度，防止脱落破碎；
本发明的冷却结构设计合理，且不影响机壳的加工，保证电磁平衡。
本发明的交错永磁体结构改善转子磁极内的磁通走向，使得气隙磁场分布更均匀，谐波占比更低，电机振动噪声更低，同时可以获得较大的空载磁链，减小了涡流损耗，便于加工，有利于控制成本。
附图说明
图1是一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机的立体图；
图2是一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机的侧视图；
图3是图2中A-A剖视图；
图4是图3中C处放大图；
图5是定子铁芯的结构示意图；
图6是一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机的局部侧视图；
图7是图6中B-B剖视图；
图8是一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机的局部立体图；
图9是通风系统原理图；
图10是一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机气隙磁密计算结果；
图11是传统表贴式低温高速永磁电机气隙磁密计算结果；
图12是为传统表贴式低温高速永磁电机与本发明平均转矩对比图。
图中，1-填充钢低温流体流道，2-非磁性管道组，3-离轴永磁体，4-V型永磁体流体通道，5-内置永磁体，6-近轴永磁体，7-第一齿部，8-转子铁芯，9-定子铁芯，10-空间散热区域，11-转子轴向通风孔，12-套管，13-第二齿部，31-离轴永磁体通孔，61-近轴永磁体通孔，71-正面孔，72-侧面通孔，73-齿部径向通孔，81-转子径向通孔，121-套管径向通孔，131-出孔，132-进孔，1311-第一分孔，1312-第二分孔。
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1-8说明本实施方式，本实施方式的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，包括永磁体结构、转子铁芯8、定子铁芯9和套管12，转子铁芯8的外壁设置有永磁体结构，转子铁芯8、套管12、定子铁芯9从内到外顺次同轴设置，转子铁芯8上加工有四个周向等距布置的转子轴向通风孔11，转子铁芯8的侧壁加工有两列与转子轴向通风孔11连通的转子径向孔81，与转子径向通孔81对应的永磁体结构上加工有通孔，与转子径向通孔81对应的套管12上加工有套管径向通孔121，定子铁芯9的第一齿部7上加工有正面孔71和侧面通孔72，侧面通孔72的两端为齿槽，正面通孔71的一端与侧面通孔72连通，正面通孔71的另一端穿过第一齿部7的顶面，第一齿部7的顶面与套管12之间具有空隙，套管12为碳纤维护套；转子铁芯8的流道冷却结构流入低温液体后通过各个部分的作用使得转子在碳纤维护套内能够有效达到冷却效果，转子轴向通风孔11、转子径向孔81、永磁体结构的通孔、套管径向通孔121顺次连通形成转子内部通风结构，而通过转子铁芯的离心作用提供的驱动力，内部空气流出带有套管径向通孔121的套管12后很容易被带有倾斜通风孔(正面通孔71)的第一齿部7吸入槽内进入风冷循环，风冷循环及液冷循环有利于冷却。
具体实施方式二：结合图1-8说明本实施方式，本实施方式的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，永磁体组包括非磁性管道组2、离轴永磁体3和近轴永磁体6，近轴永磁体6、离轴永磁体3沿定子铁芯9的周向交错布置，非磁性管道组2包括第一非磁性管道组和第二非磁性管道组，第一非磁性管道组和第二非磁性管道组沿周向交错布置，非磁性管道组2的第一非磁性管道组和第二非磁性管道组均由轴向等距布置的四个非磁性管道组成，非磁性管道组2的第一非磁性管道组位于近轴永磁体6的外侧对应位置，非磁性管道组2的第二非磁性管道组穿过离轴永磁体3，使低温液体直接环流转子铁芯穿过永磁体进行传热降温，离轴永磁体3与转子铁芯8之间的缝隙形成空间散热区域10，低温液体穿过V型永磁体流体通道进行冷却，永磁体组最好为单数，五组轴向等距设置的永磁体组形成永磁体结构，永磁体结构中轴向相邻的一组永磁体组的离轴永磁体3与另一组永磁体组的近轴永磁体6对应设置，使沿定子铁芯9轴向设置的相邻的近轴永磁体6、离轴永磁体3交错设置；分段交错式永磁体改善转子磁极内的磁通走向，使得气隙磁场分布更均匀，谐波占比更低，电机振动噪声更低，同时电机可以获得较大的空载磁链，减小了涡流损耗；非磁性管道2、离轴永磁体3、近轴永磁体6设置在转子铁芯8与套管12之间；非磁性环形流道(非磁性管道组2)对离轴永磁体3和近轴永磁体6的巧妙固定亦解决低温环境下的表贴式永磁体易脱落的问题，安全可靠；在低温高速永磁电机的转子铁芯8上设置分段不同排列的永磁体，离轴永磁体3和近轴永磁体6大致采用轴向及周向的正弦排布方式，使两副永磁体的轴向及周向排列高度不同，具有改善气隙磁密波形、提高电机转矩密度等优点。
具体实施方式三：结合图1-8说明本实施方式，本实施方式的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，转子铁芯与转轴相连接且两端转轴内的管道嵌入转子铁芯中，所述转子铁芯8上加工有四个周向等距布置的凸起，转子铁芯8的凸起上加工有轴向贯穿的低温流体流道1，相邻的转子铁芯8的凸起之间形成安装槽，安装槽的数量为偶数，非磁性管道组2与填充钢低温流体流道1连通，流经非磁性管道组2进行冷却，离轴永磁体3、近轴永磁体6的周向两端分别与安装槽的两侧侧壁固定连接，轴向相邻的离轴永磁体3、近轴永磁体6固定或可拆卸连接，可根据实际需要适当改变永磁体弧长长度，使其更便于插入填充钢内，确保冷却的同时能够提供足够的应力来增加结构强度，弧形的非磁性管道穿入凸起与填充钢低温流体流道1连通，固定永磁体时先将近轴永磁体固定，再将非磁性管道插入离轴永磁体，在套管和转子铁芯的合力作用下使固定作用更显著，安全性能更好；定子的齿部偏斜，其槽口方向与磁化方向一致，第一非磁性管道组和第二非磁性管道组位于安装槽内，近轴永磁体6与转子铁芯8的外壁紧密贴合，近轴永磁体6外表面紧贴非磁性管道组2的第一非磁性管道组内侧，非磁性管道组2与套管内壁不贴合，通过两者的合力固定，离轴永磁体体悬架在护套和转子铁芯之间，离轴永磁体3外表面紧贴套管12内表面，通过两者的合力固定，离轴永磁体3厚度大于近轴永磁体6厚度，在加强固定效果的同时保证两对永磁体有效厚度相同，电机气隙磁密偶次谐波含量更小，波形更接近正弦，平均转矩更高，离轴永磁体3、近轴永磁体6的中部分别加工有沿径向设置的两列三排的离轴永磁体通孔31、近轴永磁体通孔61，离轴永磁体通孔31、近轴永磁体通孔61组成永磁体结构的通孔，离轴永磁体通孔31、近轴永磁体通孔61与套管径向通孔121对应设置；使用单组嵌入式永磁体提高转子铁芯8强度和提高电机转矩密度等优点，非磁性管道为非磁性金属管道，对其产生径向力，起到固定作用，此种方法能够大大减小永磁体脱落的可能性，延长电机寿命。
具体实施方式四：结合图1-8说明本实施方式，本实施方式的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，转子铁芯8上加工有两个对称布置的V型永磁体流体通道4，V型永磁体流体通道4位于相邻的凸起之间，每个永磁体流体通道4内设置有对称布置的两个同极性的内置永磁体5，相较于传统四个均匀分布在圆周的内置式永磁体，转子强度更大，加工工艺更简便，电机转矩密度更高，转子铁芯8上还加工有四个周向等距布置的转子轴向通风孔11，转子轴向通风孔11位于两个凸起之间，每个转子轴向通风孔11与两列转子径向通孔81连通，转子径向通孔81与对应设置。
具体实施方式五：结合图1-8说明本实施方式，本实施方式的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，内置永磁体5与离轴永磁体3形成磁极，内置永磁体放置在近轴永磁体一侧，内置永磁体5采用钐钴等高矫顽力永磁体材料，离轴永磁体3采用铁氧体等低矫顽力永磁体材料。
具体实施方式六：结合图1-8说明本实施方式，本实施方式的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，第一齿部7、第二齿部13偏斜与偏斜磁化方向一致；定子斜齿顶部的风孔偏斜度大于定子斜齿的斜度，斜齿偏斜能够迎合磁场偏移的方向，定子铁芯9的斜齿(第一齿部7、第二齿部13)能够使磁力线的走向尽可能的避开槽内空气，即尽可能的减少磁路在定子槽内空气的部分，减小了磁阻，降低了损耗。
具体实施方式七：结合图1-8说明本实施方式，本实施方式的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，第一齿部7上还加工有齿部径向通孔73，用于作为循环风孔，周向循环风孔的位置设于双层绕组中间，提高风冷循环效率，齿部径向通孔73位于侧面通孔72的外侧，正面孔71为弧形孔结构，用于作为进风孔；在转子离心力的作用下碳纤维护套上的径向通风孔有效的将内部空气排至气隙(套管12外壁与齿部顶面之间的间隙)，且气隙中气压较大，偏斜的正面孔71、进孔132更易于将空气吸入定子槽(齿槽)，定子槽内空气通过循环风孔流经六个定子槽并最终流出定子风冷区域，此风冷结构可实现径向及分段周向的循环制冷和轴向单向制冷，使定子绕组得到的径向、轴向和周向冷却，降低了定子同绕组温升，减小了铜耗提高了效率，风冷循环路径更短，在转子离心力的作用下风量更大，循环速度高，冷却效果好。
具体实施方式八：结合图1-12说明本实施方式，本实施方式的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，还包括第二齿部13，五个所述第一齿部7等距布置形成第一齿部组，第一齿部组与第二齿部13周向交错设置，第一齿部组、第二齿部13的数量均为四个，第二齿部13上加工有出孔131和进孔132，所述进孔132为与正面孔71同向对应的弧形结构，出孔131与进孔132的一端均设置在第二齿部13的齿顶面位置，进孔132的另一端与齿槽连通，出孔131的另一端连通有第一分孔1311和第二分孔1312，第一分孔1311和第二分孔1312均为弧形结构，且第一分孔1311和第二分孔1312的端部与齿槽连通，第一分孔1311位于第二分孔1312内侧，定子铁芯上共设有四组周向等距布置的通风系统，每组通风系统包括一个第二齿部13和五个第一齿部，出风斜孔截面积>循环风孔截面积>进风斜孔截面积；第一分孔1311和第二分孔1312的径向截面总面积为进孔132的径向截面面积的1.5-2倍，此参数为最优选择；定子通风孔的设置根据
其中，Q-总散热量，H-槽深，T1-初始温度，T2-稳态温度，Sin-通风孔面积；
Q＝cm(T2-T1)来确定通风孔面积。
两组周向的进孔132、正面孔71分别与永磁体结构中的第二个永磁体组、第四个永磁体组对应设置，会影响与其第二个永磁体组、第四个永磁体组的磁路分布，影响磁场轴线移动和峰值转矩增强的效果，而内置永磁体对磁路的充磁，从而有效地保证了气隙磁场和反电势的正弦度，显著降低了反电势谐波总含量从而降低定子铁芯损耗，提高低温电机的控制性能；不仅可以使电机改善气隙磁密正弦度，还具有提高电机的平均转矩、提高电机功率密度、增强转子强度、减小磁阻和冷却效果显著等优点，对于低温高速永磁电机的优化具有重要指导意义。
如图10-11所示，本发明通过仿真计算得到传统表贴式永磁体低温电机的气隙磁密计算结果和本发明(交错分布式永磁体低温电机)的气隙磁密计算结果，可以清晰的看出本发明气隙谐波含量更低，具有改善气隙波形的优点，减小了振动噪声和转矩脉动和绕组铜耗，提高了电机效率；如图12所示，通过仿真计算得到传统表贴式低温高速永磁电机的平均转矩为20.32N.m，本发明的低温高速永磁电机的平均转矩为20.9N.m。采用本发明设计的混合永磁记忆电机在额定电流下，平均转矩提高了2.85％。
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 (8)
1.一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，其特征在于：包括永磁体结构、转子铁芯(8)、定子铁芯(9)和套管(12)，转子铁芯(8)的外壁设置有永磁体结构，转子铁芯(8)、套管(12)、定子铁芯(9)从内到外顺次设置，转子铁芯(8)上加工有转子轴向通风孔(11)，转子铁芯(8)的侧壁加工有两列与转子轴向通风孔(11)连通的转子径向孔(81)，与转子径向通孔(81)对应的永磁体结构上加工有通孔，与转子径向通孔(81)对应的套管(12)上加工有套管径向通孔(121)，定子铁芯(9)的第一齿部(7)上加工有正面孔(71)和侧面通孔(72)，侧面通孔(72)的两端为齿槽，正面通孔(71)的一端与侧面通孔(72)连通，正面通孔(71)的另一端穿过第一齿部(7)的顶面。
2.根据权利要求1所述的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，其特征在于：永磁体组包括非磁性管道组(2)、离轴永磁体(3)和近轴永磁体(6)，近轴永磁体(6)、离轴永磁体(3)沿定子铁芯(9)的周向交错布置，非磁性管道组(2)由轴向等距布置的非磁性管道组成，非磁性管道组(2)位于近轴永磁体(6)的外侧，非磁性管道组(2)穿过离轴永磁体(3)，离轴永磁体(3)与转子铁芯(8)之间形成空间散热区域(10)，轴向等距设置的永磁体组形成永磁体结构，永磁体结构中轴向相邻的一组永磁体组的离轴永磁体(3)与另一组永磁体组的近轴永磁体(6)对应设置。
3.根据权利要求1所述的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，其特征在于：所述转子铁芯(8)上加工有周向等距布置的凸起，转子铁芯(8)的凸起上加工有填充钢低温流体流道(1)，相邻的转子铁芯(8)的凸起之间形成安装槽，离轴永磁体(3)、近轴永磁体(6)的周向两端分别与安装槽的两侧侧壁连接，轴向相邻的离轴永磁体(3)、近轴永磁体(6)连接，离轴永磁体(3)、近轴永磁体(6)分别加工有离轴永磁体通孔(31)、近轴永磁体通孔(61)，离轴永磁体通孔(31)、近轴永磁体通孔(61)与套管径向通孔(121)对应设置。
4.根据权利要求3所述的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，其特征在于：转子铁芯(8)上加工有对称布置的V型永磁体流体通道(4)，永磁体流体通道(4)内设置有对称布置的内置永磁体(5)，转子铁芯(8)上还加工有周向等距布置的转子轴向通风孔(11)，转子轴向通风孔(11)与两列转子径向通孔(81)连通，转子径向通孔(81)与对应设置。
5.根据权利要求4所述的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，其特征在于：内置永磁体(5)与离轴永磁体(3)形成磁极，内置永磁体(5)采用钐钴永磁体材料，离轴永磁体(3)采用铁氧体永磁体材料。
6.根据权利要求5所述的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，其特征在于：第一齿部(7)偏斜与偏斜磁化方向一致。
7.根据权利要求1或6所述的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，其特征在于：第一齿部(7)上还加工有齿部径向通孔(73)，齿部径向通孔(73)位于侧面通孔(72)的外侧，正面孔(71)为弧形孔结构。
8.根据权利要求7所述的一种贴嵌混合磁钢的斜齿内冷永磁电机，其特征在于：还包括第二齿部(13)，四个或五个所述第一齿部(7)等距布置形成第一齿部组，第一齿部组与第二齿部(13)周向交错设置，第一齿部组、第二齿部(13)的数量均为四个，第二齿部(13)上加工有出孔(131)和进孔(132)。
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