CN202918134U - 一种压缩机/高速永磁电机系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种压缩机/高速永磁电机系统，属于电动机技术领域。该压缩机用兆瓦级高速变频电动机包括冷却水套、定子铁心、定子绕组、定子径向风道、定子内风道、永磁转子、两个滑动轴承及两个压缩机叶轮。本实用新型的优越性在于：1.可以有效的解决高速电动机转子发热严重和温度不均的问题。2.解决了定子铁心温度过高和轴向温度梯度过大的问题。3.不仅可以从机械上解决转子高速旋转情况下永磁体的强度问题，还可以从电磁上有效的防止高次谐波进入永磁体产生附加损耗。
Description
技术领域
本实用新型属于电动机技术领域，涉及一种压缩机/高速永磁电机系统，该电动机具有结构简单，效率高，可靠性、散热性好，转子强度高等特点，并实现电动机与压缩机一体化，特别适用于天然气管道输送的压缩机中。
背景技术
高速电动机由于转速高、功率密度大、体积小，可以有效地节约材料；高速电动机转动惯量较小，动态响应较快；高速电动机可与工作机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音和提高传动系统的效率。高速电动机的研究与应用符合节能减排的经济发展需要，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。特别适用于压缩机中，可以采用高速变频电动机直接驱动离心压缩机，使机组结构简单、无联轴器、无齿轮箱、可提高效率、降低维护成本且安装方便、实现电动机与压缩机的机电一体化。
永磁电动机以其结构简单，力能密度高、无励磁损耗、效率高等优点，最适合于高速电动机。高速高频电动机与普通电动机相比设计难度较大，高速电动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，电动机在高速旋转的情况下，空气和转子表面的摩擦产生很大的风摩耗，转子永磁体的涡流损耗也很大，特别是大功率的高速永磁电动机，定子铁心损耗和绕组损耗都高达数千瓦甚至上万瓦，造成电动机温升过高，而永磁体在温度过高的情况下会发生不可逆退磁，给电动机造成严重危害，因此电动机的散热成为电动机设计的核心问题之一。对于永磁电动机来说，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其采取保护措施，转子设计及加工工艺也成为高速电动机设计的难点之一。另外，为了减少离心力及产生需要的输出功率，转子一般为细长型，对于与压缩机实现机电一体化的电动机转子要求其额定转速跨越1阶弯曲临界转速和小于2阶弯曲临界转速，因此转子动力学设计也是关键问题。
发明内容
实用新型目的：本实用新型提供一种压缩机/高速永磁电机系统，其目的是解决以往的电机转子在高速旋转的情况下永磁体强度不够而易发生破损的问题以及大功率高密度电机损耗密度大、热量难以散出、温升过高而严重影响电机可靠性和运行寿命的问题，同时防止了高次谐波进入永磁体产生附加损耗，避免永磁体在高温情况下发生严重退磁甚至不可逆退磁的现象，大大提高了电机的可靠性运行。
技术方案：
一种压缩机用槽内自冷却高速永磁电机系统，包括机壳和设置在机壳内的定子与转子，机壳的两端分别设置有左端盖和右端盖，其特征在于：在机壳的外部设置有冷却水套，冷却水套的内部为周向螺旋水道；所述定子包括定子铁心、定子绕组及绕组压板，定子绕组设置在定子铁心上，定子铁心的中间设置有径向风道，径向风道同设置在转子外围的轴向内风道连通；在左端盖和右端盖上均设置有将内风道出来的风引出的出风口。
转子由转子铁心、永磁体及碳纤维护套组成，转子铁心设置在转轴上，永磁体贴在转子铁心的外圆表面，碳纤维护套包在永磁体外围；永磁体在转子铁心的轴向分成多段，永磁体外缠有一层玻璃丝纤维，玻璃丝纤维与高强度的碳纤维共同组成保护套，并与永磁体过盈配合，转轴为双轴伸，转轴两端用滑动轴承支承，在转轴的两端各装有一个离心压缩机的悬臂叶轮。
离心压缩机的悬臂叶轮使电动机轴与压缩机轴成为一体，悬臂叶轮安装在滑动轴承外侧。
在液氮冷却下永磁体与碳纤维护套实现过盈装配，永磁体在机加工后与碳纤维护套装配前进行径向充磁。
定子上用于设置绕组的定子槽为矩形槽，绕组分上、下两层，采用分数槽短距绕组，定子槽的槽口上部留有内风道，绕组嵌入定子槽中，定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。
电机由高压变频驱动。
周向螺旋水道两路并联，定子中间为进水口，水道两端为出水口。
定子的两端设置有绕组压板。
碳纤维护套内设置有导电粉末。
优点效果：
针对上述存在的问题，本实用新型是一种四极的高速永磁同步电机，定子槽型采用矩形槽，每极每相槽数为分数槽，绕组采用双层短距绕组；散热系统采用风冷和水冷相结合的方式，风冷借助压缩机工艺气体，采用径向和轴向相混合的冷却方式，水冷采用周向的两路并联的螺旋管道，电机转子采用面贴式永磁体，永磁体保护套采用质量轻强度高的非导磁导电的碳纤维保护套，并在碳纤维保护套的内侧缠有一层薄薄的玻璃丝纤维，同时在碳纤维护套中加入一定量的导电粉末，碳纤维保护套与永磁体在液氮冷却下采用过盈配合，通过电磁和机械结构设计，使高速永磁电机达到性能要求，并解决上述存在的问题。
具体如下：
1.本实用新型的转子结构中永磁体保护套采用碳纤维复合材料，由于碳纤维复合材料具有密度小、拉伸强度大、受温度影响较小的特点，可以对永磁体在高温高速旋转的情况下更安全有效地保护；碳纤维保护套中加入一定量的导电粉末，可以对永磁体起到电磁屏蔽的作用，防止高次谐波磁场进入永磁体产生附加损耗，有利于减小转子永磁的涡流损耗和转子产生热量，防止永磁体温升过高发生严重失磁甚至不可逆退磁的现象，同时还可以增加电机效率；永磁体与护套在液氮冷却下采用过盈配合，使保护套对永磁体施加一定的预压力，用以抵消高速旋转离心力产生的拉应力，对永磁体与护套的过盈量进行优化设计，使永磁体在高温及高速旋转下始终承受压应力，防止永磁体在离心力作用下被拉碎，同时保证护套在离心力作用下仍能满足强度要求；碳纤维保护套的内层加入一层薄薄的密度较大玻璃丝纤维，可以减小永磁体极间间隙和永磁体轴向分段而在永磁体之间产生的间隙，从而产生的弯曲应力，可以更有效更安全的对永磁体起到保护作用。
2．本实用新型的电机定子槽型采用矩形槽，绕组采用扁铜线绕组，不仅可以获得较大槽口尺寸，还可以大大提高电机槽的利用率，获得更大的内风道通风面积，从而使冷风与电机转子更多的接触和热量更好的传递，有助于减小电机转子温升，提高电机可靠性运行。定子每极每相槽数采用分数槽，绕组采用双层短距绕组，可以避免因槽口尺寸较大而产生较大的齿槽转矩，减小电动机运行时的转矩波动、振动和噪声，使电机更稳定的运行。
3．本实用新型的电动机冷却系统为风冷与水冷相结合的方式，其中转子采用风冷，压缩机正压工艺气体由定子铁心中间径向风道经定子内风道，到达转子气隙，该通风系统结构简单，且能使转子温度更加均匀，避免转子出现较大温度梯度，可以避免永磁体因温度过高发生严重失磁甚至造成不可逆退磁的现象，同时正压风空气进不到机内，火灾的可能性几乎等于零。定子采用水冷方式，在机壳上直接加工出螺旋水套，采用并联支路，水道从中间进水，两端出水，此种设计方式解决了大功率高速电机定子损耗过大温升过高的问题，同时还避免了水路过长造成较大的温度梯度，防止绕组内温升过高而减少绕组绝缘寿命的问题。对于压缩机用大功率高速变频电动机，此种风冷与水冷相结合的冷却方式，可以有效地解决高速电机体积小、损耗密度大、热量难以散出的问题，大大的提高的大功率高速电机的安全运行寿命。
4 本实用新型的大功率高速变频电动机和离心压缩机主轴实现机电一体化，即高速变频电动机直接驱动离心压缩机，使机组结构简单、无联轴器、无齿轮箱、噪声较低、可提高效率、降低维护成本且安装方便。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型。
图1为本实用新型的整体结构图；
图2为本实用新型的截面图；
图3为电动机通风系统图。
图中：1.机壳，2.转子铁心，3.分段式永磁体，4.碳纤维保护套，5.内风道，6.定子绕组，7.定子铁心，8.径向风道，9.螺旋水道，10.水道外壳，11.定子右端压板，12.绕组端部，13.转轴，14.右端盖，15.风道出口，16.右滑动轴承，17.压缩机第二级叶轮，18.压缩机第一级叶轮，19.左滑动轴承，20.左端盖，21. 定子左端压板，22.孔用挡圈，23.气隙。
具体实施方式
下面结合附图对实用新型做进一步描述。
本实用新型提供一种压缩机/高速永磁电机系统，包括机壳1和设置在机壳1内的定子与转子，机壳1的两端分别设置有左端盖20和右端盖14，在机壳1的外部设置有冷却水套，冷却水套的内部为周向螺旋水道9；所述定子包括定子铁心7、定子绕组6及绕组压板，定子绕组设置在定子铁心7上，定子铁心7的中间设置有径向风道8，径向风道8同设置在转子外围的轴向内风道5连通；在左端盖20和右端盖14上均设置有将内风道5出来的风引出的出风口15。
转子由转子铁心2、永磁体3及碳纤维护套4组成，转子铁心2设置在转轴13上，永磁体3贴在转子铁心2的外圆表面，碳纤维护套4包在永磁体3外围；永磁体在转子铁心2的轴向分成多段，碳纤维保护套内侧缠有一层玻璃丝纤维，玻璃丝纤维与高强度的碳纤维共同组成保护套，并与永磁体过盈配合，转轴为双轴伸，转轴两端用滑动轴承支承，在转轴13的两端各装有一个离心压缩机的悬臂叶轮。离心压缩机的悬臂叶轮分为压缩机第二级叶轮17和压缩机第一级叶轮18。
离心压缩机的悬臂叶轮使电动机轴与压缩机轴成为一体，悬臂叶轮安装在滑动轴承外侧。
在液氮冷却下永磁体与碳纤维护套实现过盈装配，永磁体在机加工后与碳纤维护套装配前进行径向充磁。
定子上用于设置绕组的定子槽为矩形槽，绕组分上、下两层，采用分数槽短距绕组，定子槽的槽口上部留有内风道，绕组嵌入定子槽中，定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。
电机由高压变频驱动。周向螺旋水道9两路并联，定子中间为进水口，水道两端为出水口。定子的两端设置有绕组压板。碳纤维护套内设置有导电粉末。
具体的说：
如图1、图2所示，机壳1上开有周向螺旋水道9，螺旋水道9外面有水道外壳10包围，定子铁心7两端装有定子右端压板11及定子左端压板21，定子右端压板11及定子左端压板21由定位轴肩及孔用弹性挡圈22安装在机壳1上，定子绕组6嵌入定子铁心7中的定子槽中，定子槽型采用矩形槽，绕组采用扁铜线双层短距绕组，定子每极每相槽数采用分数槽，不仅可以获得较大槽口尺寸，提高槽的利用率，增加风路散热面积，从而使冷风与电机转子更多的接触和热量更好的传递，还可以避免因槽口尺寸较大而产生较大的齿槽转矩，减小电动机运行时的转矩波动，使电机更稳定的运行。
转子由转子铁心2、分段式永磁体3、碳纤维护套4及转轴13组成，其中转子铁心采用低碳钢材料，永磁体周向分为四段贴于转子铁心表面，永磁体间留有一定间隙，并用高强度隔磁胶固接，轴向若干段，碳纤维保护套内侧缠有较薄的玻璃丝纤维，同时在碳纤维保护套4中加入一定量的导电粉末，在液氮冷却下与碳纤维护套筒过盈装配，使碳纤维护套4对永磁体3施加一定的预压力，用以抵消高速旋转离心力产生的拉应力，并使永磁体额定转速下在离心力作用下始终承受压应力，不仅从机械上有效的保护永磁转子，同时对永磁体有电磁屏蔽的作用，可以有效的防止高次谐波进入永磁体3产生附加损耗；转子铁心2与转轴13焊接成一体，转轴13由右滑动轴承16及左滑动轴承19支承并安装在左端盖20、右端盖14中，在左、右轴承外侧各装有压缩机第一级叶轮18和压缩机第二级叶轮17，使电动机转子与压缩机轴成为一体。
图3为电动机通风系统图，定子铁心7分为两部分，中间留有径向风道8，转子冷却由压缩机正压工艺气体经定子径向风道8进入气隙23及内风道5冷却电动机转子及端部绕组，气体由出风口压出，冷却风吸收部分定子热量和全部转子热量，再经出风口压出，此设计的通风系统借助压缩机通风系统，结构简单，效率高，能更好的解决转子散热难的问题，中间进风两端出风，能使转子温度更加均匀，避免转子两端出现较大的温度梯度，防止永磁体因温度过高而造成不可逆失磁的现象。
该电动机水路设计包括螺旋水道9和水道外壳10，在机壳1上直接加工出螺旋水道9，水道为并联两条支路，从机座中间进水，二端出水，此种水路设计解决了大功率高速电机定子损耗过大温升过高的问题，同时还避免水路过长造成较大的温度梯度，防止绕组内温升过高减少而绕组绝缘寿命的问题，大大提高了电机安全运行周期。机壳的压力等级和螺旋水道及各个风道相同。
Claims (9)
1.一种压缩机/高速永磁电机系统，包括机壳（1）和设置在机壳（1）内的定子与转子，机壳（1）的两端分别设置有左端盖（20）和右端盖（14），其特征在于：在机壳（1）的外部设置有冷却水套，冷却水套的内部为周向螺旋水道（9）；所述定子包括定子铁心（7）、定子绕组（6）及绕组压板，定子绕组设置在定子铁心（7）上，定子铁心（7）的中间设置有径向风道（8），径向风道（8）同设置在转子外围的轴向内风道（5）连通；在左端盖（20）和右端盖（14）上均设置有将内风道（5）出来的风引出的出风口（15）。
2. 根据权利要求1所述的一种压缩机/高速永磁电机系统，其特征在于：转子由转子铁心（2）、永磁体（3）及碳纤维护套（4）组成，转子铁心（2）设置在转轴（13）上，永磁体（3）贴在转子铁心（2）的外圆表面，碳纤维护套（4）包在永磁体（3）外围；永磁体在转子铁心（2）的轴向分成多段，永磁体外缠有一层玻璃丝纤维，玻璃丝纤维与高强度的碳纤维共同组成保护套，并与永磁体过盈配合，转轴为双轴伸，转轴两端用滑动轴承支承，在转轴（13）的两端各装有一个离心压缩机的悬臂叶轮。
3.根据权利要求2所述的一种压缩机/高速永磁电机系统，其特征在于：离心压缩机的悬臂叶轮使电动机轴与压缩机轴成为一体，悬臂叶轮安装在滑动轴承外侧。
4.根据权利要求2所述的一种压缩机/高速永磁电机系统，其特征在于：在液氮冷却下永磁体与碳纤维护套实现过盈装配，永磁体在机加工后与碳纤维护套装配前进行径向充磁。
5.根据权利要求1所述的一种压缩机/高速永磁电机系统，其特征在于：定子上用于设置绕组的定子槽为矩形槽，绕组分上、下两层，采用分数槽短距绕组，定子槽的槽口上部留有内风道，绕组嵌入定子槽中，定子铁心由超薄低损耗冷轧无取向电工钢片叠压而成。
6.根据权利要求1所述的一种压缩机/高速永磁电机系统，其特征在于：电机由高压变频驱动。
7.根据权利要求1所述的一种压缩机/高速永磁电机系统，其特征在于：周向螺旋水道（9）两路并联，定子中间为进水口，水道两端为出水口。
8.根据权利要求1所述的一种压缩机/高速永磁电机系统，其特征在于：定子的两端设置有绕组压板。
9.根据权利要求2所述的一种压缩机/高速永磁电机系统，其特征在于：碳纤维护套内设置有导电粉末。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130501 Termination date: 20151128 |